基于PLC的智能分流井電氣組態控制

陳澤，黃曉

（1．武漢圣禹排水系統有限公司，湖北 武漢 430058 ；2.武漢商學院 信息工程學院，湖北 武漢 430056）

0 引 言

我國早期城市建設過程中，對地下管道的規劃缺乏足夠的前瞻性，各種管網連接復雜，雨水和污水利用合流式方式進行排水。合流暗渠內的低濃度污水直接排入江河、湖泊，使得自然水體受到嚴重污染。后期把合流管道接入污水處理廠，但大量的雨水也進入污水廠，使得污水處理效率降低、資源嚴重浪費。

為實現污水的高效處理，必須對雨水和污水進行分流。分流井是目前用于實現雨污分流的常用裝置，它可實現雨水收集利用和集中管理排放，降低水量對污水處理廠的沖擊。因此，能會大大提升城市的環境質量、城市品位和管理水平，切實改善廣大市民群眾的生存環境和生活質量。

1 分流井控制的硬件配置

本電氣控制系統主要是由西門子PLC S7-1200 系列、“精簡”系列觸摸屏和施耐德電氣控制原件組成。SIMATIC S7-1200 具有集成PROFINET 接口、強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性等特點，為各種工藝任務提供了簡單的通信和有效的解決方案，尤其滿足多種應用中完全不同的自動化需求。PLC 控制系統中，CPU 選用1215C，提供兩個以太網端口，支持PROFINET 通信。其中一個網口通過網線與觸摸屏HMI 鏈接，進行現場數據和觸摸屏操作實時通信。另一個網口與無線路由器網線連接，將項目現場各類實時數據傳送到后臺SCADA 智能控制系統中。PLC 硬件組成中還包括了1 個數字量擴展模塊SM1223、1 個模擬量擴展模塊SM1234、1 個模擬量擴展模塊SM1231、1 個通信擴展模塊CM1241、其硬件均為西門子S7-1200 系列。

1.1 信號采集及控制

本系統中涉及的數字量有油泵啟、停、故障信號，電磁閥啟、停控制信號、雨量信號、按鈕、指示燈及旋鈕信號，均采用高電平信號輸入輸出。涉及模擬量信號輸入輸出的有油缸磁環位置數據、井內外液位數據、水質COD 值、液壓站比例閥。油缸位置和液位計采用的是標準電流4 ～20 mA輸入，由PLC 模擬量模塊采集，并轉化為0 ～27 648 之間對應數值在程序中顯示。當模擬量輸入數值超過30000 時，基本可以判斷為模擬量故障或PLC 此模擬通道故障。堰門控制中涉及雙杠同步控制和液壓站的4 個電磁閥，YV1 閥控制油缸收回油缸頂桿；YV2 閥控制油缸伸出油缸頂桿；YV3 閥控制手動回路油缸；YV4 閥控制比例閥回路油缸。YV3 電磁閥回路的開度由手動閥控制，一般調試完成后鎖定此回路開度。

YV4 電磁閥回路的開度由比例閥控制，此控制采用的是差分電流0 ～20 mA 輸出或者電壓0 ～10 V 輸出控制。在控制程序中控制堰門的雙油缸實時位置模擬量數值來調節YV4 回路的開度大小，由此來控制油缸回路的出油速率來達到YV3、YV4 回路的同步性，保證堰門運行的平穩和安全性。模擬輸出信號通過模塊SM1234 完成信號輸出。COD數據采集選用485 通信，通過CM1241 實現，將讀取的數據在程序內轉化為相對于的數值，并輸出到HMI 和云端后臺顯示。

1.2 一二次回路電氣硬件

PLC 控制單元以外的電氣硬件有塑殼開關、浪涌保護器、電機熱磁短路保護器、交流接觸器、斷路器、開關電源、路由器等。

塑殼開關控制項目總進電通斷，同時此開關帶有MX 分勵脫扣線圈（220 V）。可以在緊急情況下直接給設備迅速斷電。浪涌保護器在電氣回路中因為外界的干擾突然產生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內導通分流，從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。油泵供電控制回路由電機熱磁短路保護器和交流接觸器組成，控制接觸器吸合回路由PLC 控制點位輸出閉合中間繼電器實現。此控制油泵啟停回路對PLC 反饋停止、運行、故障三個數字信號。停止信號由接觸器輔助常閉點提供無源信號；運行信號由接觸器輔助常開點提供無源信號進入PLC；故障信號由電機熱磁短路保護器輔助常閉點提供無源信號進PLC 輸入點位，此間故障信號可表示為：油泵電機過熱或過載。再配合程序的通斷油泵電機電源的功能從而實現對油泵電機的保護功能。施耐德C 型斷路器（空氣開關）、明偉24 V 和12 V 開關電源、有人PLCNET 路由器和TPLINK 交換機等組成了低壓供電通信回路，為PLC、各類傳感器、指示燈、旋鈕、按鈕、觸摸屏、攝像頭等柜內外元器件提供所需電源及通信網絡。

PLC 云網關支持多種PLC 協議，可以采集多種型號的PLC 數據，上報到云端。本文采用“有人云平臺”實現數據監控和云組態等功能。通過PLC 云網關可以實現多設備的互聯，有利于構建“智慧城市”中的分流井監控。

數據采集過程為：（1）在云端添加從機、節點、上報規則等信息；PLCNET510 自動獲取并把相應的采集規則和節點信息轉換成對應的PLC 協議；（2）對PLC 的寄存器進行采集，采集到的數據進行邊緣計算；（3）需要上報的PLC 節點數據主動上報到云平臺，保證云端可以實時監控PLC 數據。在“有人云平臺”上，數據上報規則可設置：變化存儲、定時存儲、變化幅度存儲和組合上報。此外，可通過PLCNET510 云網關的串口、網口、USB 口實現和遠程電腦的數據透傳，相當于遠程的電腦直接連接到現場的設備。可以實現遠程PLC、HMI 等設備的程序上下載、遠程調試等功能。

2 分流井控制的軟件設計

由于PLC 主機為西門子S7-1200 系列，編程軟件選為TIA Portal V14。TIA portal 是西門子工業自動化集團發布的一款全新的全集成自動化軟件。它是業內首個采用統一的工程組態和軟件項目環境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任務。借助該全新的工程技術軟件平臺，用戶能夠快速、直觀地開發和調試自動化系統。

2.1 硬件組態

在創建好新項目后，在硬件組態的環境下選擇使用與在硬件組態環境下相同的產品代碼拷貝到相應的位置如導軌的槽位，在Rack_0 的101 槽位處放入CM1234 RS422/485 模塊，然后在后面依次放入CPU1215C、SM1223、SM1234、SM1231 模塊，如圖1所示。實際的硬件模塊安裝順序一定要和此處的軟件組態順序保持一致，要不然會編譯硬件報錯。

圖1 硬件組態設置

在組態界面加入硬件模塊后需要對各個模塊進行系統參數設置，CPU 的啟動方式、網絡通信IP 地址、I/O 地址（可用默認值也可以按項目需求更改）、防護與安全等。擴展模塊也可設置I/O 地址（使用默認值亦可），模擬量模塊中需要對模擬通道進行硬件組態，確定模擬量的輸入測量電流或電壓類型，量程范圍一般有0 ～20 Am、4 ～20 Am、0 ～10 V。濾波一般選用“強（32 個循環）”，也可根據現場實際數據抖動情況選擇。

在硬件組態的環境下選擇網絡視圖添加HMI。選取項目中選定的HMI 型號，按住鼠標左鍵拖拽添加到PLC 主機旁邊，并添加一個連接回路，將HMI 與PLC_1 相連。連接線路顯示為“PN/IE_1”。HMI 的硬件設置中需要將HMI 的通信IP 地址設置到與PLC 主機同網段，在此設置頁面也能選擇設置HMI 的用戶名和登入HMI 密碼，如圖2所示。

圖2 HMI 硬件設置

2.2 軟件組態

在添加設置硬件完成后，進入軟件編程，根據相關的項目工藝流程編寫程序。點擊PLC 下拉菜單程序塊，進行編程。編程中涉及有OB 組織塊、FB 函數、DB 數據塊，在OB 塊中編寫主要工藝流程，主要編寫手動流程程序、自動流程程序、遠程控制程序；FB 函數塊編寫模塊化的單元控制程序，主要編寫堰門、閘門控制程序，實現堰門、閘門的啟、閉、停功能；OB 塊中編寫整個程序所需要的所有數據，在此模塊中可將數據是否有保存功能進行選擇。

在選取OB 塊、FB 塊、OB 塊根據實際工藝組合編輯編程后，進行編譯無誤，即完成PLC 主機模塊的程序的編寫。HIM 界面編程組態在TIA Portal V14 中完成，編輯相應的HMI 畫面和關聯數據量后，連接PLC 主機進行通信驗證，無誤后數據顯示正常，即完成HMI 編程。完成主機程序與HMI 程序編寫驗證后，軟件組態并驗證完成。

2.3 遠程訪問

由于項目具備遠程訪問PLC 的功能，通過PLCNET510來實現，對于在調試和后期維護都提供了很便捷的處理故障和修改程序的方法和途徑。在整套設備正常上電的情況下，通過有人云的電腦終端操作平臺，在云端分組中點擊相對于的項目路由器編號，選擇該項目的路由器。然后在右邊選擇遠程維護，點擊“網口透傳”下面的啟用按鈕并設置好終端電腦的虛擬網卡。此時打開TIA Portal V14 軟件，進行程序在線連接即可。完成了對PLC 的遠程訪問，此時即可查看PLC 數據與修改程序。PLCNET 操作界面如圖3所示。

圖3 PLCNET 操作

3 結 論

此系統將PLC 可編程邏輯控制器運用到智能分流井項目的控制系統中，具有良好的穩定性、擴展性和設備兼容性。同時可以根據項目現場實際需要添加不同種類的水質類傳感器參數、控制單元（水泵、過濾器、閘門）等來完成工藝要求。在PLC 系統中數字量、模擬量均可在合理范圍內添加擴展。此套控制系統易于維護和保養，同時可以通過PLCNET 實現遠程對實際運行程序進行修改以適應不同的應用環境的工藝流程。云后臺記錄的各類數據，具備良好的參考價值，能為同水域的分流井提供第一手參考資料。