PLC在自來水監測系統中的應用分析

李驥

摘 要：本文分析了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）在自來水監測系統中的應用路徑，并以某地方自來水企業供水調度系統作為研究對象，分析PLC監控系統的運行效果。

關鍵詞：自來水檢測系統；光電隔離；可編程邏輯控制器

Analysis of PLC Application in Tap Water Monitoring System

LI Ji

（Zunyi Water Supply Co.， Ltd.， Zunyi 563000， China）

Abstract： This paper analyzes the application path of programmable logic controller （PLC） in the tap water monitoring system， and takes the water supply dispatching system of a local water supply enterprise as the research object to analyze the operation effect of the PLC monitoring system.

Keywords： tap water detection system; photoelectric isolation; programmable logic controller

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是在工業環境下應用的數字運算電子系統，其內部能夠存儲執行邏輯運算、定時、算術運算等指令，利用數字式輸入輸出，控制機械設備以及生產流程。將其運用在自來水監控系統中，不僅可以完成數據收集與分析，還能提高系統可擴充性，便于后續優化與改進，切實提高系統監控質量。

1 PLC在自來水監測系統中的應用探究

（1）PLC在泵房的應用，需要為送水泵房PLC編制采樣、報警、開泵與出水閥的聯動控制等子程序。利用結構化編程，保證程序的層次清晰，簡化程序調試。其中采樣程序能夠將“模擬量輸入”存儲至數據塊當中，以此簡化讀取模擬量的輸入過程，解決以往因“余氯儀”無法提供數據通信，只能提供模擬量輸出的問題。報警程序則可保證測量值高于標準范圍時，發出報警信息。

（2）PLC在供水系統中的應用。PLC能夠依照電機轉速與電源輸入頻率的關系，利用改變電動機電源頻率的方式，調整電機轉速。當電機由高速轉為低速時，能夠保持有限的轉差率，如此供水系統的供水壓力便可結合用戶的用水需求量實現相應變化，最大程度節省供水能力損耗，達到節能的目的。同時PLC也能進一步實現供水系統的恒壓變量，通過結合PLC、變頻器、壓力變送器，可以使供水系統具備閉環控制的功能，依照出廠水壓力的變化情況，利用可編程邏輯控制器調節變頻器，實現轉速的調整，使供水流量滿足實際需求，保證供水壓力恒定不變。至于恒壓變量的供水方式則主要表現為根據水廠供水情況，設置恒定供水管網出水口出水壓力值，之后在供水管網出水口設置壓力變送器，將設備獲取的壓力信息與預設的初始值進行比較，通過PLC控制器控制水泵頻率以及運行臺數，以此達到節能目的。這樣不僅可以滿足用戶用水壓力需要，也能防止壓力設置偏高影響水資源的經濟性。至于恒壓變量供水系統的工作流程則表現為PLC可以對變頻器實現調節，根據實際需要適當提高泵的轉速，以此提高管網的壓力，若在此過程中管網壓力仍無法滿足實際要求，且泵站在工頻狀況下已經開始工作，則PLC便可指揮其他泵站運行。此時，若其他泵站也難以滿足壓力需要，則要提高水泵的運行數量，利用PLC調動更多的泵站變頻，以此保證管網壓力與預設值一致。

PLC在自來水監測系統中的應用更多體現在數值調控以及信息傳輸上，因此在應用PLC時應當注重軟件以及硬件的設計方法，并保證系統具有一定的可擴充性，以便后續根據運行要求，進行系統功能的適當調整與優化。

2 PLC在自來水監測系統中的應用案例

2.1 硬件設計

2.1.1 系統結構

本文選取的研究對象為某地方自來水公司的供水調度系統，該系統主要由企業的調度中心以及部分遠程監控站組成，其中調度中心涵蓋工作站、集線器、打印機、調度機、無線電臺以及服務器，采用TCP/IP協議（傳輸控制協議/網際協議）實現網絡數據信息的共享與傳輸。至于監測站則主要涵蓋水廠、測壓點等。監測站與調度中心均通過無線電臺實現通信，至于采用的通信方式則以“點對點”為主。

2.1.2 硬件選型

（1）PLC模塊。其屬于系統下層的重要裝置，以單片機為主要核心，用于工業過程自動化控制的設備器件，不僅具有指令分析轉換、I/O接口（計算機接口，輸入/輸出）等功能，還具有極強的穩定性以及抗干擾性。實際調查顯示，現階段世界范圍內最常用的PLC無故障時間可達3.2×105 h，并且PLC本身的可靠性較高，其I/O至少會經過一級光耦，因此能夠在一定程度上抑制電磁干擾。同時，PLC的編程相對簡易，功能極為豐富，能夠有效契合供水調度系統無人值守、運行環境差的特點。因此，自來水監測系統采用的是西門子CPU224可編程邏輯控制器，以及與之配套的計算機接口擴展模塊，并將其當作主控監測裝置。由于PLC本機無法實現模擬量的輸入，因此在設計過程中需要添加模擬量輸入模塊，即12位A/D模塊（模擬數字轉換器）EM231。EM231本身能夠實現單極性信號的輸入以及雙極性信號的輸入，其中單極性可輸入0～10 V的電壓信號以及0～20 mA的電流信號。至于雙極性則可輸入-5～+5 V的電壓信號。

（2）通信裝置。由于調度中心與監測站能夠通過無線網絡實現通信，因此系統最終采用GM950I工數傳電臺作為傳輸裝置，該裝置的功率在25 W，頻率為230 MHz。測試顯示，該型號的數傳電臺不僅傳輸效率極高，且基本不會出現誤碼，可以確保系統準確獲取相應數據信息。同時，PLC本機存在標準RS-485接口，在通信過程中，需要將其轉換為RS-232接口，并選取PC/PPI（個人電腦/點對點接口）電纜，該電纜不僅可以設定通信速率，也能預先確定通信設備模式[1]。

（3）數據獲取裝置。為了更好體現自來水生產環節，并掌握生產流程的數據參數，自來水監測系統還要設計水廠監測站和測壓電監測站。監測站的數據獲取裝置則主要包括：①開關量反映水泵，其作用在于體現水泵開關狀態，利用交流接觸設備的觸點，將模擬量送入PLC的開關量輸入端，其中模擬量以水量、壓力、電流信號為主，此類信號的獲取精確性將直接影響系統的應用效率，因此在選用過程中要保證產品的高可靠性；②電量變送器、電壓變送器，是指能輸出標準信號的傳感器，此類裝置均采用某自動化研究所生產的產品；③壓力變送器，是指一種將壓力轉換為氣動信號或電動信號實現控制與遠傳的裝置，采用某電子企業的正規產品。自來水監測系統選用的變送器可實現4～20 mA的電流信號輸出，也可以與模擬數字轉換器的輸入端直接相連。

2.1.3 數據處理

（1）開關量信號的處理。PLC本機提供的開關量輸入以及開關量輸出都具有相對固定的I/O地址，也能夠將擴展模塊與I/O點相連，至于地址則要根據I/O類型以及所在位置來決定。自來水監測系統的監測站共有8路開關量，因此在設計時無需添加更多的擴展模塊，至于在開關量信號獲取的過程中，則要采用延遲時間確認的方式來達到軟件濾波的目的，通常將延遲時間設置為6 ms。具體的開關量輸入電路表現為外部數字輸入→光電隔離→數字輸入濾波器→脈沖捕捉功能→脈沖捕捉允許→輸入至CPU。

（2）模擬量信號的處理。對于模擬信號來說，需要利用擴展模塊進行收集。一般情況下，模擬數字轉換器能夠在150 μs內使模擬量轉變為與之對應的數字值，同時模擬信號的轉換過程也要控制在程序訪問中完成。因為此類模塊本質上屬于高速模塊，所以能夠實現模擬信號的變化追蹤，如外部噪聲等。至于變化較為緩慢的模擬量輸入，則要借助軟件濾波的形式，最大程度降低噪聲造成的信號讀數誤差[2]。

（3）軟件濾波本質上屬于PLC具備的功能，而濾波值則表示模擬量輸入采樣值的平均值，濾波參數對全部模擬量輸入均保持一致。在自來水監測系統中，軟件濾波采用數為64，可以理解為當CPU機械構件模擬信號訪問時，會在150 μs采樣64次，之后求解平均值。此外，定時采樣需要根據用戶編程來實現，通常來說，程序內的采樣間隔應控制在2 s左右，至于PLC存儲的每分鐘數據，應為采樣值的平均值。為了保證系統的穩定運行，避免外界環境信號的干擾，還要剔除外界小信號，做好模擬信號的有效性檢查。

2.1.4 終端信息通信

將PLC用于通信時，需要預先將接口轉換為RS-232接口，借助通信控制寄存裝置設置通信波特率1 200 bps、偶校驗位，將通信電纜的DIP開關（指撥開關，屬于人工調整的開關）設定為10101。至于PLC接收、發送指令時均采用16進制信息格式，由用戶程序控制通信協議。

2.2 軟件設計

2.2.1 開發工具

PLC程序的開發采用S7軟件MICRO/WIN32，能夠有效完成數據的獲取、分析、處理、計算、統計以及通信。該軟件主要運行在Windows（操作系統）平臺，在編程時采用的編程語言則以梯形圖、語句表以及功能塊為主。同時，該編程軟件所包含的編譯工具眾多，能夠輕松實現程序改寫，并下載至PLC，通過強大的編輯功能，完成程序存盤、打印，與人機界面相似，均可以為操作人員提供便利[3]。

2.2.2 工作過程

供水調度系統的下層數據獲取由PLC完成，數據采集周期為2 s/次。PLC存取區的數據以瞬時數據、時間段數據、報警數據為主。其中瞬時數據可以理解為PLC當前獲取的數據，時間段數據是指在1 min中收集30次瞬時數據的平均值或15 min內收集30次瞬時數據的平均值。同時在PLC工作過程中要注意，由于PLC存取區的容量有限，在達到數據存儲上限時，共收集了22 min的1 min數據、15 h的15 min數據以及10條報警信息。供水調度系統中的調度機能夠直接訪問PLC，而PLC在通信時始終保持從機狀態，因此數據的傳送主要表現為詢問應答，簡單來說便是由調度中心發送相應命令，而PLC則以中斷方式來獲取命令，之后以獲取的信息進行判斷，確認其是否需要緊急處理。同時，當PLC檢測到命令內具有報警數據時，若調度裝置仍保持報警狀態，則PLC會第一時間發送報警信息[4]。

3 系統改進措施

為滿足系統應用需要，提高系統的運行效率，在完成系統設計后還要進行針對性的優化，保證其具有數據監測、自動報警、參數記錄、數據查詢等功能，并遵照整體集中、局部分散的改進原則，保證調度機即便出現故障，也不會對服務器以及工作站的信息造成影響，確保監測站能夠穩定運行，實現24 h的數據保護。直至調度裝置恢復正常后，可自動找尋該時段的歷史信息，利用插值法進行數據的自動平滑，以此獲取數據平均值，確保數據完整。此外，為了進一步提高系統的可靠性，還可將調度機調整為雙機熱備。雙機熱備可以理解為應用在服務器的一種解決方案，通過實現主機與從機的網絡連接，使主機保持工作狀態，從機保持監視狀態，這樣一旦主機出現異常，從機能夠在短時間內代替主機。

此外，由于各監測站保持相對獨立，容易產生調度裝置獲取數據時其他監測站發送報警信息的情況，最終造成通信失敗。為此，需要在程序內設置屏蔽軟件，保證調度裝置在獲取數據的過程中，屏蔽軟件能夠將PLC調整為非報警狀態，直至數據獲取結束后，再由PLC發送相關報警信息，從而達到避免報警信息丟失，但未實現實時報警的目的[5]。

4 結論

通過對PLC在自來水監測系統中的應用開展深入分析，并以某地方自來水企業的供水調度系統作為研究對象，闡述了硬件設計路徑以及軟件設計路徑，并提出系統的優化措施，以此充分發揮PLC的功能優勢。在保證數據高效獲取與處理的同時，實現現場設備的全過程動態監控，保證系統具有極強的抗干擾性，能夠實現60 km的遠程通信。

參考文獻

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[2]林顯增，肖丹，李軍.淺談自來水廠原水監測系統的預處理工藝設計要點[J].城鎮供水，2018（1）：36-38.

[3]羅永恒.低功耗自來水管網壓力無線實時監測系統：GPRS數據采集設備與人機界面設備的應用[J].電子技術應用，2010，36（2）：12-13.

[4]羅林毅.低功耗GPRS無線數據采集應用：自來水管網壓力實時監測系統[J].電子技術應用，2009，35（5）：28-29.

[5]錢穎，杜亮，閆翔.一種可擴展的雙電源水質監測系統的設計[J].科技創新與生產力，2022（12）：30-33.