PLC在自來水監測系統中的應用分析

李 驥

（遵義市供水有限責任公司，貴州遵義 563000）

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3.2×105h，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Window（s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。