基于MPI网络的自来水厂分布式监控系统

1、基于MPI网络的自来水厂分布式监控系统                摘要：一种自来水厂分布式监控系统的设计。该系统的主、从站PLC之间采用MPI网络通信，具有运行可靠、性能价格比高的特点，适用于中小规模的分布式监控场合。        关键词：MPI网络 PLC 监控系统    目前，应用于各种领域和场合的计算机分布式监控系统

2、种类繁多，设计方法和构成方式各不相同，但共同的目标都是朝着高效、可靠和通用方向发展。此外，所设计的监控系统应具有较高的性能价格比也是业内人士的共识。笔者根据多年的开发经验，设计了一种性能价格比较高的适用于中小型的分布式数据采集与监控，运行效果良好。1 监控系统的构成    某自来水厂按功能分为两部分，一部分是水源地；另一部分是水厂区，二者距离 900m。水源地的任务是通过三台深井泵对水厂区的蓄水池进行供水；而水厂区的任务是对水池的水进行消毒处理后，通过加压泵向市区管路进行恒压供水。    整个监控系统由位于水厂区的

3、上位PC机、主站PLC和水源地的三个从站PLC构成（见图1）。上位PC机通过CP5611MPI卡与主站PLC完成整个系统的现场数据检测、数据处理及计量等工作。主站PLC完成两方面任务，一是水厂区现场数据的采集及市区恒压供水的控制；二是与水源地的三个从站进行通信，完成水源地现场数据的采集与深井泵的控制。    监控系统的主站和从站PLC都选用西门子S7系列产品。该产品在工程领域应用广泛，尤其是有较强的是有较强的组网能力。S7系列PLC通常有四种组网方式：点对点、MPI多点网络、PROFIBUS和工业以太网。其中PROFIBUS现场总线的应用目前较为普遍，它有较好的通

4、用性，速度达12Mbps，距离达28.5km，相关应用著作也较多。而其它方式如工业以太网方式对硬件要求较高；点对点的速度太慢，都不适合本监控系统。相对而言，MPI网络速度可达187.5Mbps；通过一级中继器可达距离1km。根据水厂的具体情况，我们最后确定了以MPI方式组成网络，主站CPU为S7-300系列的CPU312IFM；从站为S7-200系列的CPU222.这样既满足了系统要求，又相对于PROFIBUS网络节省了三分之一的开销，更重要的是为中小规模场合的分布式监控系统的设计提供了一种较高性能价格比的设计方法。至于中继器的选择，由于PLC的物理层采用RS485接口，所以有很多相关的第三方

5、产品支持。从中我们选用一种带防雷保护的中继器，使系统的安全运行得到了保障。    2 主部PLC控制原理    主站PLC有三个任务：    （1）水厂现场数据采集；    （2）供水管恒压力控制；    （3）水源地数据采集及深井泵远程控制。    以CPU312IMF为核心的主站控制电路如图2所示。    首先，水

6、厂现场数据有7路模拟量，我们选择的AI/AO扩展模块为SM334，它包括4路模拟量输入和2路模拟量输出。为降低成本，我们用2片CD4066模拟开关进行扩展，构成8路AI输入。当AO2输出0V时，选通4066-1的4路模拟量输入；而当AO2输出10V时选通4066-2的4路模拟量。这种分时采集的方法利用PLC编程较易实现。实际应用中，分时操作时间间隔为100ms，各个采集量的含义及内存地址如表1所示。表1 水厂区模拟量数据              

7、0; 名  称    AI地址    内存    AO2输出（V）    含  义        电压    PIW256    MW0    0    变频控制柜电源电

8、压        电流1    PIW258    MW2    0    1#水泵工作电流        电流2    PIW260    MW4    0&

9、#160;   2#水泵工作电流        备用    PIW262    MW6    0    备用        流量    PIW256    MW10

10、60;   10    供水流量        压力    PIW258    MW12    10    供水母管压力        液位    PIW260 

11、;   MW14    10    蓄水池液位        余氯    PIW262    MW16    10    蓄水池水中余氯含量    其次，对水厂加压泵的控制采取变频调速技术，以供水母管压力为被控

12、量，实现恒压力控制。水厂加压泵有P1和P2两台，在恒压力控制过程中，根据市政区用水流量的大小变化，PLC要通过数字输出端口Q124.03控制两台泵的工作状态。两台加压泵共有5种工作状态，如表2所示。表2 P1和P2水泵的工作状态                状态    Q124.0    .1    .2 

13、   .3    说   明        S1    1    0    0    0    P1变频 P2停机        S2 &#

14、160;  0    1    1    0    P1工频 P2变频        S3    0    0    1    0    P

15、1停机 P2变频        S4    1    0    0    1    P1变频 P2工频        S0    0    0 

16、60;  0    0    系统停机    5种工作状态的相互转换如图3所示。当然，实际PLC编程时，要根据水泵的工作特点，应利用定时器加入适当的延时，在我们设计的系统中，欠压加泵延时为90秒；超压减泵延时为60秒。    供水压力闭环控制算法，我们采用一种适用于PLC控制的智能PID算法1。其原理是，按压力偏差e(k)划分三个区，如图4所示。该偏差变化率为ec=e(k)-e(k-1),PID算法输出为U（k），相

17、应的控制规则如下：    规则1:e（k）>emax,则U（k）=Umax；最大值输出    规则2:e(k)<-emax,则U（k）=0；最小值输出    规则3：|e(k)|<emin,则U(k)=U(k-1)；保持区    规则4：emin|e(k)| emax,    则U（k）=U(k-1)+k1×e(k)+k2×ec(k)/(k) 

18、60;  式中，k1和k2为系数。PID运算的结果U（k）通过AO1输出（010V），送给变频调速器，通过调速加压泵P1或P2达到供水恒压控制的目的。经实验验证，该PID算法效果较理想。    关于水源地数据采集及深井泵控制问题，将在后面通信问题中讨论。        3 从站PLC控制原理    三个从站PLC都以CPU222为核心，控制电路及结构相同，分别控制三个取水深水泵的运行及现场数据采集，如图6所示。其中Q0.0控制深井泵的运行，I0.0为深井泵过载信号输入端，Q0.1为故障报警输出端。深井的水管压力、深井泵电压和电流三路模拟信号的现场采集通过4路模拟量输入模块EM231实现。程序框图见图5（b）所示。4 主从站PLC的通信    主、从站PLC的通信主要是完成水源地深井泵的控制及现场数据的采集。在MPI网络中，各节点的地址分别为：PC机为0；主站PLC为2；从