基于MPI网络的自来水厂分布式监控系统

1、基于基于 MPIMPI 网络的自来水厂分布式监控系统网络的自来水厂分布式监控系统摘要：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。 ; mso-hansi-font-family: Times NewRoman关键词：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

2、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 1 监控系统的构成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

3、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

4、，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 2 主部主部 PLCPLC 控制原理控制原理主站 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

5、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。表表 1 1 水厂区模拟量数据水厂区模拟

6、量数据名称AI 地址内存AO2 输出（V）含义电压PIW256MW00变频控制柜电源电压电流 1PIW258MW201#水泵工作电流电流 2PIW260MW402#水泵工作电流备用PIW262MW60备用流量PIW256MW1010供水流量压力PIW258MW1210供水母管压力液位PIW260MW1410蓄水池液位余氯PIW262MW1610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

7、台加压泵共有 5 种工作状态，如表 2 所示。表表 2 2 P1P1 和和 P2P2 水泵的工作状态水泵的工作状态状态Q124.0.1.2.3说明S11000P1 变频 P2 停机S20110P1 工频 P2 变频S30010P1 停机 P2 变频S41001P1 变频 P2 工频S00000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)

8、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：emine(k) emax,则 U（k）=U(k-1)+k1e(k)+k2ec(k)/(k)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

9、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。另外，变频控制系统中的故障信号分别通过 I124.0、I124.1 和 I124.2 输入 PLC 中。当故障产生时，系统停机。图 5（a）为主站 PLC 的程序结构。3 3 从站从站 PLCPLC 控制原理控制原理三个从站 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

10、实现。程序框图见图 5（b）所示。4 4 主从站主从站 PLCPLC 的通信的通信主、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；从站 1 PLC为 4；从站 2 PLC 为 6；从站 3PLC 为 8。主站通过系统功能函数 SFC67 和 SFC68分别对三个从站进行读和写操作。具体说，主站 PLC 的 M8.0 实现深井泵的启停控制，而深井泵的压力、电压、电流和过载故障信号则由主站 PLC 进行读取。5 5 上位上位 PCPC 机编程机编程为了监控 PLC 的通信，使系统软件更稳定可靠，上位 PC 机使用西门子公司的 SIMATIC WINCC 软件进行组态软件设计。通过系统变量标签、图形编辑器和报表编辑器等组态工具，可以方便地由主站 PLC中获取整个监控系统的状态参数及运行数据。另外，我们通过 VB 编程，对系统数据进行计算和管理；利用 DDE 技术分别实现 VB 与 WINCC 的数据交换、EXCEL与 WINCC 的数据交换。我们设计的上位机软件可以实时监测水厂及水源地的各个现场数据、报警状态；显示与打印电流、压力及流量等各种曲线及报表，并将数据存入 EXCEL 数据库中