基于PLC的實(shí)時(shí)測量技術(shù)在遠程污水監控系統中的應用
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本文介紹的分布式遠程污水監控系統采用分布式的構建方案，利用基于西門(mén)子PLC的實(shí)時(shí)測量技術(shù)對各污水排放點(diǎn)的排污流量、管道壓力等參數進(jìn)行采集、監測，以達到分散連接、集中監控的目的。西門(mén)子PLC的I/O接口多，兼具模擬量、數字量和串行通信這幾類(lèi)接口，擴展模塊豐富；能工作于惡劣環(huán)境，故障率低、壽命長(cháng)，非常適合在工業(yè)環(huán)境下使用。所以系統以西門(mén)子S7-200 PLC、傳感器和智能檢測儀表作為下層基本測量單元，將各個(gè)污水監控點(diǎn)的測量數據經(jīng)過(guò)PLC初步處理后，按照自由口通信方式打包傳送給基于A(yíng)RM9的嵌入式數據采集模塊進(jìn)行匯總和存儲，然后再通過(guò)以太網(wǎng)送給本地機上層應用軟件進(jìn)行顯示。整個(gè)下層測量單元相當于一個(gè)結構靈活可變、功能多樣的智能儀表子系統，PLC相當于這個(gè)子系統的通信接口?？梢愿鶕煌臏y量需要對下層測量單元的硬件結構和測量功能進(jìn)行適當改變，使整個(gè)系統具有很大的靈活性，稍作修改即可用于其他監控系統。
1 分布式系統結構
系統的分布式結構示意圖如圖1所示。當系統啟動(dòng)或復位后，各排污點(diǎn)的下層測量單元開(kāi)始定時(shí)采樣、上傳數據；嵌入式模塊接收到PLC傳來(lái)數據后，存入自身的數據庫中并判斷是否要觸發(fā)報警設備，同時(shí)將數據定時(shí)傳給上位機。這些實(shí)時(shí)監控數據最后均匯總到網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上，從而使整個(gè)系統構成了分布式的監控結構體系，主管部門(mén)只要通過(guò)應用軟件的人機交互界面就可在各自辦公位置對排污點(diǎn)的各項指標數據有一個(gè)準確的了解，進(jìn)而達到對分布區域廣泛的各個(gè)排污點(diǎn)運行情況進(jìn)行集中監控的目的。
嵌入式數據采集模塊上的每個(gè)串口可連接多達253個(gè)不同速率和協(xié)議的設備，因此為了降低成本，將距離較近的排污點(diǎn)測量單元通過(guò)一個(gè)串口集中管理器后接在同一個(gè)嵌入式數據采集模塊上。在PLC程序中設置好與上位機通信時(shí)所需的PLC站號后，嵌入式數據采集模塊就可通過(guò)輪巡的檢測方式接收各測量單元傳來(lái)的數據。但是實(shí)際中同一嵌入式數據采集模塊上所接的下層測量單元不應過(guò)多，因為這會(huì )造成輪巡一次的時(shí)間過(guò)長(cháng)，影響報警的實(shí)時(shí)性。
2 PLC下層測量單元硬件設計
根據實(shí)際情況只需對各排污點(diǎn)的管道壓力、污水瞬時(shí)流量、污水總流量、紅外線(xiàn)人體探頭的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和供電的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行監測。其中管道壓力由水壓傳感器測量，其測量數據為4~20 mA的模擬量；紅外線(xiàn)人體探頭的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和供電的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由PLC測量，其測量數據為數字量；污水瞬時(shí)流量和總流量由基于HART協(xié)議的智能電磁流量計測量，其測量數據通過(guò)串行通信傳送給PLC。由于PLC還要將處理后的數據傳送給嵌入式數據采集模塊，這需要占用一個(gè)串行通信口，所以系統選用帶有2個(gè)RS-485串行通信口的西門(mén)子S7-200 224XP型PLC。根據西門(mén)子224XP PLC的硬件資源，基于PLC的下層基本測量單元硬件連接圖如圖2所示。
如圖2所示，紅外線(xiàn)人體探頭和供電開(kāi)關(guān)分別接到PLC的數字量輸入口I0.0和I0.1上；水壓傳感器接在PLC上的模擬量輸入口0(AIW0)上；PLC的通信口0通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)與嵌入式數據采集模塊的RS-485接口相連；電磁流量計需要經(jīng)過(guò)基于HART協(xié)議的調制解調器后才能接到PLC的串口上。系統中采用的調制解調器一端帶有4~20 mA的模擬傳輸線(xiàn)路(如電話(huà)線(xiàn))接口，一端帶有RS-232接口，因此還需在調制解調器串口端再接一個(gè)RS-232轉RS-485模塊后才能接到PLC的通信口1上。HART協(xié)議是半雙工協(xié)議，同一時(shí)間內調制解調器只能處于調制或解調的工作狀態(tài)，所以需要通過(guò)PLC產(chǎn)生高低電平來(lái)進(jìn)行控制，故將PLC的Q0.1口接到調制解調器的工作狀態(tài)控制端上。當PLC輸出高電平時(shí)，處于調制工作狀態(tài)；當輸出低電平時(shí)，處于解調工作狀態(tài)。
3 PLC下層測量單元軟件設計
根據PLC在系統中的作用，PLC程序應具有定時(shí)采集數據并通過(guò)自由口通信方式發(fā)送到上位機、自動(dòng)報警、自動(dòng)向上位機發(fā)送保持連接信號等功能。另外還要能響應上位機的數據補調命令，返回相應數值；響應上位機的參數修改命令，修正PLC的系統時(shí)間等。
整個(gè)PLC程序采用模塊化設計，將完成某一功能的代碼段編寫(xiě)為子程序，設置入口參數和出口參數，當需要完成這項功能時(shí)，只需設置合適的參數并在程序中直接調用即可。這樣可縮短程序的長(cháng)度，便于程序的修改和移植。整個(gè)PLC程序是由主程序、子程序和中斷程序3部分組成，每個(gè)功能模塊程序包含若干子程序和中斷程序，下面分別介紹。
3.1 PLC主程序
主程序主要是對自由口通信參數進(jìn)行設置以及對程序中用到的各計數器和標志位寄存器進(jìn)行復位，以免PLC斷電重啟之后產(chǎn)生未知錯誤。電磁流量計采用HART協(xié)議長(cháng)幀結構命令，因此要先發(fā)送0#命令獲得生產(chǎn)廠(chǎng)家的代碼、設備型號碼和設備識別碼等總共38 bit的信息[4]，用于填寫(xiě)其他長(cháng)幀命令的地址。PLC每次重啟后，在主程序中調用一次0#命令子程序，并將流量計返回的地址存儲在固定的寄存器中。另外，PLC采集的壓力模擬量是一個(gè)緩慢變化的過(guò)程量，為了避免測量誤差，還需對壓力采集量進(jìn)行濾波；本文采用了平均值濾波法，每隔0.1 s觸發(fā)平均值濾波中斷程序對壓力測量數據進(jìn)行處理。主程序流程圖如圖3所示。
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