西門(mén)子S7-200和無(wú)線(xiàn)數傳電臺的SCADA系統在水廠(chǎng)中的應用

一、概述

　　某自來(lái)水廠(chǎng)控制系統由分布在十幾公里內5個(gè)深井取水泵站、儲水池、用戶(hù)管網(wǎng)組成。整個(gè)供水系統的高低落差達150米左右，由于供水系統的組成及地形結構的特殊性，過(guò)去人工監控，給生產(chǎn)管理、供水調度帶來(lái)諸多不便。

　　實(shí)施了微機監控后，它能實(shí)時(shí)監測供水系統的主要工藝參數（如壓力、流量、水位、電壓、電流等），控制深井泵、監視泵機的運行狀態(tài)，同時(shí)提供生產(chǎn)管理所需的報表、曲線(xiàn)、數據查詢(xún)等功能。它的運行對供水系統的安全生產(chǎn)、科學(xué)調度有著(zhù)重要的意義。

二、系統組成

　　微機監控系統采用主從結構、分布式無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監控方式（簡(jiǎn)稱(chēng)SCADA），如圖1所示。

　　系統主要由監控中心、無(wú)線(xiàn)通信系統、現場(chǎng)監控終端、傳感器及儀表四部分組成。

　　監控中心：由微機、MCGS組態(tài)軟件，無(wú)線(xiàn)數傳電臺、全向天線(xiàn)、模擬屏及UPS組成，主要完成各現場(chǎng)終端數據的實(shí)時(shí)采集、監測、控制、數據存儲、打印報表、數據查詢(xún)等功能。

　　無(wú)線(xiàn)通信系統：監控中心與各泵站終端之間采用無(wú)線(xiàn)方式通

　　訊。監控中心為主動(dòng)站，其它終端副站為被動(dòng)從站，該系統采用無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì )給定的數據頻率，以一點(diǎn)對多點(diǎn)的方式與從站通訊，監控中心為全向天線(xiàn)，各副站為定向天線(xiàn)。

　　現場(chǎng)監控終端：核心為PLC，是一個(gè)智能設備，它有自己的CPU和控制軟件，主要完成現場(chǎng)的數據采集、轉換、存儲、報警、控制等功能，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道與監控中心微機進(jìn)行數據通信。根據監控中心的命令分別完成系統自檢、數據傳送、控制輸出等任務(wù)。

　　傳感器及儀表：是PLC監測現場(chǎng)信號的“眼睛”，現場(chǎng)所有信號都需經(jīng)過(guò)傳感器及儀表的轉換，才能輸出標準信號，被PLC終端所接受。系統主要測量電壓、電流、液位、壓力、流量及耗電量等參數。

　　水源井輸水泵的控制

　　l 手動(dòng)控制。操作員根據清水池液位對輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。

　　l 自動(dòng)控制。PLC根據清水池液位及各輸水泵起動(dòng)水位和停止水位，對處于自動(dòng)方式的輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。

三、現場(chǎng)PLC終端

　　現場(chǎng)PLC監控終端是工業(yè)現場(chǎng)與監控中心之間的橋梁紐帶，一方面它采集現場(chǎng)儀表、變送器、設備運行狀態(tài)等信號，另一方面它又與監控中心通訊，執行有關(guān)命令?，F場(chǎng)終端一般無(wú)人值守。因此，終端機的性能和質(zhì)量對系統的可靠性影響很大。經(jīng)充分論證，選用西門(mén)子S7-200系列PLC作現場(chǎng)終端具有較高的性能價(jià)格比，它具有體積小、易擴展、性能優(yōu)等特點(diǎn)，非常適合小規模的現場(chǎng)監控。

　　1、PLC硬件設計

　　現場(chǎng)某一終端需測控開(kāi)關(guān)輸入信號，開(kāi)關(guān)輸出信號路，模擬量輸入信號。因此，我們選用S7-212基本單元，模擬輸入擴展單元（EM231），模擬輸出擴展單元（EM232）。滿(mǎn)足現場(chǎng)要求。

　　2、通訊接口

　　從站中PLC與電臺通訊： S7-214PLC基本單元提供一個(gè)RS-485接口，為了與無(wú)線(xiàn)信道的數傳機（電源、數傳電臺）相連，我們專(zhuān)門(mén)設計了RS- 485接口的專(zhuān)用Modem，并采用光電隔離技術(shù)，使二者在電氣上完全獨立，避免相互干擾，由于數傳機發(fā)射時(shí)需要RTS信號，而RS-485接口又不提供 RTS信號，解決這個(gè)問(wèn)題有兩處方法。其一，由無(wú)線(xiàn)Modem根據PLC的發(fā)射信息產(chǎn)生RTS信號，這就要求該Modem必須智能化，同時(shí)PLC在發(fā)送信息之前需先與Modem通信，讓其輸出RTS信號，并回送RTS已產(chǎn)生信息，然后PLC再發(fā)送現場(chǎng)信息。其二，采用PLC的某一I/O輸出點(diǎn)，產(chǎn)生RTS 信號，由PLC在發(fā)送信息前現接通該點(diǎn)，控制數傳機發(fā)射，延時(shí)一段時(shí)間后（電臺建立載波時(shí)間），再發(fā)送信息。后一種方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，較好的解決了無(wú)線(xiàn)通信的接口問(wèn)題。

　　主控室的PLC與工控機的通訊：因為主控室的PLC要和數傳電臺通訊又要和上位機（工控機）通訊，所以主控室的PLC選用兩端口的S7-216基本單元，其中一端口與數傳電臺通訊，另一端口直接用西門(mén)子的PPI電纜和上位機通訊，上位用北京昆侖通態(tài)提供的MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)和編程，對現場(chǎng)的水位等信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控和處理。

一、概述

　　某自來(lái)水廠(chǎng)控制系統由分布在十幾公里內5個(gè)深井取水泵站、儲水池、用戶(hù)管網(wǎng)組成。整個(gè)供水系統的高低落差達150米左右，由于供水系統的組成及地形結構的特殊性，過(guò)去人工監控，給生產(chǎn)管理、供水調度帶來(lái)諸多不便。

　　實(shí)施了微機監控后，它能實(shí)時(shí)監測供水系統的主要工藝參數（如壓力、流量、水位、電壓、電流等），控制深井泵、監視泵機的運行狀態(tài)，同時(shí)提供生產(chǎn)管理所需的報表、曲線(xiàn)、數據查詢(xún)等功能。它的運行對供水系統的安全生產(chǎn)、科學(xué)調度有著(zhù)重要的意義。

二、系統組成

　　微機監控系統采用主從結構、分布式無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監控方式（簡(jiǎn)稱(chēng)SCADA），如圖1所示。

　　系統主要由監控中心、無(wú)線(xiàn)通信系統、現場(chǎng)監控終端、傳感器及儀表四部分組成。

　　監控中心：由微機、MCGS組態(tài)軟件，無(wú)線(xiàn)數傳電臺、全向天線(xiàn)、模擬屏及UPS組成，主要完成各現場(chǎng)終端數據的實(shí)時(shí)采集、監測、控制、數據存儲、打印報表、數據查詢(xún)等功能。

　　無(wú)線(xiàn)通信系統：監控中心與各泵站終端之間采用無(wú)線(xiàn)方式通

　　訊。監控中心為主動(dòng)站，其它終端副站為被動(dòng)從站，該系統采用無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì )給定的數據頻率，以一點(diǎn)對多點(diǎn)的方式與從站通訊，監控中心為全向天線(xiàn)，各副站為定向天線(xiàn)。

　　現場(chǎng)監控終端：核心為PLC，是一個(gè)智能設備，它有自己的CPU和控制軟件，主要完成現場(chǎng)的數據采集、轉換、存儲、報警、控制等功能，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道與監控中心微機進(jìn)行數據通信。根據監控中心的命令分別完成系統自檢、數據傳送、控制輸出等任務(wù)。

　　傳感器及儀表：是PLC監測現場(chǎng)信號的“眼睛”，現場(chǎng)所有信號都需經(jīng)過(guò)傳感器及儀表的轉換，才能輸出標準信號，被PLC終端所接受。系統主要測量電壓、電流、液位、壓力、流量及耗電量等參數。

　　水源井輸水泵的控制

　　l 手動(dòng)控制。操作員根據清水池液位對輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。

　　l 自動(dòng)控制。PLC根據清水池液位及各輸水泵起動(dòng)水位和停止水位，對處于自動(dòng)方式的輸水泵進(jìn)行啟動(dòng)和停止操作。

三、現場(chǎng)PLC終端

　　現場(chǎng)PLC監控終端是工業(yè)現場(chǎng)與監控中心之間的橋梁紐帶，一方面它采集現場(chǎng)儀表、變送器、設備運行狀態(tài)等信號，另一方面它又與監控中心通訊，執行有關(guān)命令?，F場(chǎng)終端一般無(wú)人值守。因此，終端機的性能和質(zhì)量對系統的可靠性影響很大。經(jīng)充分論證，選用西門(mén)子S7-200系列PLC作現場(chǎng)終端具有較高的性能價(jià)格比，它具有體積小、易擴展、性能優(yōu)等特點(diǎn)，非常適合小規模的現場(chǎng)監控。

　　1、PLC硬件設計

　　現場(chǎng)某一終端需測控開(kāi)關(guān)輸入信號，開(kāi)關(guān)輸出信號路，模擬量輸入信號。因此，我們選用S7-212基本單元，模擬輸入擴展單元（EM231），模擬輸出擴展單元（EM232）。滿(mǎn)足現場(chǎng)要求。

　　2、通訊接口

　　從站中PLC與電臺通訊： S7-214PLC基本單元提供一個(gè)RS-485接口，為了與無(wú)線(xiàn)信道的數傳機（電源、數傳電臺）相連，我們專(zhuān)門(mén)設計了RS- 485接口的專(zhuān)用Modem，并采用光電隔離技術(shù)，使二者在電氣上完全獨立，避免相互干擾，由于數傳機發(fā)射時(shí)需要RTS信號，而RS-485接口又不提供 RTS信號，解決這個(gè)問(wèn)題有兩處方法。其一，由無(wú)線(xiàn)Modem根據PLC的發(fā)射信息產(chǎn)生RTS信號，這就要求該Modem必須智能化，同時(shí)PLC在發(fā)送信息之前需先與Modem通信，讓其輸出RTS信號，并回送RTS已產(chǎn)生信息，然后PLC再發(fā)送現場(chǎng)信息。其二，采用PLC的某一I/O輸出點(diǎn)，產(chǎn)生RTS 信號，由PLC在發(fā)送信息前現接通該點(diǎn)，控制數傳機發(fā)射，延時(shí)一段時(shí)間后（電臺建立載波時(shí)間），再發(fā)送信息。后一種方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，較好的解決了無(wú)線(xiàn)通信的接口問(wèn)題。

　　主控室的PLC與工控機的通訊：因為主控室的PLC要和數傳電臺通訊又要和上位機（工控機）通訊，所以主控室的PLC選用兩端口的S7-216基本單元，其中一端口與數傳電臺通訊，另一端口直接用西門(mén)子的PPI電纜和上位機通訊，上位用北京昆侖通態(tài)提供的MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)和編程，對現場(chǎng)的水位等信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控和處理。

　　3、抗干擾設計

　　為提高系統的可靠性，現場(chǎng)終端、數傳機、PLC、直流溫壓電源及部分變送器裝于一個(gè)控制柜內，各部分相對獨立，便于維護。PLC開(kāi)關(guān)量輸入、輸出與現場(chǎng)之間加繼電器隔離，模擬信號采用信號隔離器和配電器隔離，電源采用隔離變壓器供電，以減小電源“噪聲”，同時(shí)系統設置良好的接地。

四、PLC軟件設計

　　PLC終端軟件采用梯形圖語(yǔ)言編寫(xiě)，為提高終端的抗干擾能力，軟件設計中采用了數字濾波、故障自檢、控制口令等措施，保證控制操作的正確性和可靠性。程序設計采用模塊化、功能化結構，便于維護、擴展。終端軟件主要由下列模塊組成。

　　1、初始化程序：設定各寄存器、計數器、PLC工作模式、通信方式等參數初始值。

　　2、數據采集子程序：對各路模擬量數據采集、濾波、平均等處理。

　　3、累計運行時(shí)間子程序：對泵機等設備的運行時(shí)間進(jìn)行累計。

　　4、遙信子程序：檢測電機、閥門(mén)、報警開(kāi)關(guān)等設備的運行狀態(tài)。

　　5、置初值子程序：由監控中心對時(shí)間、電耗、流量等累計參數按用戶(hù)的要求設定初始值。

　　6、故障自檢子程序：檢測PLC的故障信息、校驗信息，并發(fā)往監控中心。

　　7、控制子程序：根據監控中心的命令，或現場(chǎng)自控條件輸出相應的操作。

　　8、通訊子程序；完成與監控中心的各種通信功能。

　　通訊程序中，接收命令和發(fā)送命令采用中斷處理，通過(guò)ATCH指令使中斷事件8在接收不同特征命令下執行不同的程序。對串行通信的超時(shí)限制則通過(guò)設定內部定時(shí)中斷來(lái)控制，其事件號為10，定時(shí)時(shí)間由SMB34的值確定。為減少通信的誤碼，采用偶校驗及異或雙重校驗措施。

五、結束語(yǔ)

　　本系統在軟、硬件方面采取了多種措施，特別是現場(chǎng)終端選用了S7-200 PLC，提高了系統的可靠性，在自來(lái)水廠(chǎng)自動(dòng)控制系統取得了較好的應用效果。 PLC基于SCADA系統能充分滿(mǎn)足對水廠(chǎng)控制系統的要求，對水廠(chǎng)的安全運行、提高供水質(zhì)量、節能降耗、優(yōu)化管理等方面起到了至關(guān)重要的作用。本系統將無(wú)線(xiàn)通訊與S7-200 PLC有機的結合，解決了現場(chǎng)分布較散、距離較遠、范圍較大的系統監控問(wèn)題，在供水、供電、供氣、油田、氣象、水文水利等部門(mén)有較好的應用前景。