西門子S7-200和無線數(shù)傳電臺的SCADA系統(tǒng)在水廠中的應用

一、概述

　　某自來水廠控制系統(tǒng)由分布在十幾公里內(nèi)5個深井取水泵站、儲水池、用戶管網(wǎng)組成。整個供水系統(tǒng)的高低落差達150米左右，由于供水系統(tǒng)的組成及地形結(jié)構(gòu)的特殊性，過去人工監(jiān)控，給生產(chǎn)管理、供水調(diào)度帶來諸多不便。

　　實施了微機監(jiān)控后，它能實時監(jiān)測供水系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)（如壓力、流量、水位、電壓、電流等），控制深井泵、監(jiān)視泵機的運行狀態(tài)，同時提供生產(chǎn)管理所需的報表、曲線、數(shù)據(jù)查詢等功能。它的運行對供水系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、科學調(diào)度有著重要的意義。

二、系統(tǒng)組成

　　微機監(jiān)控系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)、分布式無線實時監(jiān)控方式（簡稱SCADA），如圖1所示。

　　系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、無線通信系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控終端、傳感器及儀表四部分組成。

　　監(jiān)控中心：由微機、MCGS組態(tài)軟件，無線數(shù)傳電臺、全向天線、模擬屏及UPS組成，主要完成各現(xiàn)場終端數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)存儲、打印報表、數(shù)據(jù)查詢等功能。

　　無線通信系統(tǒng)：監(jiān)控中心與各泵站終端之間采用無線方式通

　　訊。監(jiān)控中心為主動站，其它終端副站為被動從站，該系統(tǒng)采用無線電管理委員會給定的數(shù)據(jù)頻率，以一點對多點的方式與從站通訊，監(jiān)控中心為全向天線，各副站為定向天線。

　　現(xiàn)場監(jiān)控終端：核心為PLC，是一個智能設(shè)備，它有自己的CPU和控制軟件，主要完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲、報警、控制等功能，并通過無線信道與監(jiān)控中心微機進行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)監(jiān)控中心的命令分別完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)傳送、控制輸出等任務。

　　傳感器及儀表：是PLC監(jiān)測現(xiàn)場信號的“眼睛”，現(xiàn)場所有信號都需經(jīng)過傳感器及儀表的轉(zhuǎn)換，才能輸出標準信號，被PLC終端所接受。系統(tǒng)主要測量電壓、電流、液位、壓力、流量及耗電量等參數(shù)。

　　水源井輸水泵的控制

　　l 手動控制。操作員根據(jù)清水池液位對輸水泵進行啟動和停止操作。

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

三、現(xiàn)場PLC終端

　　現(xiàn)場PLC監(jiān)控終端是工業(yè)現(xiàn)場與監(jiān)控中心之間的橋梁紐帶，一方面它采集現(xiàn)場儀表、變送器、設(shè)備運行狀態(tài)等信號，另一方面它又與監(jiān)控中心通訊，執(zhí)行有關(guān)命令?，F(xiàn)場終端一般無人值守。因此，終端機的性能和質(zhì)量對系統(tǒng)的可靠性影響很大。經(jīng)充分論證，選用西門子S7-200系列PLC作現(xiàn)場終端具有較高的性能價格比，它具有體積小、易擴展、性能優(yōu)等特點，非常適合小規(guī)模的現(xiàn)場監(jiān)控。

　　1、PLC硬件設(shè)計

　　現(xiàn)場某一終端需測控開關(guān)輸入信號，開關(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）。滿足現(xiàn)場要求。

　　2、通訊接口

　　從站中PLC與電臺通訊： S7-214PLC基本單元提供一個RS-485接口，為了與無線信道的數(shù)傳機（電源、數(shù)傳電臺）相連，我們專門設(shè)計了RS- 485接口的專用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(shù)傳機發(fā)射時需要RTS信號，而RS-485接口又不提供 RTS信號，解決這個問題有兩處方法。其一，由無線Modem根據(jù)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(xiàn)場信息。其二，采用PLC的某一I/O輸出點，產(chǎn)生RTS 信號，由PLC在發(fā)送信息前現(xiàn)接通該點，控制數(shù)傳機發(fā)射，延時一段時間后（電臺建立載波時間），再發(fā)送信息。后一種方法簡單、實用，較好的解決了無線通信的接口問題。

　　主控室的PLC與工控機的通訊：因為主控室的PLC要和數(shù)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(shù)傳電臺通訊，另一端口直接用西門子的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)軟件進行組態(tài)和編程，對現(xiàn)場的水位等信號進行實時的監(jiān)控和處理。

一、概述

　　某自來水廠控制系統(tǒng)由分布在十幾公里內(nèi)5個深井取水泵站、儲水池、用戶管網(wǎng)組成。整個供水系統(tǒng)的高低落差達150米左右，由于供水系統(tǒng)的組成及地形結(jié)構(gòu)的特殊性，過去人工監(jiān)控，給生產(chǎn)管理、供水調(diào)度帶來諸多不便。

　　實施了微機監(jiān)控后，它能實時監(jiān)測供水系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)（如壓力、流量、水位、電壓、電流等），控制深井泵、監(jiān)視泵機的運行狀態(tài)，同時提供生產(chǎn)管理所需的報表、曲線、數(shù)據(jù)查詢等功能。它的運行對供水系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、科學調(diào)度有著重要的意義。

二、系統(tǒng)組成

　　微機監(jiān)控系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)、分布式無線實時監(jiān)控方式（簡稱SCADA），如圖1所示。

　　系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、無線通信系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控終端、傳感器及儀表四部分組成。

　　監(jiān)控中心：由微機、MCGS組態(tài)軟件，無線數(shù)傳電臺、全向天線、模擬屏及UPS組成，主要完成各現(xiàn)場終端數(shù)據(jù)的實時采集、監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)存儲、打印報表、數(shù)據(jù)查詢等功能。

　　無線通信系統(tǒng)：監(jiān)控中心與各泵站終端之間采用無線方式通

　　訊。監(jiān)控中心為主動站，其它終端副站為被動從站，該系統(tǒng)采用無線電管理委員會給定的數(shù)據(jù)頻率，以一點對多點的方式與從站通訊，監(jiān)控中心為全向天線，各副站為定向天線。

　　現(xiàn)場監(jiān)控終端：核心為PLC，是一個智能設(shè)備，它有自己的CPU和控制軟件，主要完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲、報警、控制等功能，并通過無線信道與監(jiān)控中心微機進行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)監(jiān)控中心的命令分別完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)傳送、控制輸出等任務。

　　傳感器及儀表：是PLC監(jiān)測現(xiàn)場信號的“眼睛”，現(xiàn)場所有信號都需經(jīng)過傳感器及儀表的轉(zhuǎn)換，才能輸出標準信號，被PLC終端所接受。系統(tǒng)主要測量電壓、電流、液位、壓力、流量及耗電量等參數(shù)。

　　水源井輸水泵的控制

　　l 手動控制。操作員根據(jù)清水池液位對輸水泵進行啟動和停止操作。

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

三、現(xiàn)場PLC終端

　　現(xiàn)場PLC監(jiān)控終端是工業(yè)現(xiàn)場與監(jiān)控中心之間的橋梁紐帶，一方面它采集現(xiàn)場儀表、變送器、設(shè)備運行狀態(tài)等信號，另一方面它又與監(jiān)控中心通訊，執(zhí)行有關(guān)命令?，F(xiàn)場終端一般無人值守。因此，終端機的性能和質(zhì)量對系統(tǒng)的可靠性影響很大。經(jīng)充分論證，選用西門子S7-200系列PLC作現(xiàn)場終端具有較高的性能價格比，它具有體積小、易擴展、性能優(yōu)等特點，非常適合小規(guī)模的現(xiàn)場監(jiān)控。

　　1、PLC硬件設(shè)計

　　現(xiàn)場某一終端需測控開關(guān)輸入信號，開關(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）。滿足現(xiàn)場要求。

　　2、通訊接口

　　從站中PLC與電臺通訊： S7-214PLC基本單元提供一個RS-485接口，為了與無線信道的數(shù)傳機（電源、數(shù)傳電臺）相連，我們專門設(shè)計了RS- 485接口的專用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(shù)傳機發(fā)射時需要RTS信號，而RS-485接口又不提供 RTS信號，解決這個問題有兩處方法。其一，由無線Modem根據(jù)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(xiàn)場信息。其二，采用PLC的某一I/O輸出點，產(chǎn)生RTS 信號，由PLC在發(fā)送信息前現(xiàn)接通該點，控制數(shù)傳機發(fā)射，延時一段時間后（電臺建立載波時間），再發(fā)送信息。后一種方法簡單、實用，較好的解決了無線通信的接口問題。

　　主控室的PLC與工控機的通訊：因為主控室的PLC要和數(shù)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(shù)傳電臺通訊，另一端口直接用西門子的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)軟件進行組態(tài)和編程，對現(xiàn)場的水位等信號進行實時的監(jiān)控和處理。

　　3、抗干擾設(shè)計

　　為提高系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)場終端、數(shù)傳機、PLC、直流溫壓電源及部分變送器裝于一個控制柜內(nèi)，各部分相對獨立，便于維護。PLC開關(guān)量輸入、輸出與現(xiàn)場之間加繼電器隔離，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”，同時系統(tǒng)設(shè)置良好的接地。

四、PLC軟件設(shè)計

　　PLC終端軟件采用梯形圖語言編寫，為提高終端的抗干擾能力，軟件設(shè)計中采用了數(shù)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(shè)計采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，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(shè)定各寄存器、計數(shù)器、PLC工作模式、通信方式等參數(shù)初始值。

　　2、數(shù)據(jù)采集子程序：對各路模擬量數(shù)據(jù)采集、濾波、平均等處理。

　　3、累計運行時間子程序：對泵機等設(shè)備的運行時間進行累計。

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

　　5、置初值子程序：由監(jiān)控中心對時間、電耗、流量等累計參數(shù)按用戶的要求設(shè)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(jiān)控中心。

　　7、控制子程序：根據(jù)監(jiān)控中心的命令，或現(xiàn)場自控條件輸出相應的操作。

　　8、通訊子程序；完成與監(jiān)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ATCH指令使中斷事件8在接收不同特征命令下執(zhí)行不同的程序。對串行通信的超時限制則通過設(shè)定內(nèi)部定時中斷來控制，其事件號為10，定時時間由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(jié)束語

　　本系統(tǒng)在軟、硬件方面采取了多種措施，特別是現(xiàn)場終端選用了S7-200 PLC，提高了系統(tǒng)的可靠性，在自來水廠自動控制系統(tǒng)取得了較好的應用效果。 PLC基于SCADA系統(tǒng)能充分滿足對水廠控制系統(tǒng)的要求，對水廠的安全運行、提高供水質(zhì)量、節(jié)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(tǒng)將無線通訊與S7-200 PLC有機的結(jié)合，解決了現(xiàn)場分布較散、距離較遠、范圍較大的系統(tǒng)監(jiān)控問題，在供水、供電、供氣、油田、氣象、水文水利等部門有較好的應用前景。