PLC和MDS無線數傳電臺的SCADA系統在水廠中的應用

本文介紹了以S7-200 PLC為現場終端的無線供水調度系統的組成、功能。并著重對PLC與無線Modem接口及PLC軟件設計方法進了分析與說明，給出了部分程序流程圖及系統應用領域。

[關鍵詞]
可編程控制器（PLC） 監控 數傳電臺 通訊接口 工控機 MCGS組態軟件
一、概述
某自來水廠控制系統由分布在十幾公里內5個深井取水泵站、儲水池、用戶管網組成。整個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，過去人工監控，給生產管理、供水調度帶來諸多不便。
實施了微機監控后，它能實時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，同時提供生產管理所需的報表、曲線、數據查詢等功能。它的運行對供水系統的安全生產、科學調度有著重要的意義。
二、系統組成
微機監控系統采用主從結構、分布式無線實時監控方式（簡稱SCADA），如圖1所示。

系統主要由監控中心、無線通信系統、現場監控終端、傳感器及儀表四部分組成。
監控中心：由微機、MCGS組態軟件，無線數傳電臺、全向天線、模擬屏及UPS組成，主要完成各現場終端數據的實時采集、監測、控制、數據存儲、打印報表、數據查詢等功能。
無線通信系統：監控中心與各泵站終端之間采用無線方式通訊。監控中心為主動站，其它終端副站為被動從站，該系統采用無線電管理委員會給定的數據頻率，以一點對多點的方式與從站通訊，監控中心為全向天線，各副站為定向天線。
現場監控終端：核心為PLC，是一個智能設備，它有自己的CPU和控制軟件，主要完成現場的數據采集、轉換、存儲、報警、控制等功能，并通過無線信道與監控中心微機進行數據通信。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。
傳感器及儀表：是PLC監測現場信號的“眼睛”，現場所有信號都需經過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 手動控制。操作員根據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、現場PLC終端
現場PLC監控終端是工業現場與監控中心之間的橋梁紐帶，一方面它采集現場儀表、變送器、設備運行狀態等信號，另一方面它又與監控中心通訊，執行有關命令?，F場終端一般無人值守。因此，終端機的性能和質量對系統的可靠性影響很大。經充分論證，選用西門子S7-200系列PLC作現場終端具有較高的性能價格比，它具有體積小、易擴展、性能優等特點，非常適合小規模的現場監控。
1、PLC硬件設計
現場某一終端需測控開關輸入信號，開關輸出信號路，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傳機（電源、數傳電臺）相連，我們專門設計了RS-485接口的專用Modem，并采用光電隔離技術，使二者在電氣上完全獨立，避免相互干擾，由于數傳機發射時需要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PLC的發射信息產生RTS信號，這就要求該Modem必須智能化，同時PLC在發送信息之前需先與Modem通信，讓其輸出RTS信號，并回送RTS已產生信息，然后PLC再發送現場信息。其二，采用PLC的某一I/O輸出點，產生RTS信號，由PLC在發送信息前現接通該點，控制數傳機發射，延時一段時間后（電臺建立載波時間），再發送信息。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S7-216基本單元，直接用西門子的PPI電纜和上位機相連，可在上位用北京昆侖通態提供的MCGS組態軟件進行組態和編程，對現場的水位等信號進行實時的監控和處理。
3、抗干擾設計
為提高系統的可靠性，現場終端、數傳機、PLC、直流溫壓電源及部分變送器裝于一個控制柜內，各部分相對獨立，便于維護。PLC開關量輸入、輸出與現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”，同時系統設置良好的接地。
四、PLC軟件設計
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、累計運行時間子程序：對泵機等設備的運行時間進行累計。
4、遙信子程序：檢測電機、閥門、報警開關等設備的運行狀態。
5、置初值子程序：由監控中心對時間、電耗、流量等累計參數按用戶的要求設定初始值。
6、故障自檢子程序：檢測PLC的故障信息、校驗信息，并發往監控中心。
7、控制子程序：根據監控中心的命令，或現場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行不同的程序。對串行通信的超時限制則通過設定內部定時中斷來控制，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、結束語
本系統在軟、硬件方面采取了多種措施，特別是現場終端選用了S7-200 PLC，提高了系統的可靠性，在自來水廠自動控制系統取得了較好的應用效果。PLC基于SCADA系統能充分滿足對水廠控制系統的要求，對水廠的安全運行、提高供水質量、節能降耗、優化管理等方面起到了至關重要的作用。本系統將無線通訊與S7-200 PLC有機的結合，解決了現場分布較散、距離較遠、范圍較大的系統監控問題，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。