S7-200 PLC在無線“三遙”調度系統中的應用

1 引言
某供水調度系統始建于1994年，當時只有4個管網測壓點，終端機采用8031系列的單片機。1999年，系統進行了升級，終端機采用了8052系列的單片機。在單片機應用的程序主要完成數據采集、數據的臨時存儲和通信功能。結這幾年的使用情況，認為采用以單片機為CPU的終端機能夠滿足管網測壓的基本要求，特別是價格低廉，使用簡單，降低了系統的一次投入成本。同時，也發現以單片機為主的終端機有一些缺陷，比如防干擾能力差，不能擴展。特別是隨著社會和科學技術的快速發展，有些元器件停產或者升級，這對的產品維護和系統可靠運行提出了難題，需要開發出一種既可以滿足當前“三遙”系統功能要求，而且使用簡單可靠，又能滿足將來“三遙”系統升級要求的產品。經過認真研究和論證，決定采用西門子S7-200 PLC(可編程控制器)為核心，開發了新一代終端機。

2終端機硬件設計
2.1 PLC可編程控制器選型
S7-200 PLC可以滿足多種多樣的自動化控制需要，由于具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的通信和聯網能力，使得它可以近乎完美地滿足小規模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業自動化問題時，具有很強的適應性，可以在非常惡劣的環境下工作。S7-200 PLC已經形成了各種系列化、標準化的產品，其開發編程工具簡單易用，一般的電氣工程師容易掌握，通用性好，升級換代、擴充維護方便，非常適合做“三遙”系統的終端機。
2.2 終端機硬件設計
終端機由PLC、直流開關電源、進口數傳電臺、天線等幾部分組成。S7-200 PLC易于擴展，根據用戶需求可以選用不同擴展模塊以實現各種功能。終端機可以應用于管網監測、井群控制等場合，需要實現的功能有:
(1) 模擬量/脈沖量輸入，開關量輸入(輸入點數根據擴展I./O模塊數量決定);
(2) 實時接收中心調度室的命令(隨機點測、定時自動巡測、補調數據等)，將相應的數據(流量、壓力、開關狀態等)發送回中心調度室;
(3) 定時存儲數據(30min/15min存一次，至少存一天)，定時將數據通過無線數傳電臺傳送至中心調度室;
(4) 自報功能，開關量狀態轉換可以自報，模擬量上下限自動報警;
(5) 遙控/遙調功能，接收到中心調度室的命令，可以啟動或停止電機，可以調節閥門開度大小;
要實現以上功能，特別是數據存儲功能，需要考慮CPU的存儲器大小和是否具有實時時鐘。因此，終端機CPU選用了S7-224，模擬量輸入模塊則采用EM231。
S7-224 CPU提供一個RS-485接口，而數傳電臺一般均為RS-232接口，所以需要配置一個485-232轉換器。對于有的數傳電臺發射時需要RTS信號，而RS-485接口又不提供RTS信號，解決這個問題的方法是，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，控制數傳電臺發射，延時一段時間后(電臺建立載波時間)，再發送信息。這一種方法簡單、實用，較好的解決了無線通信的接口問題。
為提高系統的可靠性，數傳電臺、PLC、直流穩壓電源及部分變送器裝于一個控制箱內，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。

3 終端機軟件設計
3.1 功能化模塊設計
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) 定時存數子程序:每15min存儲數據一次;
(4) 累計運行時間子程序:對泵機等設備的運行時間進行累計。
(5) 遙信子程序:檢測電機、閥門、報警開關等設備的運行狀態。
(6) 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。
(7) 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。
(8) 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。
(9) 通訊子程序;完成與監控中心的各種通信功能。
3.2 技術關鍵
(1) 在編寫調試終端機程序的過程中，我們發現通信子程序難度大一點，需要多費些時間和耐心去調試。因為相對于有線通信來說，無線通信需要考慮的因素更多，比如通信干擾、RTS時間延遲處理等。
(2) 筆者利用了中斷來編寫通信部分子程序，用到中斷有:通信口0接收字符、通信口0傳輸完成，定時器0中斷。在通信接收中斷服務子程序中，一定要注意判別接收到的字符數。因為中心調度室發送過來的命令中的字符數是一定的，如果PLC接收到的字符數超過某個數目，則PLC需要初始化通信接收有關的變量、標志，重新開始接收。而對于PLC發送響應信息時，如果需要RTS控制信號，則要控制好RTS延時的時間，RTS時間太短，則可能使得中心調度室接收到的信息不完整，造成通信失敗;RTS時間太長，又有可能與中心調度室通信沖突，也造成通信失敗。總之，無線通信程序調試時，需要與上位機軟件緊密結合，耐心調試，才能確保在現場實際應用中，達到系統設計要求的功能。
4 結束語
本終端機在軟、硬件方面采取了多種措施，特別是選用了S7-200 PLC，提高了終端機的可靠性，在“三遙”供水調度系統中系統取得了較好的應用效果。特別是在我公司去年投入運行的十多口水源井中，采用了此終端機，公司中心調度室能夠隨時監測各水源井設備狀態，并且可以控制水泵的開停，真正實現了無人看守，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。“三遙”系統將無線通信與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。