基于MPI网络在水厂自动监控系统中的应用

【摘要】文章重点介绍了西门子PLC、上位机和变频器组成的水厂监控系统，通过MPI网络对系统的实时数据采集和监控，实现蓄水池供水以及自来水的消毒等功能，经过一段时间的运行，结果表明该系统运行良好，达到了预期的效果。

【关键词】西门子PLC;上位机;变频器;深井泵

一、系统概述

某水厂由水源地和厂区两部分构成，水源地有三台深井泵，负责对厂区的蓄水池供水;厂区对水池的水进行消毒处理，之后用加压泵进行恒压供水。整个系统采用西门子PLC和上位机组成的实时数据采集和监控系统。

西门子S7系列PLC的MPI网络速度可达187.5Mbit/s;一级中继传输的距离可达1公里。综合考虑水厂的实际情况和成本要求，确定MPI的组网方式，主站PLC选型为S7-300系列的CPU312IFM，从站PLC选型为S7-200系列的CPU222，保证了系统很高的性价比。系统采用RS-485接口，网络延伸选用防雷保护的中继器，保证系统安全。MPI网络拓扑结构如图1所示。

图1 监控系统MPI网络拓扑结构

二、控制系统硬件设计

监控系统由位于水厂区的上位机、主站PLC、变频器站和水源区三个从站PLC组成。上位机负责整个系统的现场数据监测、数据处理及计算等工作，通过CP5611网卡与主站PLC完成。主站PLC完成两项工作，一是水厂区现场数据的采集及变频恒压供水控制，二是与水源地的三从站进行远距离通信和控制，完成水源地现场数据的采集和深水泵控制。

根据现场情况，数据回路有7路模拟量，可以选择模拟量输入输出模块SM334，该模块包括4路模拟量输入和2路模拟量输出。同时另选用2片CD4066模拟开关进行扩展，构成8路模拟量输入。主站PLC的组成如图2所示。

图2 主站PLC控制电路

图中，当AO2输出0V时，选通4066-1的4路模拟量输入;而当AO2输出10V时，选通4066-2的4路模拟量。这种分时采集的方法利用PLC程序较易实现。实际应用中，分时操作时间间隔为100ms，各个采集量的含义及内存地址如表1所示。

项目中的变频器选用西门子公司MM系列产品MM420，该变频器有专用接口模块，容易与主站组网。监控系统中，水泵P1和P2共有5种工作状态，各状态间的转换条件如图3所示。5种工作状态对应PLC的输入输出状态如表2所示，编程时，欠压加泵和超压减泵用定时器控制，具体定时时间根据实际情况确定。

3个从站PLC都采用S7-200PLC，控制电路相同，分别控制3个深水泵的运行及现场数据采集，如图4所示。图中Q0.0控制深井泵的运行及现场数据采集，I0.0为深井泵过载信号输入端，Q0.1为故障报警输出端，深井泵的水管压力、深井泵电压和电流3路模拟信号的现场采集通过4路模拟量输入模块EM231实现。

表2 5种工作状态与PLC I/O状态的对应关系

状态 Q124.0 Q124.1 Q124.2 Q124.3 功能说明

S1 1 0 0 0 P1变频P2停机

S2 0 1 1 0 P1工频P2变频

S3 0 0 1 0 P1停机P2变频

S4 1 0 0 1 P1变频P2工频

S0 0 0 0 0 系统停机

图3 泵工作状态的转换

图4 PLC从站的控制电路

三、系统通信原理及PLC程序编制

本系统按主从方式控制和管理全网，由主站随机提出通信任务，采用非周期发送请求方式传输数据。

通信任务是预先在主站中输入一张轮询表，该表定义了此主站应轮流询问的从站，按MPI网络的通信规则，各点的地址分别为：上位机PC为0;主站PLC为2;从站1的PLC为4;从站2的PLC为6;从站3的PLC为8。主站通过系统功能函数SFC67和SFC68分别对3个从站进行读和写操作。根据监控系统的控制工艺要求，主站S7-300PLC和从站S7-200PLC的程序流程如图5所示。

图5 控制系统PLC程序流程

设计监控系统时，为实时观察供水泵和深井泵的运行情况，及时发现并处理系统故障，在上位机上安装了组态软件，MPI网络画面如图1所示，每台供水泵和深水泵的局部动态画面以及报警画面。工艺控制曲线包括供水管实时压力曲线，历史曲线，通过系统变量标签、图形编辑器和报表编辑器等组态工具可设定变频器的上、下限频率，供水管的各种压力参数，也可随时调用各历史曲线，达到实时控制的目的。用多点网络控制技术设计的自来水厂分布式监控系统，经多年的实际运行证明，系统性能稳定，运行可靠，报警及时，且供水压力恒定，这项技术对于中、小规模监控场合，具有较好的推广价值。

参考文献

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