基于PLC的智能分流井电气组态控制

陈泽，黄晓

（1．武汉圣禹排水系统有限公司，湖北 武汉 430058 ；2.武汉商学院 信息工程学院，湖北 武汉 430056）

0 引 言

我国早期城市建设过程中，对地下管道的规划缺乏足够的前瞻性，各种管网连接复杂，雨水和污水利用合流式方式进行排水。合流暗渠内的低浓度污水直接排入江河、湖泊，使得自然水体受到严重污染。后期把合流管道接入污水处理厂，但大量的雨水也进入污水厂，使得污水处理效率降低、资源严重浪费。

为实现污水的高效处理，必须对雨水和污水进行分流。分流井是目前用于实现雨污分流的常用装置，它可实现雨水收集利用和集中管理排放，降低水量对污水处理厂的冲击。因此，能会大大提升城市的环境质量、城市品位和管理水平，切实改善广大市民群众的生存环境和生活质量。

1 分流井控制的硬件配置

本电气控制系统主要是由西门子PLC S7-1200 系列、“精简”系列触摸屏和施耐德电气控制原件组成。SIMATIC S7-1200 具有集成PROFINET 接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性等特点，为各种工艺任务提供了简单的通信和有效的解决方案，尤其满足多种应用中完全不同的自动化需求。PLC 控制系统中，CPU 选用1215C，提供两个以太网端口，支持PROFINET 通信。其中一个网口通过网线与触摸屏HMI 链接，进行现场数据和触摸屏操作实时通信。另一个网口与无线路由器网线连接，将项目现场各类实时数据传送到后台SCADA 智能控制系统中。PLC 硬件组成中还包括了1 个数字量扩展模块SM1223、1 个模拟量扩展模块SM1234、1 个模拟量扩展模块SM1231、1 个通信扩展模块CM1241、其硬件均为西门子S7-1200 系列。

1.1 信号采集及控制

本系统中涉及的数字量有油泵启、停、故障信号，电磁阀启、停控制信号、雨量信号、按钮、指示灯及旋钮信号，均采用高电平信号输入输出。涉及模拟量信号输入输出的有油缸磁环位置数据、井内外液位数据、水质COD 值、液压站比例阀。油缸位置和液位计采用的是标准电流4 ～20 mA输入，由PLC 模拟量模块采集，并转化为0 ～27 648 之间对应数值在程序中显示。当模拟量输入数值超过30000 时，基本可以判断为模拟量故障或PLC 此模拟通道故障。堰门控制中涉及双杠同步控制和液压站的4 个电磁阀，YV1 阀控制油缸收回油缸顶杆；YV2 阀控制油缸伸出油缸顶杆；YV3 阀控制手动回路油缸；YV4 阀控制比例阀回路油缸。YV3 电磁阀回路的开度由手动阀控制，一般调试完成后锁定此回路开度。

YV4 电磁阀回路的开度由比例阀控制，此控制采用的是差分电流0 ～20 mA 输出或者电压0 ～10 V 输出控制。在控制程序中控制堰门的双油缸实时位置模拟量数值来调节YV4 回路的开度大小，由此来控制油缸回路的出油速率来达到YV3、YV4 回路的同步性，保证堰门运行的平稳和安全性。模拟输出信号通过模块SM1234 完成信号输出。COD数据采集选用485 通信，通过CM1241 实现，将读取的数据在程序内转化为相对于的数值，并输出到HMI 和云端后台显示。

1.2 一二次回路电气硬件

PLC 控制单元以外的电气硬件有塑壳开关、浪涌保护器、电机热磁短路保护器、交流接触器、断路器、开关电源、路由器等。

塑壳开关控制项目总进电通断，同时此开关带有MX 分励脱扣线圈（220 V）。可以在紧急情况下直接给设备迅速断电。浪涌保护器在电气回路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。油泵供电控制回路由电机热磁短路保护器和交流接触器组成，控制接触器吸合回路由PLC 控制点位输出闭合中间继电器实现。此控制油泵启停回路对PLC 反馈停止、运行、故障三个数字信号。停止信号由接触器辅助常闭点提供无源信号；运行信号由接触器辅助常开点提供无源信号进入PLC；故障信号由电机热磁短路保护器辅助常闭点提供无源信号进PLC 输入点位，此间故障信号可表示为：油泵电机过热或过载。再配合程序的通断油泵电机电源的功能从而实现对油泵电机的保护功能。施耐德C 型断路器（空气开关）、明伟24 V 和12 V 开关电源、有人PLCNET 路由器和TPLINK 交换机等组成了低压供电通信回路，为PLC、各类传感器、指示灯、旋钮、按钮、触摸屏、摄像头等柜内外元器件提供所需电源及通信网络。

PLC 云网关支持多种PLC 协议，可以采集多种型号的PLC 数据，上报到云端。本文采用“有人云平台”实现数据监控和云组态等功能。通过PLC 云网关可以实现多设备的互联，有利于构建“智慧城市”中的分流井监控。

数据采集过程为：（1）在云端添加从机、节点、上报规则等信息；PLCNET510 自动获取并把相应的采集规则和节点信息转换成对应的PLC 协议；（2）对PLC 的寄存器进行采集，采集到的数据进行边缘计算；（3）需要上报的PLC 节点数据主动上报到云平台，保证云端可以实时监控PLC 数据。在“有人云平台”上，数据上报规则可设置：变化存储、定时存储、变化幅度存储和组合上报。此外，可通过PLCNET510 云网关的串口、网口、USB 口实现和远程电脑的数据透传，相当于远程的电脑直接连接到现场的设备。可以实现远程PLC、HMI 等设备的程序上下载、远程调试等功能。

2 分流井控制的软件设计

由于PLC 主机为西门子S7-1200 系列，编程软件选为TIA Portal V14。TIA portal 是西门子工业自动化集团发布的一款全新的全集成自动化软件。它是业内首个采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件，几乎适用于所有自动化任务。借助该全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。

2.1 硬件组态

在创建好新项目后，在硬件组态的环境下选择使用与在硬件组态环境下相同的产品代码拷贝到相应的位置如导轨的槽位，在Rack_0 的101 槽位处放入CM1234 RS422/485 模块，然后在后面依次放入CPU1215C、SM1223、SM1234、SM1231 模块，如图1所示。实际的硬件模块安装顺序一定要和此处的软件组态顺序保持一致，要不然会编译硬件报错。

图1 硬件组态设置

在组态界面加入硬件模块后需要对各个模块进行系统参数设置，CPU 的启动方式、网络通信IP 地址、I/O 地址（可用默认值也可以按项目需求更改）、防护与安全等。扩展模块也可设置I/O 地址（使用默认值亦可），模拟量模块中需要对模拟通道进行硬件组态，确定模拟量的输入测量电流或电压类型，量程范围一般有0 ～20 Am、4 ～20 Am、0 ～10 V。滤波一般选用“强（32 个循环）”，也可根据现场实际数据抖动情况选择。

在硬件组态的环境下选择网络视图添加HMI。选取项目中选定的HMI 型号，按住鼠标左键拖拽添加到PLC 主机旁边，并添加一个连接回路，将HMI 与PLC_1 相连。连接线路显示为“PN/IE_1”。HMI 的硬件设置中需要将HMI 的通信IP 地址设置到与PLC 主机同网段，在此设置页面也能选择设置HMI 的用户名和登入HMI 密码，如图2所示。

图2 HMI 硬件设置

2.2 软件组态

在添加设置硬件完成后，进入软件编程，根据相关的项目工艺流程编写程序。点击PLC 下拉菜单程序块，进行编程。编程中涉及有OB 组织块、FB 函数、DB 数据块，在OB 块中编写主要工艺流程，主要编写手动流程程序、自动流程程序、远程控制程序；FB 函数块编写模块化的单元控制程序，主要编写堰门、闸门控制程序，实现堰门、闸门的启、闭、停功能；OB 块中编写整个程序所需要的所有数据，在此模块中可将数据是否有保存功能进行选择。

在选取OB 块、FB 块、OB 块根据实际工艺组合编辑编程后，进行编译无误，即完成PLC 主机模块的程序的编写。HIM 界面编程组态在TIA Portal V14 中完成，编辑相应的HMI 画面和关联数据量后，连接PLC 主机进行通信验证，无误后数据显示正常，即完成HMI 编程。完成主机程序与HMI 程序编写验证后，软件组态并验证完成。

2.3 远程访问

由于项目具备远程访问PLC 的功能，通过PLCNET510来实现，对于在调试和后期维护都提供了很便捷的处理故障和修改程序的方法和途径。在整套设备正常上电的情况下，通过有人云的电脑终端操作平台，在云端分组中点击相对于的项目路由器编号，选择该项目的路由器。然后在右边选择远程维护，点击“网口透传”下面的启用按钮并设置好终端电脑的虚拟网卡。此时打开TIA Portal V14 软件，进行程序在线连接即可。完成了对PLC 的远程访问，此时即可查看PLC 数据与修改程序。PLCNET 操作界面如图3所示。

图3 PLCNET 操作

3 结 论

此系统将PLC 可编程逻辑控制器运用到智能分流井项目的控制系统中，具有良好的稳定性、扩展性和设备兼容性。同时可以根据项目现场实际需要添加不同种类的水质类传感器参数、控制单元（水泵、过滤器、闸门）等来完成工艺要求。在PLC 系统中数字量、模拟量均可在合理范围内添加扩展。此套控制系统易于维护和保养，同时可以通过PLCNET 实现远程对实际运行程序进行修改以适应不同的应用环境的工艺流程。云后台记录的各类数据，具备良好的参考价值，能为同水域的分流井提供第一手参考资料。