PLC在自来水监测系统中的应用分析

李 骥

（遵义市供水有限责任公司，贵州遵义 563000）

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是在工业环境下应用的数字运算电子系统，其内部能够存储执行逻辑运算、定时、算术运算等指令，利用数字式输入输出，控制机械设备以及生产流程。将其运用在自来水监控系统中，不仅可以完成数据收集与分析，还能提高系统可扩充性，便于后续优化与改进，切实提高系统监控质量。

1 PLC在自来水监测系统中的应用探究

（1）PLC在泵房的应用，需要为送水泵房PLC编制采样、报警、开泵与出水阀的联动控制等子程序。利用结构化编程，保证程序的层次清晰，简化程序调试。其中采样程序能够将“模拟量输入”存储至数据块当中，以此简化读取模拟量的输入过程，解决以往因“余氯仪”无法提供数据通信，只能提供模拟量输出的问题。报警程序则可保证测量值高于标准范围时，发出报警信息。

（2）PLC在供水系统中的应用。PLC能够依照电机转速与电源输入频率的关系，利用改变电动机电源频率的方式，调整电机转速。当电机由高速转为低速时，能够保持有限的转差率，如此供水系统的供水压力便可结合用户的用水需求量实现相应变化，最大程度节省供水能力损耗，达到节能的目的。同时PLC也能进一步实现供水系统的恒压变量，通过结合PLC、变频器、压力变送器，可以使供水系统具备闭环控制的功能，依照出厂水压力的变化情况，利用可编程逻辑控制器调节变频器，实现转速的调整，使供水流量满足实际需求，保证供水压力恒定不变。至于恒压变量的供水方式则主要表现为根据水厂供水情况，设置恒定供水管网出水口出水压力值，之后在供水管网出水口设置压力变送器，将设备获取的压力信息与预设的初始值进行比较，通过PLC控制器控制水泵频率以及运行台数，以此达到节能目的。这样不仅可以满足用户用水压力需要，也能防止压力设置偏高影响水资源的经济性。至于恒压变量供水系统的工作流程则表现为PLC可以对变频器实现调节，根据实际需要适当提高泵的转速，以此提高管网的压力，若在此过程中管网压力仍无法满足实际要求，且泵站在工频状况下已经开始工作，则PLC便可指挥其他泵站运行。此时，若其他泵站也难以满足压力需要，则要提高水泵的运行数量，利用PLC调动更多的泵站变频，以此保证管网压力与预设值一致。

PLC在自来水监测系统中的应用更多体现在数值调控以及信息传输上，因此在应用PLC时应当注重软件以及硬件的设计方法，并保证系统具有一定的可扩充性，以便后续根据运行要求，进行系统功能的适当调整与优化。

2 PLC在自来水监测系统中的应用案例

2.1 硬件设计

2.1.1 系统结构

本文选取的研究对象为某地方自来水公司的供水调度系统，该系统主要由企业的调度中心以及部分远程监控站组成，其中调度中心涵盖工作站、集线器、打印机、调度机、无线电台以及服务器，采用TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议）实现网络数据信息的共享与传输。至于监测站则主要涵盖水厂、测压点等。监测站与调度中心均通过无线电台实现通信，至于采用的通信方式则以“点对点”为主。

2.1.2 硬件选型

（1）PLC模块。其属于系统下层的重要装置，以单片机为主要核心，用于工业过程自动化控制的设备器件，不仅具有指令分析转换、I/O接口（计算机接口，输入/输出）等功能，还具有极强的稳定性以及抗干扰性。实际调查显示，现阶段世界范围内最常用的PLC无故障时间可达3.2×105h，并且PLC本身的可靠性较高，其I/O至少会经过一级光耦，因此能够在一定程度上抑制电磁干扰。同时，PLC的编程相对简易，功能极为丰富，能够有效契合供水调度系统无人值守、运行环境差的特点。因此，自来水监测系统采用的是西门子CPU224可编程逻辑控制器，以及与之配套的计算机接口扩展模块，并将其当作主控监测装置。由于PLC本机无法实现模拟量的输入，因此在设计过程中需要添加模拟量输入模块，即12位A/D模块（模拟数字转换器）EM231。EM231本身能够实现单极性信号的输入以及双极性信号的输入，其中单极性可输入0～10 V的电压信号以及0～20 mA的电流信号。至于双极性则可输入-5～+5 V的电压信号。

（2）通信装置。由于调度中心与监测站能够通过无线网络实现通信，因此系统最终采用GM950I工数传电台作为传输装置，该装置的功率在25 W，频率为230 MHz。测试显示，该型号的数传电台不仅传输效率极高，且基本不会出现误码，可以确保系统准确获取相应数据信息。同时，PLC本机存在标准RS-485接口，在通信过程中，需要将其转换为RS-232接口，并选取PC/PPI（个人电脑/点对点接口）电缆，该电缆不仅可以设定通信速率，也能预先确定通信设备模式[1]。

（3）数据获取装置。为了更好体现自来水生产环节，并掌握生产流程的数据参数，自来水监测系统还要设计水厂监测站和测压电监测站。监测站的数据获取装置则主要包括：①开关量反映水泵，其作用在于体现水泵开关状态，利用交流接触设备的触点，将模拟量送入PLC的开关量输入端，其中模拟量以水量、压力、电流信号为主，此类信号的获取精确性将直接影响系统的应用效率，因此在选用过程中要保证产品的高可靠性；②电量变送器、电压变送器，是指能输出标准信号的传感器，此类装置均采用某自动化研究所生产的产品；③压力变送器，是指一种将压力转换为气动信号或电动信号实现控制与远传的装置，采用某电子企业的正规产品。自来水监测系统选用的变送器可实现4～20 mA的电流信号输出，也可以与模拟数字转换器的输入端直接相连。

2.1.3 数据处理

（1）开关量信号的处理。PLC本机提供的开关量输入以及开关量输出都具有相对固定的I/O地址，也能够将扩展模块与I/O点相连，至于地址则要根据I/O类型以及所在位置来决定。自来水监测系统的监测站共有8路开关量，因此在设计时无需添加更多的扩展模块，至于在开关量信号获取的过程中，则要采用延迟时间确认的方式来达到软件滤波的目的，通常将延迟时间设置为6 ms。具体的开关量输入电路表现为外部数字输入→光电隔离→数字输入滤波器→脉冲捕捉功能→脉冲捕捉允许→输入至CPU。

（2）模拟量信号的处理。对于模拟信号来说，需要利用扩展模块进行收集。一般情况下，模拟数字转换器能够在150 μs内使模拟量转变为与之对应的数字值，同时模拟信号的转换过程也要控制在程序访问中完成。因为此类模块本质上属于高速模块，所以能够实现模拟信号的变化追踪，如外部噪声等。至于变化较为缓慢的模拟量输入，则要借助软件滤波的形式，最大程度降低噪声造成的信号读数误差[2]。

（3）软件滤波本质上属于PLC具备的功能，而滤波值则表示模拟量输入采样值的平均值，滤波参数对全部模拟量输入均保持一致。在自来水监测系统中，软件滤波采用数为64，可以理解为当CPU机械构件模拟信号访问时，会在150 μs采样64次，之后求解平均值。此外，定时采样需要根据用户编程来实现，通常来说，程序内的采样间隔应控制在2 s左右，至于PLC存储的每分钟数据，应为采样值的平均值。为了保证系统的稳定运行，避免外界环境信号的干扰，还要剔除外界小信号，做好模拟信号的有效性检查。

2.1.4 终端信息通信

将PLC用于通信时，需要预先将接口转换为RS-232接口，借助通信控制寄存装置设置通信波特率1 200 bps、偶校验位，将通信电缆的DIP开关（指拨开关，属于人工调整的开关）设定为10101。至于PLC接收、发送指令时均采用16进制信息格式，由用户程序控制通信协议。

2.2 软件设计

2.2.1 开发工具

PLC程序的开发采用S7软件MICRO/WIN32，能够有效完成数据的获取、分析、处理、计算、统计以及通信。该软件主要运行在Window（s操作系统）平台，在编程时采用的编程语言则以梯形图、语句表以及功能块为主。同时，该编程软件所包含的编译工具众多，能够轻松实现程序改写，并下载至PLC，通过强大的编辑功能，完成程序存盘、打印，与人机界面相似，均可以为操作人员提供便利[3]。

2.2.2 工作过程

供水调度系统的下层数据获取由PLC完成，数据采集周期为2 s/次。PLC存取区的数据以瞬时数据、时间段数据、报警数据为主。其中瞬时数据可以理解为PLC当前获取的数据，时间段数据是指在1 min中收集30次瞬时数据的平均值或15 min内收集30次瞬时数据的平均值。同时在PLC工作过程中要注意，由于PLC存取区的容量有限，在达到数据存储上限时，共收集了22 min的1 min数据、15 h的15 min数据以及10条报警信息。供水调度系统中的调度机能够直接访问PLC，而PLC在通信时始终保持从机状态，因此数据的传送主要表现为询问应答，简单来说便是由调度中心发送相应命令，而PLC则以中断方式来获取命令，之后以获取的信息进行判断，确认其是否需要紧急处理。同时，当PLC检测到命令内具有报警数据时，若调度装置仍保持报警状态，则PLC会第一时间发送报警信息[4]。

3 系统改进措施

为满足系统应用需要，提高系统的运行效率，在完成系统设计后还要进行针对性的优化，保证其具有数据监测、自动报警、参数记录、数据查询等功能，并遵照整体集中、局部分散的改进原则，保证调度机即便出现故障，也不会对服务器以及工作站的信息造成影响，确保监测站能够稳定运行，实现24 h的数据保护。直至调度装置恢复正常后，可自动找寻该时段的历史信息，利用插值法进行数据的自动平滑，以此获取数据平均值，确保数据完整。此外，为了进一步提高系统的可靠性，还可将调度机调整为双机热备。双机热备可以理解为应用在服务器的一种解决方案，通过实现主机与从机的网络连接，使主机保持工作状态，从机保持监视状态，这样一旦主机出现异常，从机能够在短时间内代替主机。

此外，由于各监测站保持相对独立，容易产生调度装置获取数据时其他监测站发送报警信息的情况，最终造成通信失败。为此，需要在程序内设置屏蔽软件，保证调度装置在获取数据的过程中，屏蔽软件能够将PLC调整为非报警状态，直至数据获取结束后，再由PLC发送相关报警信息，从而达到避免报警信息丢失，但未实现实时报警的目的[5]。

4 结论

通过对PLC在自来水监测系统中的应用开展深入分析，并以某地方自来水企业的供水调度系统作为研究对象，阐述了硬件设计路径以及软件设计路径，并提出系统的优化措施，以此充分发挥PLC的功能优势。在保证数据高效获取与处理的同时，实现现场设备的全过程动态监控，保证系统具有极强的抗干扰性，能够实现60 km的远程通信。