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基于MPI网络的自来水厂分布式监控系统
摘要：一种自来水厂分布式监控系统的设计。该系统的主、从站PLC之间采用MPI网络通信，具有运行可靠、性能价格比高的特点，适用于中小规模的分布式监控场合。目前，应用于各种领域和场合的计算机分布式监控系统种类繁多，设计方法和构成方式各不相同，但共同的目标都是朝着高效、可靠和通用方向发展。此外，所设计的监控系统应具有较高的性能价格比也是业内人士的共识。笔者根据多年的开发经验，设计了一种性能价格比较高的适用于中小型的分布式数据采集与监控，运行效果良好。
1 监控系统的构成
某自来水厂按功能分为两部分，一部分是水源地；另一部分是水厂区，二者距离 900m。水源地的任务是通过三台深井泵对水厂区的蓄水池进行供水；而水厂区的任务是对水池的水进行消毒处理后，通过加压泵向市区管路进行恒压供水。
整个监控系统由位于水厂区的上位PC机、主站PLC和水源地的三个从站PLC构成（见图1）。上位PC机通过CP5611MPI卡与主站PLC完成整个系统的现场数据检测、数据处理及计量等工作。主站PLC完成两方面任务，一是水厂区现场数据的采集及市区恒压供水的控制；二是与水源地的三个从站进行通信，完成水源地现场数据的采集与深井泵的控制。
监控系统的主站和从站PLC都选用西门子S7系列产品。该产品在工程领域应用广泛，尤其是有较强的是有较强的组网能力。S7系列PLC通常有四种组网方式：点对点、MPI多点网络、PROFIBUS和工业以太网。其中PROFIBUS现场总线的应用目前较为普遍，它有较好的通用性，速度达12Mbps，距离达28.5km，相关应用著作也较多。而其它方式如工业以太网方式对硬件要求较高；点对点的速度太慢，都不适合本监控系统。相对而言，MPI网络速度可达187.5Mbps；通过一级中继器可达距离1km。根据水厂的具体情况，我们最后确定了以MPI方式组成网络，主站CPU为S7-300系列的CPU312IFM；从站为S7-200系列的CPU222.这样既满足了系统要求，又相对于PROFIBUS网络节省了三分之一的开销，更重要的是为中小规模场合的分布式监控系统的设计提供了一种较高性能价格比的设计方法。至于中继器的选择，由于PLC的物理层采用RS485接口，
所以有很多相关的第三方产品支持。从中我们选用一种带防雷保护的中继器，使系统的安全运行得到了保障。
2 主部PLC控制原理
主站PLC有三个任务：
（1）水厂现场数据采集；
（2）供水管恒压力控制；
（3）水源地数据采集及深井泵远程控制。
以CPU312IMF为核心的主站控制电路如图2所示。
首先，水厂现场数据有7路模拟量，我们选择的AI/AO扩展模块为SM334，它包括4路模拟量输入和2路模拟量输出。为降低成本，我们用2片CD4066模拟开关进行扩展，构成8路AI输入。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编程较易实现。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。
表1 水厂区模拟量数据
其次，对水厂加压泵的控制采取变频调速技术，以供水母管压力为被控量，实现恒压力控制。水厂加压泵有P1和P2两台，在恒压力控制过程中，根据市政区用水流量的大小变化，PLC要通过数字输出端口Q124.0～3控制两台泵的工作状态。两台加压泵共有5种工作状态，如表2所示。
表2 P1和P2水泵的工作状态
5种工作状态的相互转换如图3所示。当然，实际PLC编程时，要根据水泵的工作特点，应利用定时器加入适当的延时，在我们设计的系统中，欠压加泵延时为90秒；超压减泵延时为60秒。
供水压力闭环控
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