可编程控制器（PLC）监控 数传电台 通讯接口 工控机 MCGS组态软件
一、概述
某自来水厂控制系统由分布在十几公里内5个深井取水泵站、储水池、用户管网组成。整个供水系统的高低落差达150米左右，由于供水系统的组成及地形结构的特殊性，过去人工监控，给生产管理、供水调度带来诸多不便。
实施了微机监控后，它能实时监测供水系统的主要工艺参数（如压力、liuliang、水位、电压、电流等），控制深井泵、监视泵机的运行状态，提供生产管理所需的报表、曲线、数据查询等功能。它的运行对供水系统的安全生产、科学调度有着重要的意义。
二、系统组成
微机监控系统采用主从结构、分布式无线实时监控方式（简称SCADA），如图1所示。
系统主要由监控中心、无线通信系统、现场监控终端、传感器及仪表四部分组成。
监控中心：由微机、MCGS组态软件，无线数传电台、全向天线、模拟屏及UPS组成，主要完成各现场终端数据的实时采集、监测、控制、数据存储、打印报表、数据查询等功能。
无线通信系统：监控中心与各泵站终端之间采用无线方式通讯。监控中心为主动站，其它终端副站为被动从站，该系统采用无线电管理委员会给定的数据频率，以一点对多点的方式与从站通讯，监控中心为全向天线，各副站为定向天线。
现场监控终端：核心为PLC，是一个智能设备，它有自己的CPU和控制软件，主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制等功能，并通过无线信道与监控中心微机进行数据通信。根据监控中心的命令分别完成系统自检、数据传送、控制输出等任务。
传感器及仪表：是PLC监测现场信号的“眼睛”，现场所有信号都需经过传感器及仪表的转换，才能输出标准信号，被PLC终端所接受。系统主要测量电压、电流、液位、压力、liuliang及耗电量等参数。
水源井输水泵的控制
l手动控制。操作员根据清水池液位对输水泵进行启动和停止操作。
l自动控制。PLC根据清水池液位及各输水泵起动水位和停止水位，对处于自动方式的输水泵进行启动和停止操作。
三、现场PLC终端
现场PLC监控终端是工业现场与监控中心之间的桥梁纽带，一方面它采集现场仪表、变送器、设备运行状态等信号，另一方面它又与监控中心通讯，执行有关命令。现场终端一般无人值守。终端机的性能和质量对系统的可靠性影响很大。经充分论证，选用西门子S7-200系列PLC作现场终端具有较高的性能价格比，它具有体积小、易扩展、性能优等特点，非常适合小规模的现场监控。
1、PLC硬件设计
现场某一终端需测控开关输入信号，开关输出信号路，模拟量输入信号。我们选用S7-212基本单元，模拟输入扩展单元（EM231），模拟输出扩展单元（EM232）。满足现场要求。
2、通讯接口
从站中PLC与电台通讯：S7-214PLC基本单元提供一个RS-485接口，为了与无线信道的数传机（电源、数传电台）相连，我们专门设计了RS-485接口的专用Modem，并采用光电隔离技术，使二者在电气上完全独立，避免相互干扰，由于数传机发射时需要RTS信号，而RS-485接口又不提供RTS信号，解决这个问题有两处方法。其一，由无线Modem根据PLC的发射信息产生RTS信号，这就要求该Modem必须智能化，PLC在发送信息之前需先与Modem通信，让其输出RTS信号，并回送RTS已产生信息，PLC再发送现场信息。其二，采用PLC的某一I/O输出点，产生RTS信号，由PLC在发送信息前现接通该点，控制数传机发射，延时一段时间后（电台建立载波时间），再发送信息。后一种方法简单、实用，较好的解决了无线通信的接口问题。
主控室的PLC与工控机的通讯：因为主控室的PLC要和数传电台通讯又要和上位机（工控机）通讯，主控室的PLC选用两端口的S7-216基本单元，其中一端口与数传电台通讯，另一端口直接用西门子的PPI电缆和上位机通讯，上位用北京昆仑通态提供的MCGS组态软件进行组态和编程，对现场的水位等信号进行实时的监控和处理。
3、抗干扰设计
为tigao系统的可靠性，现场终端、数传机、PLC、直流温压电源及部分变送器装于一个控制柜内，各部分相对独立，便于维护。PLC开关量输入、输出与现场之间加继电器隔离，模拟信号采用信号隔离器和配电器隔离，电源采用隔离变压器供电，以减小电源“噪声”，系统设置良好的接地。
四、PLC软件设计
PLC终端软件采用梯形图语言编写，为tigao终端的抗干扰能力，软件设计中采用了数字滤波、故障自检、控制口令等措施，保证控制操作的正确性和可靠性。程序设计采用模块化、功能化结构，便于维护、扩展。终端软件主要由下列模块组成。
1、初始化程序：设定各寄存器、计数器、PLC工作模式、通信方式等参数初始值。
2、数据采集子程序：对各路模拟量数据采集、滤波、平均等处理。
3、累计运行时间子程序：对泵机等设备的运行时间进行累计。
4、遥信子程序：检测电机、阀门、报警开关等设备的运行状态。
5、置初值子程序：由监控中心对时间、电耗、liuliang等累计参数按用户的要求设定初始值。
6、故障自检子程序：检测PLC的故障信息、校验信息，并发往监控中心。
7、控制子程序：根据监控中心的命令，或现场自控条件输出相应的操作。
8、通讯子程序；完成与监控中心的各种通信功能。
通讯程序中，接收命令和发送命令采用中断处理，通过ATCH指令使中断事件8在接收不同特征命令下执行不同的程序。对串行通信的超时限制则通过设定内部定时中断来控制，其事件号为10，定时时间由SMB34的值确定。为减少通信的误码，采用偶校验及异或双重校验措施。
五、结束语
本系统在软、硬件方面采取了多种措施，特别是现场终端选用了S7-200PLC，tigao了系统的可靠性，在自来水厂自动控制系统取得了较好的应用效果。PLC基于SCADA系统能充分满足对水厂控制系统的要求，对水厂的安全运行、tigao供水质量、节能降耗、优化管理等方面起到了至关重要的作用。本系统将无线通讯与S7-200PLC有机的结合，解决了现场分布较散、距离较远、范围较大的系统监控问题，在供水、供电、供气、油田、气象、水文水利等部门有较好的应用前景。
工程概述：
该项目是为某热电除氧给水系统提供控制系统.主要用于热电厂所有除氧器以及给水系统的控制.该系统负责向全厂汽轮机提供发电用水.
原系统为传统的仪控系统,使用仪表盘柜进行控制.上海西门子工业自动化有限公司负责为对原系统进行彻底改造,并扩充和加强控制功能。.承接的工程范围包括：硬件供货，系统集成，现场调试,客户培训等。
控制对象：
控制现场设备(泵、阀门等)的开、关、停、运转;电动阀门的开启、关闭;关键设备(如泵)的连锁;除氧器的水位控制等;来实现除氧给水系统的控制自动化和可视化。
系统配置：
采用 SIEMENS公司先进的SIMATIC S7 417H冗余系统作为全厂的自动化系统硬件平台。整个系统由2套S7400H现场控制器,1个事件记录站，2台操作员站,和1台工程师站组成。PLC和上位机的通讯为SIEMENS的PROFIBUS 现场总线.
某电厂除氧给水控制系统如图所示:
系统功能：
SIMATIC STEP 7拥有良好的用户界面及强大而丰富的编程工具，能大大节省系统编程 组态的时间和费用。
系统的所有硬件都基于统一的硬件平台,所有软件也都全部集成在 SIMATIC 程序管理器下, 具有同样统一的软件平台。
系统大量采用了新技术,在网络配置上使用标准的PROFIBUS以及PROFIBUS DP 网络。
控制器采用SIEMENS的S7417H冗余控制器,使用先进的事件冗余,使系统的冗余达到可无扰 切换的佳性能.
两对冗余控制器和上位机之间采用冗余的PROFIBUS光纤环网进行通讯,确保网络在任意一点的断开都不会影响网络的正常工作.由于使用光纤网络,增强了系统通讯的抗干扰能力.
上位机采用SIEMENS的专用SCADA系统WinCC作为人机接口,WinCC和PLC间的通讯为冗余,任何一台控制器停机都不会影响上位机的监控功能,并实现无扰切换.
ET200M分布式I/O卡件和控制器之间使用冗余的PRFIBUS-DP网络,任何一个控制器的停机或I/O接口卡件的损坏都不会影响系统对I/O的访问.
两对冗余控制器之间的通讯也采用了冗余的通讯方式,任何1个控制器或通讯卡件的停机都不会影响通讯的正常运行.
系统实现了对所有相关设备的启停监视,并配以相应的报表功能,使系统状况一目了然.
使用事件记录系统,使重要的报警故障得以jingque记录.
系统开放性强，使用OPC或ODBC技术使系统很容易连接到企业管理网，可与常见的办公软件进行数据交换，可大幅度地降低工程设计，维护费用。
由于广泛地采取了冗余技术,使系统的可靠性得到了充分保证.
水电厂(站)技术供水系统是各种机电运行设备主要如水轮发电机组、水冷变压器等的辅助设备。技术供水的主要任务是为了运行设备的冷却和润滑，供水对象如发电机冷却器或发电机内冷用水、推力轴承冷却器、上或下导轴承冷却器、水导轴承冷却和润滑用水、水冷变等，有时也用作如高水头水电站主阀的操作能源。技术供水由水源、管道和控制器件等组成，根据用水设备的技术要求，应能保证一定水量、水压和水质。技术供水系统是保证水电厂(站)安全、经济运行不可缺少的组成部分。
某大型水力发电厂采用水泵直接供水方式，设备配置方式为单元供水，每台机组都设一套供水系统，有四台供水泵，三台工作，一台冗余，工作水泵随水轮发电主机组的开停而开停。考虑到㈠水电厂(站)环境及未运行水力发电机组温度较低；㈡水轮发电机组启动过程中①无定子绕组损耗、②无铁损耗、③无高次谐波附加损耗；㈢水轮发电机未投励前无励磁损耗；㈣技术供水系统水泵用异步电动机起动电流很大，不宜多台起动；㈤水轮发电机组启动时间与产生热量递增关系，及供水水泵用异步电动机起动时间等问题。决定水轮发电机组启动时技术供水系统水泵电动机n1#、n2#、n3#按顺序依次起动，时间间隔取90秒。下面给出S7-200PLC输入输出信号分配表如下，利用S7-200移位寄存器指令来编写顺序控制程序。
主程序·OB1·
LD I0.0
= Q0.0
LD SM0.1
XORB VB20，VB20
LD I0.0
S M0.0，1
LD M0.0
CALL SBR_0
LD SM0.0
MOVW AIW0，VW0
MOVW constant，VW2
*I +0.75，VW2
LDW≤ VW0，VW2
= Q0.4
LD I0.1
R M0.0，1
R V20.0，4
R Q0.1，4
= Q0.5
子程序·SBR_0·
LDN T37
TON 37，+900
LD I0.0
EU
O T37
SHRB M0.0，V20.0，4
LD V20.0
S Q0.1，1
LD V20.1
S Q0.2，1
LD V20.2
S Q0.3，1
LD V20.3
CRET
后对此程序作一简要说明：水轮发电机组获得开机指令后，使控制技术供水系统用S7-200PLC的I0.0置1，Q0.0=1打开冷却供水总管阀门。在PLC个扫描周期内进行初始化，VB20清零，把模拟中间继电器的内部标志位存储器M0.0置1，之后调用子程序SBR_0，起动90秒定时器，移位寄存器每90秒移位一次，次移位后，V20.0=1，Q0.1=1，台水泵电动机组起动；第二次移位后，V20.1=1，Q0.2=1，第二台水泵电动机组起动；第三次移位后，V20.2=1，Q0.3=1，第三台水泵电动机组起动；第四次移位后，V20.3=1，返回主程序，把技术供水总管水liuliang实际值从AIW0传送至存储单元VW0，再传送供水总管水liuliang额定值至VW2并取其0.75倍，若供水水liuliang实际值不足额定值的0.75倍，Q0.4=1，第四台备用水泵电动机组起动（注意要定期轮换担负备用任务，保证一年中各泵总工时大致相等）。收到水轮发电机组停机复归信号后，M0.0复位，V20.0、V20.1、V20.2、V20.3复位，Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4复位，供水水泵全停，冷却供水总管阀门关闭。
电解工业盐水是获得氯气、氢气和烧碱等工业原料的主要方法之一，其生产过程是通过整流机组输出大电流到电解槽，使工业盐水发生电离，从而产生氯气、烧碱和氢气等产品。由于电解工业盐水是一个连续而又复杂的生产过程，整流机组直流电流的输出对生产有着至关重要的作用，一旦整流机组出现问题，就可能损坏电解槽和其他相关的设备。为此，对整流机组的控制提出了可靠性高、稳定性强、容错能力好的要求，并应尽可能的减少整流设备和整流变压器出现故障的可能性。
作者通过分析用户的需求和目前工业生产领域中广泛采用的高可靠性系统，也对比了国内外的PLC生产厂家，如ABB，AB，Schneider和Siemens，终选用了西门子公司生产的具有冗余功能的S7-414H系统。
2、 控制器性能及控制系统构成
2.1 S7-414H控制器性能
S7-414H可编程控制器是西门子公司推出的一种具有高可用性和冗余结构的PLC系统，是一种智能化和分布性都达到了水平的可编程控制器。该控制器在控制、调节以及获取和准备过程数据的全部功能中都起着重要的作用。S7-414H系统中的主要元件均采用了双重冗余结构设计，大限度的满足用户对可靠性的要求，其系统构成结构简图如下图1所示：
图1具有冗余功能的S7-414H系统结构图
从上图可以看出，为了保证系统的可靠性，S7-414H系统的主要部件包括电源模块（PS）、CPU模块、通讯模块（CP）、通讯网络（BUS）和通讯接口模块（IM153-2）均采用了冗余结构，如果对可靠性要求更高的话，可以将信号模块（SM）也设计成冗余结构，由此就可以更大程度的保证系统稳定运行。当系统中的某个元件或通讯网络发生故障时，系统均能正常运行，不影响正常的生产。S7-414H冗余系统是一个复杂系统，构建一个基本简单的冗余系统主站需要如下的典型配置：
2.2烧碱装置控制系统构成
烧碱装置控制系统主要是对电解槽的送电系统及辅助设备进行控制和保护，其控制设备包括4台整流机组系统、4台整流变压器系统、4套纯水冷却系统以及4套直流刀开关系统，完成的控制功能包括直流刀开关状态监视和远程操作、直流电流远程设定和监视、整流变压器和整流机组保护信号采集、报警和故障跳闸，纯水冷却系统的参数采集和处理，并且通过工业以太网，将重要的数据送入计算机进行显示、保存和打印。控制系统的网络原理如图2所示：
图2烧碱装置控制原理图
从上图可以看出，控制系统分为三个层次，即现场层、控制层和管理层。
现场层为分布在4个整流机组控制柜内的ET200M，由于主站为S7-414H冗余系统，ET200M必须配置成可带电热插拔（即ActiveBus）的子系统每个子站必须配置两块IM153-2 DP接口模块，其每个子站典型配置如下所示：
每个ET200M子站分别采集各自的变压器保护信号、整流机组保护信号、纯水冷却器保护信号和直流刀开关信号及其他的保护信号，但不能进行控制和计算处理。
控制层中冗余的S7-414HPLC通过大传输速率为12MB/s的ProfibusDP现场总线对ET200M的信号进行采集处理，完成控制和保护功能，并且通过工业以太网模块CP443-1上传必要的数据。CP443-1通讯模块是西门子公司S7-400系列PLC中的工业以太网通讯模块，其支持TCP/IP、ISO协议。对于S7-414H系统，为了保证上位机与PLC通讯的可靠性，对CP443-1仅推荐ISO通讯协议，也就是说只设置MAC地址，而屏蔽掉IP地址。
管理层主要是对设备的重要参数进行显示、保存和打印，共配置有三台工业控制计算机。其中两台计算机配置有CP1613智能网卡，并且运行有Wincc监控软件和Wincc冗余选项，双方互为备用，任何一台发生问题均不影响系统的正常运行。工艺室的计算机与冗余计算机则以Server/Client的方式浏览数据和参与控制。
2.3 监控计算机的配置与组态
监控计算机为现场设备的运行参数、运行状态和历史数据的显示、保存和打印提供了一个形象的平台，极大地方便了用户的操作和维护。对于每台与S7-414HPLC通讯的监控计算机，都需要进行必要的设置，其主要包括PC站（PCStation）的配置和Wincc监控画面的组态，冗余计算机所需要的软件列表如下：
为了使每台监控计算机与S7-414H冗余PLC中的任何一个CPU都能通讯，就必须配置PCStation，通过PCStation中的Application选项，Wincc可以从PLC中读取现场数据。在实际运行中，如果两个CPU中的一个发生故障问题，Wincc必须能够自动的切换到完好的CPU上，恢复正常的数据通讯，监控计算机必须配置SimaticNet Redconnect选项软件。PC Station的配置步骤包括：
（1）、在Step7中插入PCStation，并且打开Configuration（注意：将PCStation同H系统项目放在同一Project下）；
（2）、在HWConfig中，按照Station ConfigurationEditor的内容配置PC站，必须要插入的为Application选项和CP1613网卡；
（3）、配置CP1613网卡为专用网卡且配置上MAC地址，无需配置IP地址（注意：CP1613可以作为普通网卡，也可以作为专用网卡，其中普通网卡的驱动程序为mp1613.inf，专用网卡的驱动程序为WDM1613.inf，这里用专用网卡驱动）；
（4）、编译并且下载PCStation；
（5）、选择step7中Options→Configure Network，打开Netpro进行网络连接配置窗口；
（6）、按照图3所示的步骤配置连接；
（7）、将如上配置的连接分别下载到计算机和PLC中。
Wincc监控画面的组态主要是要设置好与HPLC连接问题。由于监控计算机安装有CP1613网卡并且为专用网卡，不能采用平常使用的TCP/IP连接或ISO连接，对于H系统的连接，推荐采用的是SimaticS7 Protocol Suite中的NamedConnections连接，由此，仅需要定义一套与PLC连接的变量，当PLC系统出现问题时，系统会自动切换到完好的PLC上继续通讯。其建立连接的方法如下：
（1）、右击“NamedConnections”，选择“New Driver Connection…”；
（2）、系统弹出“ConnectionProperties”，选中“Properties”按钮；
图3 PC Station与HPLC连接配置图
（3）、设置成如图4所示的参数，即可。
图4Wincc与Application连接的建立
2.4控制系统主要监控画面
为了方便用户对现场设备运行情况的了解以及解决四台整流机组运行参数的设定和修改，设计了如下的画面系统，用于实现方便、快捷和实时监控的功能。
图5整流机组监控总画面
图6高压送电系统监控画面
3、 结束语
通过使用S7-414H冗余系统和Wincc监控软件，不但tigao系统工作的可靠性，减轻了员工的劳动强度，极大提供了企业管理水平，减少了查找设备故障点和发生系统故障的时间。