西门子模块6ES7211-0AA23-0XB0一级代理
日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。某公司住宅区由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达住宅的较高楼层。要用水泵将水送至楼顶的高位水箱，再供应给用户。这种二次供水方式不可避免造成污染，影响居民的身体健康。为保证小区的供水正常，我们利用PLC，配以不同功能的传感器，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40％。结合使用可编程控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。
1 系统设计
(1)原理
系统采用3台水泵并联运行方式，压力传感器将主水管网水压变换为电信号，经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下稳定运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力稳定时，PLC给定的压力下限信号与变频器的高速信号被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，将下一台备用泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，再将一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，表现为变频器已工作在低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC将先工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述2个信号仍存在时，PLC再停掉第2台工频运行的电机，直到后一台泵用变频器恒压供水。
所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现带载软启动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死，这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。
(2)系统硬件
系统选用了西门子公司的S7-214PLC，辅以输入/输出扩展模块组成，主要检测元件有光电开关、压力检测开关，共计12个输入信号。执行部件有电机、变频调速器、声光报警器等，共3个输出点。PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器完成压力调节等功能。3台水泵由变频器直接驱动，进行恒压控制，变频器的起动、停止分为手动和PLC控制。控制面板上设有一个手动/自动转换开关，PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时，PLC只进行检测报警，由人工通过面板上的按钮和开关进行水泵的起、停和切换。当选择自动功能时，所有控制、报警均由PLC完成。控制系统原理图如图1所示。
2 系统软件
为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。
(1)手动运行模块
当系统处于手动运行时，PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按钮和开关来实现。
(2)自动运行模块
自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。模块流程图如图2所示。其中：数据采集子程序完成对主水管压力的数据采集。
控制量运算子程序完成变频器控制量的计算和控制量的输出，其中控制量的计算按PID控制规律进行。
电机控制子程序完成对3台水泵的运行和停止控制。由于变频器的输出频率与水泵的运转速度直接相关，用水量大时，变频器输出频率升高，水泵的运转速度大；用水量小时，频率降低，水泵的运转速度小。程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵的工作状态。当频率上升到50Hz(即水泵全速运转时)仍不能满足供水需要时，则PLC自动将台泵切换到工频运行；第2台泵由变频器供电投入运行，如果第2台泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则PLC自动将第2台泵切换到工频运行，第3台泵由变频器供电投入运行，依此规律逐个投入运行；当2台泵都处于工频全速运行方式，第3台泵处于变频运行工作方式时，如果此时用水量减小，变频器输出频率下降，当频率到达一定的下限Fmin时，供水量仍大于用水量，则系统自动将第三台泵停止运行。同样，第三台泵停机后，如果此时供水量还大于用水量，则系统自动将第二台泵停止运行，依此类推。程序功能图如图3所示。
(3)故障诊断和报警输出模块
变频器具有短路、过载等保护功能，当变频器所驱动的水泵电机发生短路、过载等故障时，变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号。系统把各故障点相应的接触器、断路器等元件的辅助触点接到PLC，PLC扫描输入这些触点的状态，并通过PLC程序将这些状态存放在数据存储区，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或元件是否出了故障，如果发生故障，则切断该泵的接触器，对变频器复位，再将备用水泵的接触器接通，启动变频器运行备用泵，输出该泵故障报警信号。如电机故障指示灯亮等。各I/O点对应的故障信息如表1所示，报警回路梯形图如图4所示。
3 结语
变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用PLC作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。S7-214PLC基本单元提供一个RS-485接口，可以与楼宇监控中心进行通讯，实现无人远程控制。系统经过一年试行检验，性能稳定，运行可靠，节能效果显著。
0 引言
可编程控制器简称PLC，已越来越广泛用于工业控制的各个领域。近年来，随着网络技术的不断发展GPRS以其在线、通信速度快、支持Internet数据分组业务、通信费用低（0.01分/k，也可包月或包年）等特点，被广泛用于各种网络无线遥控系统中。本文充分利用GPRS技术无线通信的优点，并结合PLC在工业控制上抗干扰性强的优势，给出了一个对海上的灯塔进行实时遥控系统的具体实现方案，并进行了实际系统的设计。
1 系统结构组成
基金项目：交通部伽利略计划专项基金（编号：200436422510）；交通部科技教育司资助
1.1 系统工作原理
PLC远程实时遥控系统在物理分布上由GPRS终端设备和中心服务软件组成，系统通过配置可以对多个设备进行状态和数据监控，也可以通过中心服务软件仅对单个终端设备进行远程调试和通信数据的应答和转发。
GPRS终端设备将采集的各种信息数据按照设定的协议发送到系统中心服务软件或用户监控手机上，系统中心服务软件判断收到的数据是监控数据还是调试转发数据，按照不同的要求将数据进行相应的处理，并根据设定的要求进行接收确认。系统中心服务软件也可以按照操作人员的要求配置参数，有选择的查询必要的终端设备信息。
当系统进行远程调试应用时，系统中心服务软件可以对PLC已知的应答软件进行自动在线保持，仅将关键数据进行远程传输到GPRS终端设备进行数据请求，GPRS终端设备对已经请求到的设备指令发送到系统中心服务软件，系统中心服务软件再通过串口转发给系统远程调试软件。其中，关键数据指令的交互周期和等待周期可以由系统软件配置。这既可以有效地节省数据通信的流量，又可以保证调试软件的稳定性。
1.2 系统结构组成
PLC实时遥控系统由系统用户监控中心、通信网络和终端设备组成，其系统结构拓扑图如图1所示。
图1 PLC实时遥控系统结构图
GPRS终端设备通过通信接口与现场PLC设备连接，它负责采集现场PLC设备的各种信息数据，并通过IP链路方式或GSM短信方式发送至系统监控中心或控制手机。将控制手机或系统中心服务软件发送过来的各种有效的控制指令和PLC远程调试关键数据发送给现场PLC设备。其组成包括GPRS通信模块、MCU处理模块及其他附属部件。
系统中心服务软件是整个系统的核心，其将来自GPRS终端设备的各种指令信息、数据转发给终端状态监控软件，接收来自终端状态软件的查询指令并发送给远程的GPRS终端设备。系统中心服务软件还可以按照预设的指令格式自动应答PLC远程调试软件的指令信息，也可以将PLC远程调试软件的关键请求指令按照预设的格式和频率发送给远程GPRS终端设备并将返回来的指令实时发送给PLC调试软件。
通信网络是GPRS网络和传统IP网络的融合，主要负责监控手机和系统服务中心软件与GPRS终端设备之间的数据交换工作。
2 GPRS终端设备设计
GPRS终端设备是与监控中心服务器进行业务、数据交互的接口，是系统数据采集和指令执行部分，完成将PLC工作状态的实时上传和接收来自监控中心的各种命令的执行工作。
2.1 系统终端硬件设计
GPRS终端硬件模块主要包括电源变换模块、GPRS通信模块、MCU微处理器模块、PLC控制模块和现场显示控制触摸屏。硬件结构图如图2所示。
图2 终端设备硬件结构组成
GPRS数据通信模块将从监控中心接收的数据送给MCU微处理器，MCU微处理器根据数据的类型进行相应的处理，对于需要转发给PLC的数据传输给PLC控制模块。MCU微处理器将从PLC控制模块中得到的数据进行相应的处理并由GPRS模块发送给监控中心。触摸屏实时监视系统和设备的运行状态，并可以进行现场设定设备运行的参数。由于GPRS终端设备不同的模块所需要的电源参数不同，需要利用电源变换模块将输入电源变换为不同的电压输入给相应的处理模块以满足其正常的工作。
2.2系统终端软件设计
在GPRS终端设备的软件设计中，主要是基于MCU微处理器的数据处理部分软件设计。
MCU微处理器主要完成接收来自监控中心的数据，并及时转发给PLC控制模块，将从PLC控制模块中返回的数据通过GPRS通信模块发送给监控中心。由于GPRS模块内部没有TCP/IP协议和PPP协议，GPRS终端设备在软件设计中嵌入了TCP/IP协议和PPP协议。在MCU处理器与PLC之间进行数据传输时，采用的是HOSTbbbb通信协议， MCU处理器作为主控制器， PLC作为从控制器。
MCU微处理器的软件结构模块如图3所示。
图3 MCU微处理器软件流程图
3 系统设计特点
3.1 应用配置简单方便
系统中心服务软件可以对每一种需要处理的语句只通过定义相应的参数（包括起始头，结束尾，转发时间）等都可以进行配置。对本地发送给该软件的语句也可以通过配置自适应进行应答。在GPRS终端设备上，用户同样可以控制对设备的访问，通信方式的自适应检测、切换和短信号码管理等功能。使用起来方便简单，一套系统完成多种系统的应用工作。
3.2 系统具有良好的扩展性。
基于GPRS网络的PLC实时遥控系统对用户来说具有极强的扩展性，可以仅通过参数的配置就可以实现多种应用系统的开发工作。
本系统在软件设计中还采用了软件设计中三层软件设计模式，其灵活的组件式配置和管理对未来系统业务功能的扩展和升级提供了方便，系统开发人员可以通过更换组件或扩展组件功能的方式得以实现，而对其他部分则没有任何的影响，有利于系统扩展应用。
3.3 系统安全可靠
在中心软件和终端设备上都进行操作权限、身份的鉴权和识别；对短信收发列表也采用了权限设置，对每一个号码都可以设置密码。在系统中心服务软件和GPRS终端设备之间系统封装了认证和通信指令协议，但对于用户来说是透明的链路传输，这可以有效的保障数据传输的可靠性。
3.4 短数据包通信
本系统中设计的数据通信包为500字节，当监控中心远程调试软件与PLC之间数据交换大于500字节时，需要分包发送。这样增加了监控中心与GPRS终端设备之间的信息交换次数，但保证了数据通信的可靠性。使用普通的MCU微处理器就可以运行一个精简的TCP/IP协议栈，节省了大量的系统资源。
3.5 自适应切换GPRS通信和GSM通信方式
GPRS终端设备可以通过短信或电话唤醒转入基于IP连接的工作模式，也可以在设定时间内无法连接到中心服务软件时自动转入短信工作状态。
4 系统运行结果
当GPRS终端设备与监控中心的系统中心服务软件连接后，就可以利用远程调试软件和终端状态监控软件实时查看和调试现场PLC设备的运行状态和结果了，十分方便，简单易行。图4显示了现场PLC设备与远程调试软件之间通过GPRS终端设备和系统中心服务软件之间进行数据交换的数据流。
图4 系统中心服务软件显示的现场PLC设备与远程调试软件之间的交换数据
5结论
本文详细讨论了基于GPRS网络技术的PLC远程调试技术应用于海上灯塔遥控系统硬件和软件的设计方案，并给出了数据传输实时性和可靠性关键问题的解决方法，通过应用GPRS无线通信技术，实现了PLC远程实时监控和调试。给工作人员对观察灯塔设备运行的工作状态带来了极大的方便，也十分有利于对灯塔设备的异地控制和维护。本文对远程数据传输以及其它无人值守的系统均有一定的实用价值和指导意义。
创新观点
（1）本文提出了在监控中心和终端系统之间的数据传输采用一种协议可控的透明传输的思想，提高了系统工作的效率和可靠性。
（2）移动终端中的通信模块内部嵌入了自己开发的TCP/IP网络通信协议，提高了通信可靠性、降低了TCP/IP连接时间。
引言
PLC（Programmable Controller,可编程控制器）是专门为工业自动控制而设计的一种控制装置，在工业自动化领域中得到了广泛的运用，其特点是抗干扰能力强、可靠性高、体积小、设计、使用和维护方便等.随着计算机技术、网络技术、通信技术的发展，自动化控制也逐步向智能化、网络化、远程化方向发展.为了适应市场的需要，PLC厂商都相继推出了具有网络通信能力的PLC及其相关产品。
SIEMENS s7—200系列PLC在各个行业中的运用均很普遍，而消防火灾报警及其处理系统对于保障发生火灾时人员生命和财产的安全具有十分重要的意义。目前国内利用PLC来实现消防报警及处理系统的控制还不十分广泛。本文结合实际，重点讨论了使用PLC来实现消防报警及处理系统的设计与应用。
2 消防报警及处理系统的硬件构成
系统的结构图如下所示：
图1消防报警及处理系统结构图
主要组成部件有：
1上水箱。2下水箱。3上水箱水位传感器。4下水箱水位传感器。5上水箱供水泵A。6上水箱供水泵B。7 下水箱供水阀。8声光报警器。9排烟风机。10烟感和温感传感器。11 喷淋泵。12 喷淋头。
本实例选用西门子公司的SIEMENS s7—200系列PLC，此系列的PLC具有结构紧凑、模块化、可扩展性强、指令集丰富等特点。所选用的CPU型号为CPU 224 可扩展7个模块，大达94DI/74DO,16AI/16AO（模拟量输入/模拟量输出）并且提供14个数字量输入和10个数字量输出。输入/输出接口电路均采用了光耦合电路，对外界接口具有很强的适应性。由于使用了电动调节阀，还扩展了一个EM 232模拟量输出模块。该模块具有2路模拟量输出，电流输出量程为0～20mA，电流全量程分辨率为11位，25°C时的精度为±0.25% ，稳定时间为2ms。可满足比较复杂的控制系统的要求。
3 系统所要实现的功能描述如下：
当系统上电后，烟感报警器或者温感报警器发出信号后，系统进入运行状态。
（1） plc控制打开喷淋泵，并计时10s。如果10s计时结束后，喷淋管道内没有水流产生（水流传感器的水流信号）。关闭喷淋泵，并打开喷淋泵的工作故障灯，等待工作人员检修。
（2） plc控制打开排烟风机，当高温传感器发出高温信号时，说明此时火灾建筑物内不可能存在人员幸存，如果保持排风机开启只能增加火力，需要关闭排烟风机。
（3）当上水箱处于低水位时说明需要进行补水，开启喷淋泵。喷淋泵的开启规则为：A，B泵交替开启。当上水箱达到高水位时关闭喷淋泵。其间打开A，B任何泵时都进行10s的计时，如果计时时间到，补水管仍没有水流产生（水流传感器的水流信号）时，说明水泵故障，此时打开A泵（或B泵）故障指示灯，并切换到B泵（A泵），进行计时，如果10s后无水流感应，打开本水泵的故障指示灯,切换到一个泵,如此循环。
（4）当下水箱水位为低时开启下水箱补水阀，计时10s。如果计时时间到，且下水箱补水水流指示无信号时开启下水箱补水阀故障指示。当下水箱水位为高时停止补水。
以上四步为并行。当上水箱和下水箱的水位均为满时按下复位按钮，系统回到初始状态。
4 系统的SFC图如下图所示：
图2 消防报警及处理系统的SFC图
PLC输入/输出对应的控制量如下表所示：
表1 PLC输入/输出配置表
5 PLC程序设计
程序采用梯形图的形式，它沿用了继电器的触点和线圈等符号，图形表示易于理解。部分梯形图程序如下： （由于篇幅限制，完整程序无法给出，需要者可向作者索取）
程序所涉及的I/O和内部变量如下表所示：
表2 PLC的I/O和内部变量表
控制过程如下：
I0.6开→Q0.6，Q0.7,Q1.0亮（10秒后）→Q1.0灭→Q1.1亮→Q0.6，Q0.7亮 若I0.4开→Q0.6亮→Q0.7亮→Q1.1亮。若I0.6,I0.1开→Q0.6亮→Q0.7亮→Q0.0亮（10秒后）→Q0.0灭→Q0.1亮→Q0.2亮（10秒后）→Q0.1灭→Q0.2灭→Q0.1亮→Q0.3亮（10秒后）→Q0.1灭→Q0.3灭（如此循环）。若I0.6,I0.3亮→Q0.6亮→Q0.7亮→Q0.4亮（10秒后）→Q0.6亮→Q0.7灭→Q0.5亮→Q0.4灭。若I0.6开→Q0.6亮→Q0.7亮→Q1.0亮，若I0.7开→Q0.7灭。
因为消防报警及处理系统关系着公司人员生命和财产的安全，该PLC控制系统采取了一系列的硬件和软件抗干扰措施。如：电源的抗干扰设计采用使用隔离变压器对于抑制电网中的干扰信号具有较好的效果。软件抗干扰方面采用数字滤波和软件容错技术等经济有效的方法，提高了本系统的可靠性。
6 结束语
本文作者创新点在于将PLC应用到消防报警及处理的控制系统中。本系统在某区级市政公司进行了应用，取得了良好的实际效果，产生经济效益约80余万元，且安全性能良好。实践证明， 以PLC为核心构造消防报警及处理控制系统，是一种简单有效、成本低廉的解决方案，具有较高的可靠性、灵活性和经济适用性。