基于PLC的实时测量技术在远程污水监控系统中的应用

随着计算机控制技术的不断发展，可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）的功能越来越强大，不仅具有各种各样的控制功能，还具有与其他计算机通信联网的功能。与之相应，PLC的应用也日益普及，不仅被广泛应用于传统的逻辑控制[1]、PID控制[2]和变频调速[3]等领域，还逐渐被用于数据采集、环境监控等领域。
　本文介绍的分布式远程污水监控系统采用分布式的构建方案，利用基于西门子PLC的实时测量技术对各污水排放点的排污流量、管道压力等参数进行采集、监测，以达到分散连接、集中监控的目的。西门子PLC的I/O接口多，兼具模拟量、数字量和串行通信这几类接口，扩展模块丰富；能工作于恶劣环境，故障率低、寿命长，非常适合在工业环境下使用。所以系统以西门子S7-200 PLC、传感器和智能检测仪表作为下层基本测量单元，将各个污水监控点的测量数据经过PLC初步处理后，按照自由口通信方式打包传送给基于ARM9的嵌入式数据采集模块进行汇总和存储，然后再通过以太网送给本地机上层应用软件进行显示。整个下层测量单元相当于一个结构灵活可变、功能多样的智能仪表子系统，PLC相当于这个子系统的通信接口。可以根据不同的测量需要对下层测量单元的硬件结构和测量功能进行适当改变，使整个系统具有很大的灵活性，稍作修改即可用于其他监控系统。
1 分布式系统结构
系统的分布式结构示意图如图1所示。当系统启动或复位后，各排污点的下层测量单元开始定时采样、上传数据；嵌入式模块接收到PLC传来数据后，存入自身的数据库中并判断是否要触发报警设备，同时将数据定时传给上位机。这些实时监控数据最后均汇总到网络服务器上，从而使整个系统构成了分布式的监控结构体系，主管部门只要通过应用软件的人机交互界面就可在各自办公位置对排污点的各项指标数据有一个准确的了解，进而达到对分布区域广泛的各个排污点运行情况进行集中监控的目的。

嵌入式数据采集模块上的每个串口可连接多达253个不同速率和协议的设备，因此为了降低成本，将距离较近的排污点测量单元通过一个串口集中管理器后接在同一个嵌入式数据采集模块上。在PLC程序中设置好与上位机通信时所需的PLC站号后，嵌入式数据采集模块就可通过轮巡的检测方式接收各测量单元传来的数据。但是实际中同一嵌入式数据采集模块上所接的下层测量单元不应过多，因为这会造成轮巡一次的时间过长，影响报警的实时性。
2 PLC下层测量单元硬件设计
根据实际情况只需对各排污点的管道压力、污水瞬时流量、污水总流量、红外线人体探头的开关状态和供电的开关状态进行监测。其中管道压力由水压传感器测量，其测量数据为4~20 mA的模拟量；红外线人体探头的开关状态和供电的开关状态由PLC测量，其测量数据为数字量；污水瞬时流量和总流量由基于HART协议的智能电磁流量计测量，其测量数据通过串行通信传送给PLC。由于PLC还要将处理后的数据传送给嵌入式数据采集模块，这需要占用一个串行通信口，所以系统选用带有2个RS-485串行通信口的西门子S7-200 224XP型PLC。根据西门子224XP PLC的硬件资源，基于PLC的下层基本测量单元硬件连接图如图2所示。

如图2所示，红外线人体探头和供电开关分别接到PLC的数字量输入口I0.0和I0.1上；水压传感器接在PLC上的模拟量输入口0(AIW0)上；PLC的通信口0通过屏蔽双绞线与嵌入式数据采集模块的RS-485接口相连；电磁流量计需要经过基于HART协议的调制解调器后才能接到PLC的串口上。系统中采用的调制解调器一端带有4~20 mA的模拟传输线路(如电话线)接口，一端带有RS-232接口，因此还需在调制解调器串口端再接一个RS-232转RS-485模块后才能接到PLC的通信口1上。HART协议是半双工协议，同一时间内调制解调器只能处于调制或解调的工作状态，所以需要通过PLC产生高低电平来进行控制，故将PLC的Q0.1口接到调制解调器的工作状态控制端上。当PLC输出高电平时，处于调制工作状态；当输出低电平时，处于解调工作状态。
3 PLC下层测量单元软件设计
　根据PLC在系统中的作用，PLC程序应具有定时采集数据并通过自由口通信方式发送到上位机、自动报警、自动向上位机发送保持连接信号等功能。另外还要能响应上位机的数据补调命令，返回相应数值；响应上位机的参数修改命令，修正PLC的系统时间等。
　整个PLC程序采用模块化设计，将完成某一功能的代码段编写为子程序，设置入口参数和出口参数，当需要完成这项功能时，只需设置合适的参数并在程序中直接调用即可。这样可缩短程序的长度，便于程序的修改和移植。整个PLC程序是由主程序、子程序和中断程序3部分组成，每个功能模块程序包含若干子程序和中断程序，下面分别介绍。