基于Simatic S7-300和PROFIBUS總線實(shí)現(xiàn)李家岸水文監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、引言

李家岸引黃涵閘是黃河下游的一座大型自流引水閘，該引黃閘位于齊河縣晏城鎮(zhèn)李家岸村，相應(yīng)臨黃堤左岸樁號(hào)123+210，三連九孔，鋼筋混凝土箱式涵洞結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土平板閘門，9臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)型號(hào)QPQ，啟閉能力1×80，設(shè)計(jì)引水流量100m3/s，設(shè)計(jì)引水水位26.72m，設(shè)計(jì)灌溉面積267萬(wàn)畝。為了解決引黃渠的水文狀況的及時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)一管理的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了李家岸水文監(jiān)控管理系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李家岸水文監(jiān)控管理系統(tǒng)是一套集現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、現(xiàn)場(chǎng)控制單元、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、上位監(jiān)控管理及遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的現(xiàn)代化綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主站采用Siemens的Simatic S7-300，主要完成與下位采集單元、上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)及遠(yuǎn)程上級(jí)管理單位進(jìn)行有線及無(wú)線的通訊任務(wù)。主控制器采用雙通訊口的S7-200系列PLC的CPU-226，作為終端采集單元及控制器，配合各種檢測(cè)設(shè)備對(duì)各個(gè)檢測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。為了保證控制的可靠性，與上級(jí)中心PLC通訊選用Profibus-DP擴(kuò)展模塊EM277，采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議進(jìn)行閘房與控制室之間的通訊。為了增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)單元的信息導(dǎo)出，在現(xiàn)場(chǎng)使用了SIEMENS公司的TD200液晶觸摸顯示屏。

系統(tǒng)采用西門子WINCC5.1作為上位監(jiān)控軟件。主要完成實(shí)時(shí)監(jiān)控，參數(shù)的修改，報(bào)警記錄及各個(gè)單元的數(shù)據(jù)采集、匯總，生成報(bào)表等功能。上位監(jiān)控系統(tǒng)有5部分組成。閘門監(jiān)控畫面作為主畫面模擬顯示涵閘概貌及各個(gè)閘門的啟閉狀況和實(shí)時(shí)高度。數(shù)據(jù)歸檔畫面主要表格及曲線的形式顯示從下位單元采集上來(lái)的數(shù)據(jù)，具有實(shí)時(shí)及歷史曲線打印和歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，歷史數(shù)據(jù)的時(shí)間段在三個(gè)月內(nèi)可自由選擇。報(bào)表打印畫面能夠按照完成統(tǒng)一要求的格式進(jìn)行歷史及在線的數(shù)據(jù)報(bào)表及曲線打印，對(duì)于報(bào)警信息可實(shí)現(xiàn)在線打印。報(bào)警畫面可以提供最近一千次的報(bào)警信息內(nèi)容查詢，包括報(bào)警時(shí)間、故障地點(diǎn)及部分故障原因。此外在該系統(tǒng)中報(bào)警信息條及操作權(quán)限信息及更改按鈕貫穿于每個(gè)操作界面，使操作員在每個(gè)畫面操作時(shí)，都不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何重要信息。操作權(quán)限可根據(jù)操作員身份的不同而設(shè)定，并可以在在線狀態(tài)下修改個(gè)人密碼，工程師應(yīng)具有最高權(quán)限。此系統(tǒng)可以用日期、時(shí)間、操作員姓名以及新舊數(shù)據(jù)之間的比較來(lái)記錄系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的操作過(guò)程。

WinCC集成的視頻監(jiān)視功能為在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了可能，通過(guò)視頻采集卡監(jiān)控畫面可以嵌入監(jiān)控界面，為統(tǒng)一的管理提供了方便。此外，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行視頻采集，可以充分利用大硬盤的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行硬盤錄像，可以長(zhǎng)時(shí)間的保存影像資料。

3、現(xiàn)場(chǎng)總線在系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 關(guān)于Profibus總線

Profibus是Process Fieldbus的縮寫，是一種已經(jīng)轉(zhuǎn)化為中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T20540-2006 PROFIBUS規(guī)范）的國(guó)際性的開放式的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，目前世界上許多自動(dòng)化生產(chǎn)廠家都為它們生產(chǎn)的設(shè)備提供PROFIBUS接口，廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力、等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為： PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個(gè)兼容版本。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

Profibus-DP采用RS-485進(jìn)行傳輸，通常稱為H2，采用屏蔽雙絞銅線電纜，共用一根導(dǎo)線對(duì)。波特率從9.6kbit/s到12Mbit/s。RS485操作容易，總線結(jié)構(gòu)允許增加和減少站點(diǎn)，分布投入不會(huì)影響到其他站點(diǎn)的操作。PROFIBUS-DP的基本功能和特性如下：

（1）遠(yuǎn)距離高速通訊：波特率從96kbps到12Mbps;最大距離，12Mbps時(shí)100m，15Mbps時(shí)200m，還可以用中繼器加長(zhǎng)；

（2）分布式結(jié)構(gòu)：各主站間令牌傳遞，主站與從站為主/從傳遞。每段可達(dá)32個(gè)站，用連接器連接段，最多可達(dá)126個(gè)站；

（3）易于安裝：因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/rs/" target="_blank">RS-485的傳輸技術(shù)簡(jiǎn)單，雙絞線的敷設(shè)不需要專業(yè)知識(shí)，總線結(jié)構(gòu)使得一個(gè)站點(diǎn)的裝卸不影響其它站點(diǎn)的正常的工作，系統(tǒng)的安裝還可以分別進(jìn)行，后期安裝的系統(tǒng)不會(huì)對(duì)前期安裝的系統(tǒng)造成妨礙；

（4）診斷功能：經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的Profibus-DP的診斷功能能對(duì)故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集；

（5）開放式通信網(wǎng)絡(luò)；

（6）可靠性和保護(hù)機(jī)制。

3.2 有線通訊系統(tǒng)

系統(tǒng)應(yīng)用CPU315-2作為Profibus-DP主站，屬于第一類DP主站，測(cè)流單元和閘門控制單元采用兩套S7-200CPU加EM277 PROFIBUS-DP接口作為DP從站形成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

EM 277 Profibus-DP可以作為PROFIBUS-DP從站，也可用作與其他MPI主站通訊的通訊口。使用S7-300/400的XGET/XPUT功能時(shí)，S7-200可以通過(guò)該模塊與S7-300/400連接。使用MPI協(xié)議或PROFIBUS協(xié)議的STEP 7-Micro/WIN軟件和PROFIBUS卡，以及OP面板或TD200， 均可通過(guò)EM 277模塊與S7-200通訊。該系統(tǒng)中可以通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在中央控制室對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)單元從站進(jìn)行在線程序的監(jiān)測(cè)、編輯、修改等功能。

最多可將6臺(tái)設(shè)備連接到EM 277 Profibus-DP模塊，其中為編程器和OP各保留一個(gè)連接，其余4個(gè)可由任何MPI主站使用。為了使EM 277 PROFIBUS-DP模塊可以與多個(gè)主站通訊，所有主站必須工作在相同的波特率下。

當(dāng)EM 277 Profibus-DP模塊用作MPI通訊時(shí)，其MPI主站必須使用DP模塊的站址向S7-200發(fā)送信息，發(fā)送到EM 277 DP模塊的MPI信息，將會(huì)被傳送到S7-200上。EM 277模塊是從站模塊，它不能使用NETR和NETW功能在S7-200間通訊。盡管自由口是S7-200的一個(gè)特性，但EM 277模塊不能用作自由口方式通訊，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.3 無(wú)線通訊系統(tǒng)

無(wú)線通訊系統(tǒng)包含兩部分，一部分是檢測(cè)單元與中央控制單元之間的通訊，一部分是中央控制單元與上級(jí)監(jiān)測(cè)站之間的通訊。中央控制單元的PLC S7-315-2DP擴(kuò)展兩個(gè)CP340 RS-232通訊模板，分別負(fù)責(zé)與上傳電臺(tái)和下傳電臺(tái)的通訊。采用分頻傳輸?shù)姆椒ㄟ_(dá)到互不干擾的目的。下傳CP負(fù)責(zé)接收來(lái)自水位檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)。上傳CP負(fù)責(zé)向上傳送該監(jiān)測(cè)站的所有數(shù)據(jù)。硬件網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖2所示。

（1）本地?zé)o線通訊系統(tǒng)

超聲波測(cè)水位系統(tǒng)，是采用單片機(jī)控制無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，定時(shí)向中心控制站發(fā)送水位實(shí)時(shí)檢測(cè)值。因此，S7-300的CP340-RS-232只要處于接收狀態(tài)便可以定時(shí)接收到發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)分站站址號(hào)將接收緩沖區(qū)接收來(lái)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊即可。測(cè)沙單元是由中心S7-300PLC控制時(shí)序，從站S7-200PLC在收到主站發(fā)來(lái)的信號(hào)時(shí)返回檢測(cè)數(shù)據(jù)。在無(wú)線通訊時(shí)應(yīng)注意，主站與從站進(jìn)行無(wú)線通訊時(shí)，要采用時(shí)分編址和碼分編址的技術(shù)，此外為了避免從站之間的數(shù)據(jù)干擾要采用字節(jié)奇偶校驗(yàn)方法加以校驗(yàn)。

測(cè)沙單元從站PLC采用自由口通訊模式，是自行設(shè)計(jì)的通訊程序，現(xiàn)將通訊部分程序介紹如下：

MAIN

NETWORK 37

LD SM0.7 // COMMENT：當(dāng)檢測(cè)到上電信號(hào)，調(diào)初始化子程序SBR0，

A SM0.1 //特殊標(biāo)志寄存器SM0.1在上電的第一個(gè)周期為ON。

CALL SBR_0

NETWORK 38

LD SM0.7 //COMMENT：當(dāng)檢測(cè)到PLC從STOP切換到RUN狀態(tài)時(shí)，特殊標(biāo)志寄存

EU //器SM0.7為ON一個(gè)周期，調(diào)初始化子程序SBR0，EU為上升沿檢測(cè)。

CALL SBR_0

NETWORK 39

LDN SM0.7 //COMMENT：當(dāng)檢測(cè)到PLC從RUN切換到STOP狀態(tài)時(shí)，調(diào)子程

CALL SBR_1 //序SBR1，更改通訊參數(shù)為PPI通訊協(xié)議，以保證正常的程序下載。

SBR0

NETWORK 1 // COMMENT：設(shè)置通訊口參數(shù)為自由口通訊方式，

LD SM0.0 //9.6k波特率，8為數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)方式，開中斷，

MOVB 16#09，SMB30 //允許相應(yīng)通訊口接收數(shù)據(jù)中斷事件8，并

ENI //指定中斷事件8所對(duì)應(yīng)的中斷程序號(hào)為INT_11。

ATCH INT_11，8

SBR1

NETWORK 1 //COMMENT：恢復(fù)通訊口參數(shù)為PPI通訊方式，并斷開

LD SM0.0 //通訊口接收數(shù)據(jù)中斷事件8與通訊口發(fā)送數(shù)

MOVB 16#C0， SMB30 //據(jù)中斷事件9，以保證正常的程序下載。

DTCH 8

DTCH 9

INT11

NETWORK 1 // COMMENT：比較接收緩沖區(qū)SMB0的第一個(gè)字節(jié)，

LD SM0.0 //與站點(diǎn)號(hào)比較如果站點(diǎn)好正確則繼續(xù)接收，

AB= SMB2，VB1 //送計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)到累加器AC1，將接收緩沖塊首地址

MOVW +6，AC1 //送VD688，同時(shí)更改接收中斷事件8所對(duì)應(yīng)的

MOVD &VB640，VD688 //中斷程序號(hào)為INT_12，返回中斷；如果不正確

ATCH INT_12，8 //則繼續(xù)等待，保持接收中斷程序序號(hào)INT_11。

CRETI

INT12

NETWORK 1 // COMMENT：將接收數(shù)據(jù)依次送到接收緩沖塊，

LD SM0.0 //地址加一，計(jì)數(shù)累加器AC1減一。

MOVB SMB2，＊VD688

INCD VD688

DECW AC1

NETWORK 2

LD SM1.0 //COMMENT：當(dāng)計(jì)數(shù)累加器AC1減到零時(shí)，將接收

MOVW VW640，AC0 //到的字節(jié)作異或，存放到AC0，同時(shí)更

XORW VW642，AC0 //改接收中斷事件8所對(duì)應(yīng)的中斷程序號(hào)為INT_13

ATCH INT_13，8

INT13

NETWORK 1 // COMMENT：屏蔽接收事件中斷8

LD SM0.0

DTCH 8

NETWORK 2

LDW= AC0，VW644 // COMMENT：比較發(fā)送的較驗(yàn)字與接受的較驗(yàn)字是否一致，

MOVB 18，VB600 //如果一致則準(zhǔn)備返回?cái)?shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)發(fā)送表，

MOVW VW0，VW601 //第一個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，第二個(gè)字為從站號(hào)，

BMB VB200，VB603，16 //接下來(lái)是16個(gè)字節(jié)的返回?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)指定

ATCH INT_14， 9 //發(fā)送中斷事件9所對(duì)應(yīng)的中斷程序號(hào)為INT_14，發(fā)送

XMT VB600， 0 //數(shù)據(jù)；將接收緩沖塊的數(shù)據(jù)送到真正地接受區(qū)域，返回

MOVD VD640， VD400 //中斷。

CRETI

NETWORK 3

LD SM0.0 // COMMENT：如果較驗(yàn)字不一致，更改接收中斷事件

ATCH INT_11， 8 //8所對(duì)應(yīng)的中斷程序號(hào)為INT_11，準(zhǔn)備下一次接收。

INT14

NETWORK 1 // COMMENT：發(fā)送完成后，屏蔽掉發(fā)送事件中斷，

LD SM0.0 //指定接收中斷事件8所對(duì)應(yīng)的中斷程序號(hào)為INT_11，準(zhǔn)備

DTCH 9 //下一次接收。

ATCH INT_11，8

（2）遠(yuǎn)程無(wú)線通訊系統(tǒng)

黃河系遠(yuǎn)程無(wú)線通訊系統(tǒng)可以采用微波、衛(wèi)星通訊及無(wú)線傳輸?shù)仁侄?。根?jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，選用了較為經(jīng)濟(jì)、靈活的通訊方式，即采用兩套S7-300PLC加CP340進(jìn)行無(wú)線傳輸，使用CP340的RS232通訊協(xié)議進(jìn)行CP模板與無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換。CP340帶有處理器與緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)的發(fā)送接受通過(guò)SEND和RECEIVE功能塊完成，不占用CPU的資源。由于引黃涵閘地處偏僻，距離城市較遠(yuǎn)，通訊不便，使用這種通訊方式可以達(dá)到50公里的通訊距離，而且不受氣候及地形的影響。在使用不同傳輸頻段的條件下，通過(guò)CP地址號(hào)區(qū)分，可以實(shí)現(xiàn)上傳與下傳同時(shí)進(jìn)行而不會(huì)出現(xiàn)相互沖突。

在無(wú)線通訊中，字節(jié)校驗(yàn)十分重要。由于無(wú)線通訊往往受到外界各種因素的干擾，不但會(huì)引起檢測(cè)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，嚴(yán)重的情況可造成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的誤動(dòng)作。系統(tǒng)中首字節(jié)作為站址號(hào)，第二個(gè)字節(jié)作為自行規(guī)定的確認(rèn)碼，數(shù)據(jù)段最后一個(gè)字節(jié)作為所有字節(jié)的校驗(yàn)字節(jié)，是通過(guò)按位進(jìn)行異或運(yùn)算生成校驗(yàn)字節(jié)。由于CP模塊接受數(shù)據(jù)的時(shí)間往往會(huì)大于主CPU的循環(huán)掃描時(shí)間，加之主從站之間的通訊是通過(guò)分時(shí)進(jìn)行的，所以在由接受緩沖區(qū)送往接受數(shù)據(jù)區(qū)時(shí)，應(yīng)確保位于始端的確認(rèn)碼和位于末端的校驗(yàn)碼同時(shí)正確時(shí)方可進(jìn)行傳送。無(wú)線通訊的另一個(gè)缺點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性比較差，尤其是在多站點(diǎn)之間進(jìn)行無(wú)線通訊時(shí)，各個(gè)分站的動(dòng)作要等待大循環(huán)周期的到來(lái)，運(yùn)用時(shí)分編址和碼分編址的思想可以提高從站的響應(yīng)速度。具體方法是在上位機(jī)對(duì)某個(gè)分站進(jìn)行操作時(shí)，將該站站號(hào)和標(biāo)志位同時(shí)送到下位主PLC，主站PLC接受到該標(biāo)志位時(shí)，將依據(jù)分站號(hào)在接下來(lái)的3個(gè)小周期內(nèi)連續(xù)對(duì)該分站進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)控制，將采集單元的數(shù)據(jù)及時(shí)采集上來(lái)，同時(shí)把上位機(jī)的控制命令迅速送達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4 、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是一個(gè)較為完整的測(cè)控系統(tǒng)，包含檢測(cè)、控制、通訊、監(jiān)控和編程等各個(gè)環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)中應(yīng)用了現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、PLC、上位監(jiān)控等先進(jìn)的通訊控制手段以及超聲波測(cè)水位、紅外測(cè)沙等先進(jìn)的檢測(cè)手段。系統(tǒng)圓滿完成了澆灌任務(wù)，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)效益。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：在工程實(shí)施中，尤其解決了無(wú)線通訊，克服了長(zhǎng)期滯留下來(lái)信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)膯?wèn)題，解決了黃河通訊長(zhǎng)期落后的通訊方式，為黃河遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)施提供了保障。

責(zé)任編輯：gt