摘要：應用PLC 技術、變頻技術和無線網絡技術，通過SIEMENS S7-300的串口通訊模塊CP340將分散的工業(yè)設備組合成靈活和強大的工業(yè)網絡，實現(xiàn)了工業(yè)過程精確控制、智能診斷、實時監(jiān)控和生產的高效管理。本文以火力發(fā)電廠的污水處理站為例，介紹了控制系統(tǒng)整個過程以及如何通過串口無線通訊模塊SY-WT6實現(xiàn)CP340的通訊。
關鍵詞：PLC 無線通訊串口 智能網絡 控制
1. 引言
火力發(fā)電廠工業(yè)廢水水量大，污水種類較多，水質差別較大，為了最大程度實現(xiàn)廢水的重復利用和節(jié)約廢水處理成本，火力發(fā)電廠工業(yè)廢水處理系統(tǒng)一般實行清污分流處理。采用PLC將分散的工業(yè)設備組合起來形成智能工業(yè)網絡，實現(xiàn)了污水處理的精確控制、智能診斷和實時監(jiān)控。
2. 現(xiàn)代化污水處理系統(tǒng)的基本要求
2.1 遠程采集與集中監(jiān)控
工業(yè)污水處理設備分布于不同的車間或區(qū)域，使得控制系統(tǒng)I/O點特別分散。為減輕工人勞動強度和實現(xiàn)無人值守自動化監(jiān)控，就需要控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集和設備的集中監(jiān)控。控制核心設備對現(xiàn)場設備進行本地或遠程的自動控制，并對工藝流程進行全面、實時的監(jiān)控顯示，為生產、調度和管理提供必要的數(shù)據(jù)。
2.2 控制核心高度集成化、模塊化
控制系統(tǒng)高度集成化、模塊化，系統(tǒng)能夠滿足數(shù)據(jù)采集與傳輸、邏輯運算，數(shù)據(jù)處理的要求。污水處理大部分是對輸水泵和配水泵的邏輯控制，閉環(huán)控制只用在出水壓力控制上，而邏輯控制是可編程序控制器PLC的傳統(tǒng)應用領域。PLC不僅能夠采集開關量信號、完成邏輯控制，其強大的模塊化設計還可以擴展模擬量采集模塊、通信模塊完成不同數(shù)據(jù)的采集和保證數(shù)據(jù)的及時傳輸，另外PLC兼容性高、抗干擾能力強、功能擴展簡單，因此使PLC成為目前工業(yè)控制系統(tǒng)的首選控制器。
2.3 自我診斷、報表生成、自我恢復等智能化功能
通過對控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集進行分析處理，判斷系統(tǒng)運行情況，記錄系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析判斷設備故障時，控制器自動運行保護程序，發(fā)出聲光報警信號并生成報表。當技術人員排除現(xiàn)場設備故障后，控制器根據(jù)操作人員操作信號，自動恢復系統(tǒng)運行。目前先進的控制系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)故障級別和分類，將故障信息分類發(fā)送到各個部門。
2.4 可靠、高速的傳輸介質
分布式智能控制系統(tǒng)的基本條件是具有可靠、高速的傳輸介質。傳輸介質目前有屏蔽雙絞線、光纖、無線電臺、工業(yè)以太網等形式。隨著各種儀表的智能化，大多數(shù)智能儀表都帶有通信接口和控制器連接，采用通信的方式，通過傳輸介質一次性采集多組數(shù)據(jù)成為智能儀表的發(fā)展方向。考慮本系統(tǒng)中各節(jié)點分散的特點，而且現(xiàn)場具有大變頻和大電機等干擾源，采用有線很難繞開這些干擾，所以采用無線通訊，考慮無線以太網的高頻特性，需投入較大做信號傳遞和覆蓋，故決定用無線低頻通訊方式，采用工業(yè)等級的支持工業(yè)通訊ASCII協(xié)議的無線模塊。本系統(tǒng)采用賽遠的工業(yè)無線通訊模塊SY-WT6，該模塊支持MODBUS通訊，也支持ASCII通訊。
3. 控制系統(tǒng)硬件設計
污水處理站環(huán)境惡劣，操作和維護人員在中控室完成對整個污水站監(jiān)控，并根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)及時維護。污水站控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、壓力傳感器及上位機組成。本系統(tǒng)的控制核心為SIEMENS S7-300，硬件主要由電源、CPU、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入、通信單元等模塊組成。控制系統(tǒng)主要完成數(shù)字、模擬信號采集，邏輯分析和控制，數(shù)字、模擬信號輸出，數(shù)據(jù)通信控制等功能。變頻器根據(jù)管網壓力結合自帶PID功能對電機進行調速，保持管網壓力恒定。控制系統(tǒng)及污水處理狀態(tài)采集到PLC中，通過WINCC在工業(yè)計算機實時顯示。
4. 控制系統(tǒng)軟件設計
程序的編制采用模塊化結構，針對污水處理的特點，把程序設計為電機控制子程序、參數(shù)采集程序、系統(tǒng)報警子程序和安全保護程序等。由于本系統(tǒng)設備比較集中，主控制采用SIEMENS公司S7-300控制器，因此系統(tǒng)采用SIEMENS通信模塊CP340將污水處理各個單獨的設備組成工業(yè)網絡。CP340通信處理是Siemens公司提供的串行通信的低成本解決方案，是Siemens公司PLC與其他智能終端進行數(shù)據(jù)交換的橋梁。
系統(tǒng)通信子程序是軟件中的重要部分，對變頻器和反應池的檢測和控制、故障代碼采集都采用通信的方式，一根通信電纜一次性采集、傳輸多組數(shù)據(jù)，減少電氣連線和信號干擾，已成為智能儀表的發(fā)展方向。該通信模塊提供了三種不同形式的傳輸接口：
①、RS232C
②、20mA(TTY)
③、RS422／RS485
但每個CP340只提供一種接口形式。該模塊可以實現(xiàn)三種通信協(xié)議ASC II碼，3964（R）和打印機驅動，通過集成在STEP 7中的參數(shù)化工具可進行簡單的參數(shù)化，其設置主要包括通信方式（波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)和奇偶校驗）、接收幀結束方式、接口方式等，編程人員要關注的是根據(jù)智能儀表的通信協(xié)議編寫程序。CP340使用自由口模式與這些設備進行信息互換。自由口通信是通過用戶程序控制通信口的操作模式。利用自由口模式，可以實現(xiàn)通信連接多種智能設備。STEP 7中的功能塊FB2(P_RCV)和FB3（P_SEND）是系統(tǒng)自帶的專為CP340提供的通信功能塊，利用STEP7自帶的功能塊可以減少編程時間降低編程難度。
采用CP340主從站、半雙工的通信方式時，通信子程序考慮：
①、采用半雙工的通信方式，在每個時刻總線上只能有一個站處于接收或發(fā)送狀態(tài)。由于主、從站的工作方式為主站主動、從站完全被動，所以在程序中當主站成功發(fā)送完控制命令后，應該給予從站足夠的時間反應主站命令。
②、對每次接收的數(shù)據(jù)都應該進行校驗，保證接收的數(shù)據(jù)的正確性從而避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。
③、當診斷系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤立即置位標識位，給出相應的報警信息，并且根據(jù)報警信息自動對該報警信息給予分類，對重故障作停車檢修。設備故障時，對此設備停車并且屏蔽此設備，程序將不再訪問該設備，這樣可以大大節(jié)省由于多次重復對故障設備通信所帶來的程序執(zhí)行時間過長。
④、每次發(fā)送新信息前，確保接收緩沖器中的內容取走，并且應對接收緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)清零。電動機控制程序依據(jù)管網實際壓力值，自動切換電機（即變頻器頻率出現(xiàn)工頻或者最低PI調節(jié)頻率時）。因此采集的管網壓力值的可靠性尤為重要，壓力取自管網的壓力傳感器，其傳輸線較長，并且經過干擾較大的變頻器等設備，所以在使用雙絞屏蔽線的基礎上必須經過軟件濾波等處理。精確判斷管網壓力，大大減少了切換泵的次數(shù)，且采用了變頻器不僅提高了系統(tǒng)的安全性也克服了電機起動時的大電流沖擊。系統(tǒng)報警子程序是對系統(tǒng)所有的告警信號處理程序，例如電源故障、蓄水池水位超限、電動機溫度超溫、變頻器故障和PLC模塊故障等。由于選用了具有中斷能力的數(shù)字量和模擬量輸入模塊，所以當硬件檢測到現(xiàn)場故障信號時，便自動執(zhí)行硬件中斷處理程序塊（OB40），對故障進行判別并按故障級別作相應處理。
上位機采用組態(tài)軟件WinCC，針對串口操作，可以通過調用編寫好的VB串口通訊程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，也可以用全局腳本VBS實現(xiàn)對串口的訪問，在WINCC圖形編輯器中調用Active X控件MSComm，如添加按鈕，按鈕鏈接了一個VBS鼠標動作，主要是對串口進行初始化。在MSComm中組態(tài)了一個oncomm事件，利用事件觸發(fā)的形式對串口進行讀寫操作。在按鈕1的鼠標事件中做端口初始化，具體代碼如下： Sub procedure20
‘打開串口 Dim objMSComm1 Dim tagConnection Set objMSComm1 = HMIRuntime.Screens("Main").ScreenItems("MSComm1") Set tagConnection = HMIRuntime.Tags("Connection") If objMSComm1.PortOpen = False Then objMSComm1.Commport = 1 objMSComm1.Settings = "9600,e,7,1" objMSComm1.InputLen = 0 objMSComm1.PortOpen = True tagConnection.Write(True) HMIRuntime.Trace("Port open." & vbCrLf) Else HMIRuntime.Trace("Port is already opened." & vbCrLf) End If End Sub Sub procedure1() ‘關閉串口 Dim objMSComm1, tagConnection Set objMSComm1 = HMIRuntime.Screens("Main").ScreenItems("MSComm1") Set tagConnection = HMIRuntime.Tags("Connection") If objMSComm1.PortOpen = True Then objMSComm1.PortOpen = False tagConnection.Write(False) HMIRuntime.Trace("Port close." & vbCrLf) End If End Sub
5. 污水站系統(tǒng)特點
（1）可靠的控制策略。遠程自動控制、遠程手動控制、就地控制三種控制方式保證系統(tǒng)安全啟停。變頻器、電機等設備都具有獨立的控制且能夠相互備用，即可以在自動方式下實現(xiàn)任意組合的連鎖控制，又能在手動方式下獨立控制。
（2）形象的監(jiān)控見面，強大的報表功能。工業(yè)控制計算機顯示污水處理工藝流程圖、設備運行情況、運行趨勢圖、故障報警畫面等。操作人員通過這些畫面可以全面的了解污水處理運行情況，方便對設備進行操作。大大降低操作人員工作強度。
6. 結束語
基于PLC、變頻器、無線通訊等設備組成的污水處理工業(yè)網絡，很好的滿足了現(xiàn)代化污水處理需求。采用Siemens公司的S7-300系列控制器，通過串口通訊功能，根據(jù)現(xiàn)場的不便布線特點，采用工業(yè)無線通訊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠程采集與集中監(jiān)控功能，大大降低了污水處理成本，目前該系統(tǒng)運行效果良好。