陳澤，黃曉

（1．武漢圣禹排水系統(tǒng)有限公司，湖北 武漢 430058 ；2.武漢商學院 信息工程學院，湖北 武漢 430056）

0 引 言

我國早期城市建設過程中，對地下管道的規(guī)劃缺乏足夠的前瞻性，各種管網(wǎng)連接復雜，雨水和污水利用合流式方式進行排水。合流暗渠內(nèi)的低濃度污水直接排入江河、湖泊，使得自然水體受到嚴重污染。后期把合流管道接入污水處理廠，但大量的雨水也進入污水廠，使得污水處理效率降低、資源嚴重浪費。

為實現(xiàn)污水的高效處理，必須對雨水和污水進行分流。分流井是目前用于實現(xiàn)雨污分流的常用裝置，它可實現(xiàn)雨水收集利用和集中管理排放，降低水量對污水處理廠的沖擊。因此，能會大大提升城市的環(huán)境質(zhì)量、城市品位和管理水平，切實改善廣大市民群眾的生存環(huán)境和生活質(zhì)量。

1 分流井控制的硬件配置

本電氣控制系統(tǒng)主要是由西門子PLC S7-1200 系列、“精簡”系列觸摸屏和施耐德電氣控制原件組成。SIMATIC S7-1200 具有集成PROFINET 接口、強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性等特點，為各種工藝任務提供了簡單的通信和有效的解決方案，尤其滿足多種應用中完全不同的自動化需求。PLC 控制系統(tǒng)中，CPU 選用1215C，提供兩個以太網(wǎng)端口，支持PROFINET 通信。其中一個網(wǎng)口通過網(wǎng)線與觸摸屏HMI 鏈接，進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)和觸摸屏操作實時通信。另一個網(wǎng)口與無線路由器網(wǎng)線連接，將項目現(xiàn)場各類實時數(shù)據(jù)傳送到后臺SCADA 智能控制系統(tǒng)中。PLC 硬件組成中還包括了1 個數(shù)字量擴展模塊SM1223、1 個模擬量擴展模塊SM1234、1 個模擬量擴展模塊SM1231、1 個通信擴展模塊CM1241、其硬件均為西門子S7-1200 系列。

1.1 信號采集及控制

本系統(tǒng)中涉及的數(shù)字量有油泵啟、停、故障信號，電磁閥啟、?？刂菩盘枴⒂炅啃盘枴粹o、指示燈及旋鈕信號，均采用高電平信號輸入輸出。涉及模擬量信號輸入輸出的有油缸磁環(huán)位置數(shù)據(jù)、井內(nèi)外液位數(shù)據(jù)、水質(zhì)COD 值、液壓站比例閥。油缸位置和液位計采用的是標準電流4 ～20 mA輸入，由PLC 模擬量模塊采集，并轉化為0 ～27 648 之間對應數(shù)值在程序中顯示。當模擬量輸入數(shù)值超過30000 時，基本可以判斷為模擬量故障或PLC 此模擬通道故障。堰門控制中涉及雙杠同步控制和液壓站的4 個電磁閥，YV1 閥控制油缸收回油缸頂桿；YV2 閥控制油缸伸出油缸頂桿；YV3 閥控制手動回路油缸；YV4 閥控制比例閥回路油缸。YV3 電磁閥回路的開度由手動閥控制，一般調(diào)試完成后鎖定此回路開度。

YV4 電磁閥回路的開度由比例閥控制，此控制采用的是差分電流0 ～20 mA 輸出或者電壓0 ～10 V 輸出控制。在控制程序中控制堰門的雙油缸實時位置模擬量數(shù)值來調(diào)節(jié)YV4 回路的開度大小，由此來控制油缸回路的出油速率來達到YV3、YV4 回路的同步性，保證堰門運行的平穩(wěn)和安全性。模擬輸出信號通過模塊SM1234 完成信號輸出。COD數(shù)據(jù)采集選用485 通信，通過CM1241 實現(xiàn)，將讀取的數(shù)據(jù)在程序內(nèi)轉化為相對于的數(shù)值，并輸出到HMI 和云端后臺顯示。

1.2 一二次回路電氣硬件

PLC 控制單元以外的電氣硬件有塑殼開關、浪涌保護器、電機熱磁短路保護器、交流接觸器、斷路器、開關電源、路由器等。

塑殼開關控制項目總進電通斷，同時此開關帶有MX 分勵脫扣線圈（220 V）。可以在緊急情況下直接給設備迅速斷電。浪涌保護器在電氣回路中因為外界的干擾突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內(nèi)導通分流，從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。油泵供電控制回路由電機熱磁短路保護器和交流接觸器組成，控制接觸器吸合回路由PLC 控制點位輸出閉合中間繼電器實現(xiàn)。此控制油泵啟停回路對PLC 反饋停止、運行、故障三個數(shù)字信號。停止信號由接觸器輔助常閉點提供無源信號；運行信號由接觸器輔助常開點提供無源信號進入PLC；故障信號由電機熱磁短路保護器輔助常閉點提供無源信號進PLC 輸入點位，此間故障信號可表示為：油泵電機過熱或過載。再配合程序的通斷油泵電機電源的功能從而實現(xiàn)對油泵電機的保護功能。施耐德C 型斷路器（空氣開關）、明偉24 V 和12 V 開關電源、有人PLCNET 路由器和TPLINK 交換機等組成了低壓供電通信回路，為PLC、各類傳感器、指示燈、旋鈕、按鈕、觸摸屏、攝像頭等柜內(nèi)外元器件提供所需電源及通信網(wǎng)絡。

PLC 云網(wǎng)關支持多種PLC 協(xié)議，可以采集多種型號的PLC 數(shù)據(jù)，上報到云端。本文采用“有人云平臺”實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和云組態(tài)等功能。通過PLC 云網(wǎng)關可以實現(xiàn)多設備的互聯(lián)，有利于構建“智慧城市”中的分流井監(jiān)控。

數(shù)據(jù)采集過程為：（1）在云端添加從機、節(jié)點、上報規(guī)則等信息；PLCNET510 自動獲取并把相應的采集規(guī)則和節(jié)點信息轉換成對應的PLC 協(xié)議；（2）對PLC 的寄存器進行采集，采集到的數(shù)據(jù)進行邊緣計算；（3）需要上報的PLC 節(jié)點數(shù)據(jù)主動上報到云平臺，保證云端可以實時監(jiān)控PLC 數(shù)據(jù)。在“有人云平臺”上，數(shù)據(jù)上報規(guī)則可設置：變化存儲、定時存儲、變化幅度存儲和組合上報。此外，可通過PLCNET510 云網(wǎng)關的串口、網(wǎng)口、USB 口實現(xiàn)和遠程電腦的數(shù)據(jù)透傳，相當于遠程的電腦直接連接到現(xiàn)場的設備。可以實現(xiàn)遠程PLC、HMI 等設備的程序上下載、遠程調(diào)試等功能。

2 分流井控制的軟件設計

由于PLC 主機為西門子S7-1200 系列，編程軟件選為TIA Portal V14。TIA portal 是西門子工業(yè)自動化集團發(fā)布的一款全新的全集成自動化軟件。它是業(yè)內(nèi)首個采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，幾乎適用于所有自動化任務。借助該全新的工程技術軟件平臺，用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動化系統(tǒng)。

2.1 硬件組態(tài)

在創(chuàng)建好新項目后，在硬件組態(tài)的環(huán)境下選擇使用與在硬件組態(tài)環(huán)境下相同的產(chǎn)品代碼拷貝到相應的位置如導軌的槽位，在Rack_0 的101 槽位處放入CM1234 RS422/485 模塊，然后在后面依次放入CPU1215C、SM1223、SM1234、SM1231 模塊，如圖1所示。實際的硬件模塊安裝順序一定要和此處的軟件組態(tài)順序保持一致，要不然會編譯硬件報錯。

圖1 硬件組態(tài)設置

在組態(tài)界面加入硬件模塊后需要對各個模塊進行系統(tǒng)參數(shù)設置，CPU 的啟動方式、網(wǎng)絡通信IP 地址、I/O 地址（可用默認值也可以按項目需求更改）、防護與安全等。擴展模塊也可設置I/O 地址（使用默認值亦可），模擬量模塊中需要對模擬通道進行硬件組態(tài)，確定模擬量的輸入測量電流或電壓類型，量程范圍一般有0 ～20 Am、4 ～20 Am、0 ～10 V。濾波一般選用“強（32 個循環(huán)）”，也可根據(jù)現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)抖動情況選擇。

在硬件組態(tài)的環(huán)境下選擇網(wǎng)絡視圖添加HMI。選取項目中選定的HMI 型號，按住鼠標左鍵拖拽添加到PLC 主機旁邊，并添加一個連接回路，將HMI 與PLC_1 相連。連接線路顯示為“PN/IE_1”。HMI 的硬件設置中需要將HMI 的通信IP 地址設置到與PLC 主機同網(wǎng)段，在此設置頁面也能選擇設置HMI 的用戶名和登入HMI 密碼，如圖2所示。

圖2 HMI 硬件設置

2.2 軟件組態(tài)

在添加設置硬件完成后，進入軟件編程，根據(jù)相關的項目工藝流程編寫程序。點擊PLC 下拉菜單程序塊，進行編程。編程中涉及有OB 組織塊、FB 函數(shù)、DB 數(shù)據(jù)塊，在OB 塊中編寫主要工藝流程，主要編寫手動流程程序、自動流程程序、遠程控制程序；FB 函數(shù)塊編寫模塊化的單元控制程序，主要編寫堰門、閘門控制程序，實現(xiàn)堰門、閘門的啟、閉、停功能；OB 塊中編寫整個程序所需要的所有數(shù)據(jù)，在此模塊中可將數(shù)據(jù)是否有保存功能進行選擇。

在選取OB 塊、FB 塊、OB 塊根據(jù)實際工藝組合編輯編程后，進行編譯無誤，即完成PLC 主機模塊的程序的編寫。HIM 界面編程組態(tài)在TIA Portal V14 中完成，編輯相應的HMI 畫面和關聯(lián)數(shù)據(jù)量后，連接PLC 主機進行通信驗證，無誤后數(shù)據(jù)顯示正常，即完成HMI 編程。完成主機程序與HMI 程序編寫驗證后，軟件組態(tài)并驗證完成。

2.3 遠程訪問

由于項目具備遠程訪問PLC 的功能，通過PLCNET510來實現(xiàn)，對于在調(diào)試和后期維護都提供了很便捷的處理故障和修改程序的方法和途徑。在整套設備正常上電的情況下，通過有人云的電腦終端操作平臺，在云端分組中點擊相對于的項目路由器編號，選擇該項目的路由器。然后在右邊選擇遠程維護，點擊“網(wǎng)口透傳”下面的啟用按鈕并設置好終端電腦的虛擬網(wǎng)卡。此時打開TIA Portal V14 軟件，進行程序在線連接即可。完成了對PLC 的遠程訪問，此時即可查看PLC 數(shù)據(jù)與修改程序。PLCNET 操作界面如圖3所示。

圖3 PLCNET 操作

3 結 論

此系統(tǒng)將PLC 可編程邏輯控制器運用到智能分流井項目的控制系統(tǒng)中，具有良好的穩(wěn)定性、擴展性和設備兼容性。同時可以根據(jù)項目現(xiàn)場實際需要添加不同種類的水質(zhì)類傳感器參數(shù)、控制單元（水泵、過濾器、閘門）等來完成工藝要求。在PLC 系統(tǒng)中數(shù)字量、模擬量均可在合理范圍內(nèi)添加擴展。此套控制系統(tǒng)易于維護和保養(yǎng)，同時可以通過PLCNET 實現(xiàn)遠程對實際運行程序進行修改以適應不同的應用環(huán)境的工藝流程。云后臺記錄的各類數(shù)據(jù)，具備良好的參考價值，能為同水域的分流井提供第一手參考資料。