基于西門子PLC的水庫實時監測系統設計

陳飛良 白龍 王愷 楊書杰 馬駿馳 朱永銀 霍巖

摘 要：本文提出了一種基于PLC工業網絡的水庫水質實時監測系統，詳細介紹了該系統的結構框架、前端采集系統、傳輸系統和后臺處理系統，該方案具有較高的可靠性，便于統計分析數據，對相關工程項目有一定參考價值。

關鍵詞：數據采集；PLC；水質在線監測

水庫監測系統的功能要求

隨著社會的發展和人們對生活健康的關注，加上水資源的日益短缺和惡化，水質監測系統的運用備受關注。水質監測技術已經成為自來水廠對水體水質、水體狀況進行實時監測的主要手段。目前國內常規的實驗室取樣檢測技術已經無法在第一時間獲取水污染狀況的準確信息。而且分析速度慢、操作復雜、穩定性差。此外，隨著水資源污染的日益加劇，具有較好水質的水庫越來越少，不少水庫都遠離自來水廠，采用以往到水庫取樣檢測水質的監測方法已經遠不能滿足水廠工作發展的需求。因此，發展遠程水質在線監測系統勢在必行。水質在線監測系統克服了常規水質分析儀器的缺點，可以實現隨時獲取水質數據，常見方法有基于無線傳輸采樣和基于有線傳輸采樣。兩者在采樣的穩定性和可靠性上比較，有線傳輸的優勢明顯，在各種惡劣的氣候環境中都能傳輸水質數據給水廠。因此，本文將設計一個基于西門子PLC的工業化網絡系統，將其應用到水庫水質在線監測，實現實時、連續、穩定、可靠的傳輸監測數據。

基于西門子PLC系統的水庫實時監測系統總體框架設計

本系統設計考慮到水庫地理位置較遠，對數據傳輸可靠性及實時性要求高，不需要頻繁對設備進行維護保養，以降低后期運行成本。系統采用工業網絡結構，以西門子PLC作為現場站點用于信息采集，采用有線信息傳輸方式，避免在各類惡劣的自然環境下不能可靠地將數據及時上傳的情況，通過傳感器將水庫水質參數信號轉化為模擬量電信號，再將模擬量信號發給PLC， PLC將采集的數據通過租用電信運營商的光纖實現長距離的數據傳輸至監控中心，優點是不需要鋪設專用光纖，性價比高，并能抵抗一定程度的外部惡劣環境。該系統綜合使用了傳感器、PLC、組態技術及工業網絡通信。特點是自動化程度高，系統集成度高，可以實現大量智能化站點集成，并兼容市場主流的各家儀表。水庫水質實時數據監測系統由水質參數采集單元、現場監測站PLC單元、通信單元、監測中心系統和報警系統組成。現場監測站PLC單元將采集信息通過通信單元發送給監測中心系統，監控中心系統將采集數值與預警值對比，達到報警值則發出警示信號。整個系統工作以在線自動監控設備為核心，通過及時獲取水樣，數據采集傳輸和遠程監控等技術手段達到水質自動檢測的最終目的。

子系統設計

前端現場監測站PLC單元

每個水庫至少設置一個現場監測站，根據水庫大小安裝若干個水質參數監測傳感器，包括溫度、電導率、溶解氧、pH、濁度等參數，通過線路連接到PLC輸入端口上。前端的PLC可以采用S7-200、S7-1200等型號，以S7-1200為例，S7-1200配有4路、8路模擬量輸入模塊，可以傳輸電壓或電流信號，范圍是±10 V或 0-20 mA。電壓和電流信號可以通過NORM_X和SCALE_X指令轉化成參數的數字值，NORM_X 用于標準化參數 MIN 和 MAX 指定的值范圍內的參數VALUE，通過將輸入 VALUE 中變量的值映射到線性標尺對其進行標準化標定。在模擬量的轉換中，MIN和MAX表示的是模擬量模塊輸入信號對應的數字量的范圍，輸出OUT = （VALUE - MIN） / （MAX - MIN），其中，0.0 <= OUT <= 1.0。SCALE_X 用于按參數 MIN 和 MAX 所指定的數據類型和值范圍對標準化的實參數 VALUE（其中，0.0 <= VALUE <= 1.0）進行標定，通過將輸入 VALUE 的值映射到指定的值范圍來對其進行縮放。 當執行“縮放”指令時，輸入 VALUE 的浮點值會縮放到由參數 MIN 和 MAX 定義的值范圍。輸出OUT = VALUE （MAX - MIN） + MIN。

傳輸系統

水庫離監測中心較遠，通常采用光纖傳輸，這里租用電信運營商的光纖傳輸數據，不需要鋪設專線，極大地降低了成本，可以實現上百公里的數據傳輸，并能抵抗一定程度的惡劣環境。

監測中心系統

監測中心控制系統利用工業組態及分析軟件可將上傳的水質參數數據保存并分析，當水質參數發生較大變化時或低于國家相關標準時，能通過報警系統自動發出聲光報警，如：數據異常、參數嚴重不達標等。從而能在第一時間內快速準確地掌握水庫的水質信息。

結語

本系統設計采用的工業網絡，可以滿足水質參數的實時傳輸，與無線網絡傳輸相比較，可靠性更高，更能抵抗惡劣的自然環境，系統兼容性好，各類廠家的傳感器都可以使用，而且后期維護工作量小，具有一定的實用價值。

（作者單位：江蘇海事職業技術學院）

【參考文獻】

[1] 楊守波，馮志彬.基于PLC的水庫在線水質監測系統的實現[J].北方工業大學學報， 2016（01）.

[2] 張雪，鄧中亮.基于PLC的水質自動監控系統設計[J].微計算機信息，2009（04）.

[3] 余迎，劉光臨，熊曉明.PLC在水質在線監測系統取水配水控制中的應用[J].中國農村水利水電，2006（05）.