系統(tǒng)設(shè)計(jì)
水閘泵站計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集河道的水位、流量、水閘閘門的高度、水泵開(kāi)啟狀況以及雨量等水情工況，為調(diào)水調(diào)度、水閘泵站的控制提供決策依據(jù)。河北省引朱濟(jì)邢引水工程是引朱莊水庫(kù)的蓄水至邢臺(tái)市區(qū)的鋼廠和電廠。一條輸水管道自水庫(kù)尾水池引水，沿河右岸鋪設(shè)，在調(diào)度中心分成四條支路，其中兩支通往鋼廠，兩支通往電廠。為了滿足工程的可靠性及自動(dòng)化管理的要求，該工程采用了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行工程的調(diào)度及管理。整個(gè)工程設(shè)有水庫(kù)、調(diào)度中心、鋼廠和電廠四個(gè)管理站(見(jiàn)圖1)，監(jiān)視并控制沿線的閘門和閥門狀態(tài)，監(jiān)測(cè)管道的壓力和實(shí)時(shí)流量。
圖1 系統(tǒng)框圖
其中水庫(kù)和調(diào)度中心本地的流量數(shù)據(jù)可以通過(guò)RS-485總線直接上傳到工控機(jī)中，而鋼廠和電廠由于距離水庫(kù)和調(diào)度中心比較遠(yuǎn)，當(dāng)?shù)氐膶?shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)不能直接通過(guò)RS-485總線上傳，所以采用了本文所述的流量數(shù)據(jù)采集方案：先通過(guò)RS-485總線將數(shù)據(jù)上傳至當(dāng)?shù)氐腜LC中，再經(jīng)光纖以太網(wǎng)與水庫(kù)和調(diào)度中心的工控機(jī)通訊。為了準(zhǔn)確的反映出現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，水庫(kù)和調(diào)度中心要求實(shí)時(shí)顯示出鋼廠和電廠流量的瞬時(shí)值和累計(jì)值，這樣水庫(kù)和調(diào)度中心管理站才能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況調(diào)節(jié)閘門和閥門的狀態(tài)。同時(shí)由于鋼廠和電廠還需要做到無(wú)人值守，所以必須保證設(shè)備采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。
鋼廠和電廠兩個(gè)管理站都配置了GE公司的90-30系列PLC，包括電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)接口模塊、可編程協(xié)處理模塊。電磁流量計(jì)采用的是上?？坡」馊A儀器有限公司的AQUAFLUX型電磁流量計(jì)，鋼廠和電廠的流量可以由安裝在鋼廠和電廠入口處的電磁流量計(jì)采集。整個(gè)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵是將流量計(jì)的數(shù)據(jù)上傳至PLC相應(yīng)的寄存器中，此功能是通過(guò)為PLC配置的可編程協(xié)處理模塊PCM來(lái)完成的，PCM模塊通過(guò)RS-485總線采集電磁流量計(jì)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)開(kāi)發(fā)的通訊程序計(jì)算出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，并寫入PLC相應(yīng)的寄存器單元，最后通過(guò)以太網(wǎng)接口模塊和交換機(jī)連接到光纖以太網(wǎng)上，將數(shù)據(jù)傳送到水庫(kù)和調(diào)度中心兩個(gè)管理站。
系統(tǒng)硬件
GE90-30系列PCM模塊
GE Fanuc自動(dòng)化公司的可編程協(xié)處理模塊是一個(gè)用來(lái)執(zhí)行協(xié)處理功能的高性能微型計(jì)算機(jī)，它集通訊模塊(CCM)和ASCII/BASIC模塊(ABM)于一體，具有較大的存儲(chǔ)容量和完善的功能。
PCM模塊內(nèi)含一個(gè)8MHz的80C188微處理器，其板載RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器，可選擇160、192或640Kbytes三種容量。每個(gè)PCM模塊占用主CPU框架中的一個(gè)槽位，連接后可以使用PLC自身的內(nèi)存。另外PCM模塊內(nèi)含兩個(gè)串口、一個(gè)與PLC同步的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、重啟動(dòng)/復(fù)位按鈕、三個(gè)狀態(tài)指示燈。PCM模塊的初始化可由軟件進(jìn)行配置，不需要通過(guò)DIP撥碼開(kāi)關(guān)和跳線進(jìn)行設(shè)置。
PCM模塊被應(yīng)用于PLC系統(tǒng)之前，首先要對(duì)其進(jìn)行配置。它可以配置成CCM ONLY、BASIC、BAS/CCM、NONE、PCMCFG、PROGPRT，PROG/CCM和CCM/PROG幾種模式。本工程需要開(kāi)發(fā)流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集和流量計(jì)算的程序，又要通過(guò)RS-485總線與流量計(jì)之間進(jìn)行通訊，所以需把端口設(shè)置成BAS/CCM模式。同時(shí)還應(yīng)配置好端口的主從模式、接口類型、波特率及奇偶校驗(yàn)類型等信息。
將PCM模塊的RS-485接口(port2)與電磁流量計(jì)的RS-485接口通過(guò)屏蔽雙絞線互連，接線圖如圖2所示。
圖2 2-Wires RS-485 PCM 連接圖
為了在線開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集程序，需要外接一個(gè)與VT100兼容的終端顯示器，所以將PCM模塊的RS-232接口(port1)與PC機(jī)的串口相連，用Windows系統(tǒng)自帶的超級(jí)終端(與VT100兼容)進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。接線圖見(jiàn)圖3。
圖3 PCM與PC機(jī)連接圖
當(dāng)端口配置成CCM運(yùn)行時(shí)，CCM端口可以被配置成主、從，或?qū)Φ韧ㄐ拍Ｊ?。通過(guò)這種設(shè)置，可以在PLC和外部設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)。對(duì)于從或?qū)Φ饶Ｊ?，一個(gè)外部CCM設(shè)備(例如工控機(jī))可以通過(guò)PCM模塊的端口向PLC發(fā)送或請(qǐng)求數(shù)據(jù)。在主或?qū)Φ饶Ｊ较?，PLC CPU中的應(yīng)用程序可以啟動(dòng)連接到PCM端口上的CCM設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。
PCM模塊內(nèi)嵌功能強(qiáng)大的MegaBasic。通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)計(jì)算和操作員界面功能。MegaBasic程序可以使用Windows標(biāo)準(zhǔn)的文本編輯器離線開(kāi)發(fā)，也可以通過(guò)連接到PCM編程口上的終端在線開(kāi)發(fā)。MegaBasic解釋器也允許在MS-DOS環(huán)境下離線開(kāi)發(fā)，但是MS-DOS不支持MegaBasic的擴(kuò)充版本。
通過(guò)以太網(wǎng)接口模塊，可以將GE90-30系列PLC連接到以太網(wǎng)上，并完成編程、在線監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊等功能。
AQUAFLUX型電磁流量計(jì)
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用的AQUAFLUX流量計(jì)適用于污水的流量測(cè)量，其采用經(jīng)濟(jì)、堅(jiān)固型設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)達(dá)到了IP67，工作溫度可達(dá)90℃，工作壓力可達(dá)40bar/580psig，同時(shí)加裝了IFC110型信號(hào)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器上配有RS-485接口。
軟件設(shè)計(jì)
要保證通信的準(zhǔn)確可靠，通信雙方必須遵守一定的通信協(xié)議。本系統(tǒng)中的所有通訊遵循主從方式，由上位機(jī)(PCM模塊)查詢，下位機(jī)(電磁流量計(jì))回應(yīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其主機(jī)查詢命令報(bào)文格式如表1(皆為十六進(jìn)制數(shù))：
表1 報(bào)文格式
* 第0~4字節(jié)為同步字節(jié)SYN=16H，同步字節(jié)最少為3個(gè)，現(xiàn)發(fā)送5個(gè)
* 第5字節(jié)為起始位STX=02H
* 第6字節(jié)為設(shè)備碼位DEV，它的編碼是唯一的，對(duì)于電磁流量計(jì)DEV=91H
* 第7字節(jié)為地址位ADR，它可以選0到239中的值，240到255是為特殊用途預(yù)留的
* 第8字節(jié)為版本位VER，它可以設(shè)為任意值
* 第9字節(jié)為功能位FCT=18H，18H代表讀取測(cè)量值
* 第10~11字節(jié)為密碼位PASSWORD，0000H代表無(wú)密碼，F(xiàn)FFFH代表有密碼
* 第12字節(jié)為校驗(yàn)和CS，它是從STX開(kāi)始，加上整個(gè)信息字段，再加上被累加的個(gè)數(shù)(此處是7個(gè))，然后在對(duì)100H 取余，即CS=[(02+91+01+01+18+0+0)+7]MOD100=B4
* 第13字節(jié)為結(jié)束標(biāo)記ETX=03H
PCM模塊數(shù)據(jù)采集程序利用循環(huán)程序進(jìn)行通訊采樣，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)校驗(yàn)后實(shí)時(shí)傳給PLC的CPU，MegaBasic變量與PLC 的CPU地址建立連接是通過(guò)SYSLINK命令實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)寫入可用SYSWRITE命令，斷開(kāi)地址連接可用UNLINK命令。具體流程如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)利用PCM模塊的可編程性實(shí)現(xiàn)了流量數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)采集和計(jì)算，使用起來(lái)靈活方便，減輕了PLC主CPU的負(fù)擔(dān)。該采集系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行一年多，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，通訊效率很高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
