S7200无线PPI通信在污水处理厂的应用交流发电机

S7-200无线PPI通信在污水处理厂的应用

S7-200无线PPI通信在污水处理厂的应用 2011年12月02日 来源： 摘要：采用实时无线PPI通信模块SY-S72，通过OPC软件PC Access上位机的组态软件，实现了多个提升、排海泵站和中控室的实时通信。研究了PPI协议的通信时间开销，并和现有的其他方案进行比较。 关键词：无线PPI通信；S7-200；OPC；组态软件；水厂泵站 1 项目简介南山污水处理厂隶属于市排水管理处，位于南头半鸟月亮湾畔，是深圳市污水排海工程的重要组成部分；由深圳市给排水工程建设指挥部负责建设，南昌有色冶金设计研究设计院设计，深圳市市政工程公司等单位施工；于1988年3月动工，1989年11月竣工投产，一期工程投资4500万元，服务范围为南头、南油以及蛇口的部分地区，服务人口为8.5万人；二期工程于1989年12月动工，1997年6月25日海洋放流管及厂区污泥部分建成并投入使用。全部工程完工后服务人口为121.68万，污水处理为73.6万m3/d，占地面积15.416公顷。 深圳市污水排海工程是将福田区皇岗路以西的城市污水通过截流管（渠）系统输送到南山污水处理厂，经一级处理后，再用水泵加压送至妈湾，通过工作井进入海洋放流管，经扩散器均匀地将污水排入珠江口深海，利用海水巨大的稀释自净能力来满足环保要求。此工程包括从皇岗路到排海口的截污主管（渠）；长32.04km，滨河、新洲、凤塘、后海、前海、登良等6座污水提出升泵站；南山污水处理厂1座；海洋放流管1根，长1609m。在其中6个提升泵站、1个排海泵站中，均采用了S7-200作为泵站控制系统，在中心控制室采用Intellution FIX组态软件和中心S7-400 PLC控制系统。泵站系统本着开放式、模块化的原则，系统设中央控制和现场监控两级，即中央控制室和7座泵站(PLC1～7)。中央控制室内装有2台工控机(一用一备)，直接实时采集各泵站的现场信号，并使系统可以 灵活、方便地实现从中心控制站进行的无线编程和组态工作。污水泵站分为两种：提升泵站和排海泵站。提升泵站设置于污水管道系统中，用以抽升城市污水。而排海泵站设置于海边，将处理过的污水加压通过海洋放流管排入海底。

泵站控制工艺流程如图1所示。各企业排放的工业污水、城区的生活污水及上一级泵站输送来的污水进入集水池，在集水池和出水池之间通过一个启闭机连接，当启闭机开启时，集水池内的污水通过重力自流进入出水池，当该启闭机关闭时，集水井内的污水与出水池不连通。在启闭机后是格栅机， 格栅机的主要功能是过滤从集水池进入出水池的污水， 将漂浮在污水上的木条、布匹等杂物从污水中捞起，防止大体积的杂物进入出水池堵塞潜水泵。潜水泵是整个污水泵站的核心设备，它安装在出水池内，将出水池内的污水提升输送到下一级泵站。电动阀安装在每台泵的出水管上， 当对应的潜水泵运行时， 该阀开启，污水从出水池输送到下一级泵站去；当对应的潜水泵停止时，该阀关闭， 防止出水管内的水倒流进入出水池。提升泵站的配置要求： 2个格栅前进水启闭机，2个格栅后出水启闭机，2台格栅，6台潜水泵，6个与泵对应的出水阀门，1台与格栅连动的皮带机，2个液位差计，1个液位计，1个出水流量计和1 个出水管道压力计。2 控制系统构成2.1硬件配置与选型通过上述的生产需求及系统设备分析，可确定控制输入/输出的数量。数字量输入：启闭机4台（开启/关闭、开状态），3×4=12点；格栅机2台（启动/停止、开状态），3×2=6点；皮带机1台（开状态）1×1=1点；潜水泵6台（启动/停止、开状态），3×6=18点；出水阀门6个（开启/关闭），2×6=12点；合计49点。模拟量输入：液位计2台，1×2=2点；流量计1台，1×1=1点；压力计1台，1×1=1点； 合计4点。继电器输出：启闭机4台（启动、关闭），2×4=8点；格栅机2台（启动），1×2=2点；皮带机1台（启动），1×1=1点；潜水泵6台（启动），1×6=6点；出水阀门6个（开启、关闭），2×6=12点。根据数字量和模拟量的点数要求，预留15%的数量，泵站控制器选用了西门子的S7-224XP作为控制系统，本机上具有14路数字量输入，10路继电器输出，2路模拟量输入，并配上了一个8路继电器输出EM222模块，一个4路模拟量输入模块EM231，由于要求本地有就地控制和显示的需求，配上了一个TD200作为显示和控制人机界面。控制系统采用工控机一台，以太网接口用于连接污水处理厂内的控制系统，而串口直接用来连接7个泵站的S7-200，中间通过无线的PPI通信模块SY-S72进行连接。控制系统采用了Intellution IFix软件，运行在Windows Server 2003系统上。通过西门子S7-200的OPC软件PC Access进行在线实时读写S7-200的数据。PPI无线通信模块SY-S72是一款基于433MHz的ISM频段的无线传输模块，收发一体，支持PPI协议，采用24VDC供电，由于本站最远的距离为8km，采用功率为5W的传输模块。系统中采用的通信协议为PPI协议，具有安全性、稳定性。在泵站控制系统S7-200 PLC，不需要对通信进行编写任何一条通信语句，完全采用S7-200支持的PPI协议，完成主站的轮询通信任务。系统网络结构图如图2所示。

2.2 系统通信方案的比较最初考虑的是敷设通信电缆，但从中控室到每个泵站，全是市政设施，敷设困难，而且成本很高。和市面上传统的无线电台通信比较而言，采用赛远的SY-S72专用PPI无线通信模块，保证了实时性（时延小于5ms），从而可以采用对于实时性要求相当高的PPI协议，进行上位机和S7-200的无线实时通信，在上位机组态软件中只要进行地址和所需要通信变量的设置即可，对于西门子PLC S7-200的V、M、I、Q等变量区均可以任意设置。而传统的无线通信方式，一般的无线通信时延较大，大部分采用自定义协议，如自由口的ASCII传输，或者基于ASCII的MODBUS协议传输。该类传输，由于采用的都是明文传输，在空中无线传输时，协议容易被破解。对于工程师来说，除了在PLC上需要编写大量的接收和发送程序外，还需要在上位机上进行串口ASCII的程序编写，对工程师的电气和IT水平要求较高，并且延长了开发周期。和传统的GPRS方式比较，通信的时间从不确定的几秒到十几秒，缩短为毫秒级，实时性提高了好几个数量级，而且不像通过GPRS公网的方式，需要不断产生较高的流量费，由于采用的是ISM免费频段，没有后续的费用产生。3 控制系统的功能在7个泵站，根据采集的泵坑液位，通过对S7-224XP编程以控制泵、阀门、格栅机等设备，实现泵站的独立控制，同时通过对7个泵站的信号采集，实现中央统一调控，满足生产的需要。本系统对于7个泵站的轮询，将采集每个站的参数，并在远程控制时发送控制命令到S7-200。平时采集任务中，每个泵站的参数平均为30个字节，每个字节含有1个停止位，8个数据位，1个校验位和1个停止位，传输速率为9600bps。由于PPI协议需要在加密和校验上进行打包和拆包，传输的有效率为30%左右。理论上的传输所需时间为30×11÷30%÷9600×1000=114ms，加上主站的询问大约为30ms，每个站的轮询时间理论上为144ms，7个站轮询过后大约需要1s的时间。而实际上需要1.5s左右，除了各个站通信间隙和无线通信的时延之外，主要是由于每个站的各个参数的地址和存储格式不同，造成主站和从站进行通信的过程中，需要多次询问。为了提高效率，有如下方法：（1）可以在PLC上开设一块连续的数据存储映射区，将M、I、Q等均映射到一个连续的V存储区，这样在上位机读写的时候，可以进行一个双字为单位的读写，并且数据区连续，提高通信的有效率。（2）提高通信的波特率到19200bps。但提高无线的通信波特率，对于相同功率的无线通信模块来说，传输的距离将减少，如果距离不够，需要增加发射功率芯片或者加装增益更大的定向天线。（3）通过主站增加不同频段的SY-S72，将更少的站建立成PPI网络，以获得更短的轮询时间。4 项目中的难点及解决方案本项目中的难点在于远距离的无线通信的建立，特别是对于西门子PPI协议的高实时性要求。利用赛远SY-S72无线通信模块解决了这个难题，充分利用西门子PPI协议的安全机制，并且给上位机和PLC的编写程序提供了便利。由于系统为分布式构造，因此无线通信系统的安装、调试过程尤为重要。无线接收、发射器的位置选择直接影响信号的传输效果及设备的运行安全，项目中将收发器安装于房顶防雷雨处，减少了其他电器设备的干扰。调试过程中，不断地调整收发器方位以实现信号最强化，同时对通信模块及相应电源单元进行长时间测试，确保模块的运行性能质量不存在问题。项目中曾出现由于电源接触端子未接好，接收信号出现断续情况，通过多方面长时间的调试才能发现问题并予以解决，保证生产的正常运行。 5 项目运行该无线系统针对污水提升泵站和排海泵站分散分布的特点，利用无线实时通信，构成SCADA控制系统，实现污水泵站无人值守，改善了过去人工记录和操控的弊端，提高了污水泵站使用效果，使污水泵站运行、控制与管理更加真实、准确，降低了运行费用，设计先进、运行可靠，自去年投入使用以来，运行一年多时间，取得了良好的社会和经济效益。参考文献[1] 杨启尧,项国云，徐柳娟.PLC在污水泵站群远程控制系统中的应用[J].浙江水利水电专科学校学报，22 (3):57[2] 深圳市赛远自动化系统有限公司.无线SY-S72通信模块使用手册

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