S7-200 PLC在无线“三遥”调度系统中的应用

1 引言
某供水调度系统始建于1994年，当时只有4个管网测压点，终端机采用8031系列的单片机。1999年，系统进行了升级，终端机采用了8052系列的单片机。在单片机应用的程序主要完成数据采集、数据的临时存储和通信功能。结这几年的使用情况，认为采用以单片机为CPU的终端机能够满足管网测压的基本要求，特别是价格低廉，使用简单，降低了系统的一次投入成本。同时，也发现以单片机为主的终端机有一些缺陷，比如防干扰能力差，不能扩展。特别是随着社会和科学技术的快速发展，有些元器件停产或者升级，这对的产品维护和系统可靠运行提出了难题，需要开发出一种既可以满足当前“三遥”系统功能要求，而且使用简单可靠，又能满足将来“三遥”系统升级要求的产品。经过认真研究和论证，决定采用西门子S7-200 PLC(可编程控制器)为核心，开发了新一代终端机。

2终端机硬件设计
2.1 PLC可编程控制器选型
S7-200 PLC可以满足多种多样的自动化控制需要，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的通信和联网能力，使得它可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性，可以在非常恶劣的环境下工作。S7-200 PLC已经形成了各种系列化、标准化的产品，其开发编程工具简单易用，一般的电气工程师容易掌握，通用性好，升级换代、扩充维护方便，非常适合做“三遥”系统的终端机。
2.2 终端机硬件设计
终端机由PLC、直流开关电源、进口数传电台、天线等几部分组成。S7-200 PLC易于扩展，根据用户需求可以选用不同扩展模块以实现各种功能。终端机可以应用于管网监测、井群控制等场合，需要实现的功能有:
(1) 模拟量/脉冲量输入，开关量输入(输入点数根据扩展I./O模块数量决定);
(2) 实时接收中心调度室的命令(随机点测、定时自动巡测、补调数据等)，将相应的数据(流量、压力、开关状态等)发送回中心调度室;
(3) 定时存储数据(30min/15min存一次，至少存一天)，定时将数据通过无线数传电台传送至中心调度室;
(4) 自报功能，开关量状态转换可以自报，模拟量上下限自动报警;
(5) 遥控/遥调功能，接收到中心调度室的命令，可以启动或停止电机，可以调节阀门开度大小;
要实现以上功能，特别是数据存储功能，需要考虑CPU的存储器大小和是否具有实时时钟。因此，终端机CPU选用了S7-224，模拟量输入模块则采用EM231。
S7-224 CPU提供一个RS-485接口，而数传电台一般均为RS-232接口，所以需要配置一个485-232转换器。对于有的数传电台发射时需要RTS信号，而RS-485接口又不提供RTS信号，解决这个问题的方法是，采用PLC的某一I/O输出点，产生RTS信号，由PLC在发送信息前现接通该点，控制数传电台发射，延时一段时间后(电台建立载波时间)，再发送信息。这一种方法简单、实用，较好的解决了无线通信的接口问题。
为提高系统的可靠性，数传电台、PLC、直流稳压电源及部分变送器装于一个控制箱内，各部分相对独立，便于维护。PLC开关量输入、输出与现场之间加继电器隔离，模拟信号采用信号隔离器和配电器隔离，电源采用隔离变压器供电，以减小电源“噪声”，同时系统设置良好的接地。

3 终端机软件设计
3.1 功能化模块设计
PLC终端软件采用梯形图语言编写，为提高终端的抗干扰能力，软件设计中采用了数字滤波、故障自检、控制口令等措施，保证控制操作的正确性和可靠性。程序设计采用模块化、功能化结构，便于维护、扩展。终端软件主要由下列模块组成。
(1) 初始化程序:设定各寄存器、计数器、PLC工作模式、通信方式等参数初始值。
(2) 数据采集子程序:对各路模拟量数据采集、滤波、平均等处理。
(3) 定时存数子程序:每15min存储数据一次;
(4) 累计运行时间子程序:对泵机等设备的运行时间进行累计。
(5) 遥信子程序:检测电机、阀门、报警开关等设备的运行状态。
(6) 置初值子程序:由监控中心对时间、电耗、流量等累计参数按用户的要求设定初始值。
(7) 故障自检子程序:检测PLC的故障信息、校验信息，并发往监控中心。
(8) 控制子程序:根据监控中心的命令，或现场自控条件输出相应的操作。
(9) 通讯子程序;完成与监控中心的各种通信功能。
3.2 技术关键
(1) 在编写调试终端机程序的过程中，我们发现通信子程序难度大一点，需要多费些时间和耐心去调试。因为相对于有线通信来说，无线通信需要考虑的因素更多，比如通信干扰、RTS时间延迟处理等。
(2) 笔者利用了中断来编写通信部分子程序，用到中断有:通信口0接收字符、通信口0传输完成，定时器0中断。在通信接收中断服务子程序中，一定要注意判别接收到的字符数。因为中心调度室发送过来的命令中的字符数是一定的，如果PLC接收到的字符数超过某个数目，则PLC需要初始化通信接收有关的变量、标志，重新开始接收。而对于PLC发送响应信息时，如果需要RTS控制信号，则要控制好RTS延时的时间，RTS时间太短，则可能使得中心调度室接收到的信息不完整，造成通信失败;RTS时间太长，又有可能与中心调度室通信冲突，也造成通信失败。总之，无线通信程序调试时，需要与上位机软件紧密结合，耐心调试，才能确保在现场实际应用中，达到系统设计要求的功能。
4 结束语
本终端机在软、硬件方面采取了多种措施，特别是选用了S7-200 PLC，提高了终端机的可靠性，在“三遥”供水调度系统中系统取得了较好的应用效果。特别是在我公司去年投入运行的十多口水源井中，采用了此终端机，公司中心调度室能够随时监测各水源井设备状态，并且可以控制水泵的开停，真正实现了无人看守，对水厂的安全运行、提高供水质量、节能降耗、优化管理等方面起到了至关重要的作用。“三遥”系统将无线通信与S7-200 PLC有机的结合，解决了现场分布较散、距离较远、范围较大的系统监控问题，在供水、供电、供气、油田、气象、水文水利等部门有较好的应用前景。