基于西门子PLC的水库实时监测系统设计

陈飞良 白龙 王恺 杨书杰 马骏驰 朱永银 霍岩

摘 要：本文提出了一种基于PLC工业网络的水库水质实时监测系统，详细介绍了该系统的结构框架、前端采集系统、传输系统和后台处理系统，该方案具有较高的可靠性，便于统计分析数据，对相关工程项目有一定参考价值。

关键词：数据采集；PLC；水质在线监测

水库监测系统的功能要求

随着社会的发展和人们对生活健康的关注，加上水资源的日益短缺和恶化，水质监测系统的运用备受关注。水质监测技术已经成为自来水厂对水体水质、水体状况进行实时监测的主要手段。目前国内常规的实验室取样检测技术已经无法在第一时间获取水污染状况的准确信息。而且分析速度慢、操作復杂、稳定性差。此外，随着水资源污染的日益加剧，具有较好水质的水库越来越少，不少水库都远离自来水厂，采用以往到水库取样检测水质的监测方法已经远不能满足水厂工作发展的需求。因此，发展远程水质在线监测系统势在必行。水质在线监测系统克服了常规水质分析仪器的缺点，可以实现随时获取水质数据，常见方法有基于无线传输采样和基于有线传输采样。两者在采样的稳定性和可靠性上比较，有线传输的优势明显，在各种恶劣的气候环境中都能传输水质数据给水厂。因此，本文将设计一个基于西门子PLC的工业化网络系统，将其应用到水库水质在线监测，实现实时、连续、稳定、可靠的传输监测数据。

基于西门子PLC系统的水库实时监测系统总体框架设计

本系统设计考虑到水库地理位置较远，对数据传输可靠性及实时性要求高，不需要频繁对设备进行维护保养，以降低后期运行成本。系统采用工业网络结构，以西门子PLC作为现场站点用于信息采集，采用有线信息传输方式，避免在各类恶劣的自然环境下不能可靠地将数据及时上传的情况，通过传感器将水库水质参数信号转化为模拟量电信号，再将模拟量信号发给PLC， PLC将采集的数据通过租用电信运营商的光纤实现长距离的数据传输至监控中心，优点是不需要铺设专用光纤，性价比高，并能抵抗一定程度的外部恶劣环境。该系统综合使用了传感器、PLC、组态技术及工业网络通信。特点是自动化程度高，系统集成度高，可以实现大量智能化站点集成，并兼容市场主流的各家仪表。水库水质实时数据监测系统由水质参数采集单元、现场监测站PLC单元、通信单元、监测中心系统和报警系统组成。现场监测站PLC单元将采集信息通过通信单元发送给监测中心系统，监控中心系统将采集数值与预警值对比，达到报警值则发出警示信号。整个系统工作以在线自动监控设备为核心，通过及时获取水样，数据采集传输和远程监控等技术手段达到水质自动检测的最终目的。

子系统设计

前端现场监测站PLC单元

每个水库至少设置一个现场监测站，根据水库大小安装若干个水质参数监测传感器，包括温度、电导率、溶解氧、pH、浊度等参数，通过线路连接到PLC输入端口上。前端的PLC可以采用S7-200、S7-1200等型号，以S7-1200为例，S7-1200配有4路、8路模拟量输入模块，可以传输电压或电流信号，范围是±10 V或 0-20 mA。电压和电流信号可以通过NORM_X和SCALE_X指令转化成参数的数字值，NORM_X 用于标准化参数 MIN 和 MAX 指定的值范围内的参数VALUE，通过将输入 VALUE 中变量的值映射到线性标尺对其进行标准化标定。在模拟量的转换中，MIN和MAX表示的是模拟量模块输入信号对应的数字量的范围，输出OUT = （VALUE - MIN） / （MAX - MIN），其中，0.0 <= OUT <= 1.0。SCALE_X 用于按参数 MIN 和 MAX 所指定的数据类型和值范围对标准化的实参数 VALUE（其中，0.0 <= VALUE <= 1.0）进行标定，通过将输入 VALUE 的值映射到指定的值范围来对其进行缩放。 当执行“缩放”指令时，输入 VALUE 的浮点值会缩放到由参数 MIN 和 MAX 定义的值范围。输出OUT = VALUE （MAX - MIN） + MIN。

传输系统

水库离监测中心较远，通常采用光纤传输，这里租用电信运营商的光纤传输数据，不需要铺设专线，极大地降低了成本，可以实现上百公里的数据传输，并能抵抗一定程度的恶劣环境。

监测中心系统

监测中心控制系统利用工业组态及分析软件可将上传的水质参数数据保存并分析，当水质参数发生较大变化时或低于国家相关标准时，能通过报警系统自动发出声光报警，如：数据异常、参数严重不达标等。从而能在第一时间内快速准确地掌握水库的水质信息。

结语

本系统设计采用的工业网络，可以满足水质参数的实时传输，与无线网络传输相比较，可靠性更高，更能抵抗恶劣的自然环境，系统兼容性好，各类厂家的传感器都可以使用，而且后期维护工作量小，具有一定的实用价值。

（作者单位：江苏海事职业技术学院）

【参考文献】

[1] 杨守波，冯志彬.基于PLC的水库在线水质监测系统的实现[J].北方工业大学学报， 2016（01）.

[2] 张雪，邓中亮.基于PLC的水质自动监控系统设计[J].微计算机信息，2009（04）.

[3] 余迎，刘光临，熊晓明.PLC在水质在线监测系统取水配水控制中的应用[J].中国农村水利水电，2006（05）.