系統設計
水閘泵站計算機遠程監控系統需要實時采集河道的水位、流量、水閘閘門的高度、水泵開啟狀況以及雨量等水情工況，為調水調度、水閘泵站的控制提供決策依據。河北省引朱濟邢引水工程是引朱莊水庫的蓄水至邢臺市區的鋼廠和電廠。一條輸水管道自水庫尾水池引水，沿河右岸鋪設，在調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化管理的要求，該工程采用了計算機監控系統進行工程的調度及管理。整個工程設有水庫、調度中心、鋼廠和電廠四個管理站(見圖1)，監視并控制沿線的閘門和閥門狀態，監測管道的壓力和實時流量。
圖1 系統框圖
其中水庫和調度中心本地的流量數據可以通過RS-485總線直接上傳到工控機中，而鋼廠和電廠由于距離水庫和調度中心比較遠，當地的實時流量數據不能直接通過RS-485總線上傳，所以采用了本文所述的流量數據采集方案：先通過RS-485總線將數據上傳至當地的PLC中，再經光纖以太網與水庫和調度中心的工控機通訊。為了準確的反映出現場的實際情況，水庫和調度中心要求實時顯示出鋼廠和電廠流量的瞬時值和累計值，這樣水庫和調度中心管理站才能根據現場的情況調節閘門和閥門的狀態。同時由于鋼廠和電廠還需要做到無人值守，所以必須保證設備采集數據的實時性和準確性。
鋼廠和電廠兩個管理站都配置了GE公司的90-30系列PLC，包括電源模塊、CPU模塊、以太網接口模塊、可編程協處理模塊。電磁流量計采用的是上海科隆光華儀器有限公司的AQUAFLUX型電磁流量計，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采集。整個采集系統的關鍵是將流量計的數據上傳至PLC相應的寄存器中，此功能是通過為PLC配置的可編程協處理模塊PCM來完成的，PCM模塊通過RS-485總線采集電磁流量計的數據，然后通過開發的通訊程序計算出瞬時流量和累計流量，并寫入PLC相應的寄存器單元，最后通過以太網接口模塊和交換機連接到光纖以太網上，將數據傳送到水庫和調度中心兩個管理站。
系統硬件
GE90-30系列PCM模塊
GE Fanuc自動化公司的可編程協處理模塊是一個用來執行協處理功能的高性能微型計算機，它集通訊模塊(CCM)和ASCII/BASIC模塊(ABM)于一體，具有較大的存儲容量和完善的功能。
PCM模塊內含一個8MHz的80C188微處理器，其板載RAM隨機存儲器，可選擇160、192或640Kbytes三種容量。每個PCM模塊占用主CPU框架中的一個槽位，連接后可以使用PLC自身的內存。另外PCM模塊內含兩個串口、一個與PLC同步的實時時鐘、重啟動/復位按鈕、三個狀態指示燈。PCM模塊的初始化可由軟件進行配置，不需要通過DIP撥碼開關和跳線進行設置。
PCM模塊被應用于PLC系統之前，首先要對其進行配置。它可以配置成CCM ONLY、BASIC、BAS/CCM、NONE、PCMCFG、PROGPRT，PROG/CCM和CCM/PROG幾種模式。本工程需要開發流量計的數據采集和流量計算的程序，又要通過RS-485總線與流量計之間進行通訊，所以需把端口設置成BAS/CCM模式。同時還應配置好端口的主從模式、接口類型、波特率及奇偶校驗類型等信息。
將PCM模塊的RS-485接口(port2)與電磁流量計的RS-485接口通過屏蔽雙絞線互連，接線圖如圖2所示。
圖2 2-Wires RS-485 PCM 連接圖
為了在線開發數據采集程序，需要外接一個與VT100兼容的終端顯示器，所以將PCM模塊的RS-232接口(port1)與PC機的串口相連，用Windows系統自帶的超級終端(與VT100兼容)進行程序開發。接線圖見圖3。
圖3 PCM與PC機連接圖
當端口配置成CCM運行時，CCM端口可以被配置成主、從，或對等通信模式。通過這種設置，可以在PLC和外部設備之間傳送數據。對于從或對等模式，一個外部CCM設備(例如工控機)可以通過PCM模塊的端口向PLC發送或請求數據。在主或對等模式下，PLC CPU中的應用程序可以啟動連接到PCM端口上的CCM設備，實現數據傳送。
PCM模塊內嵌功能強大的MegaBasic。通過編程可以實現數據的收集、存儲、實時計算和操作員界面功能。MegaBasic程序可以使用Windows標準的文本編輯器離線開發，也可以通過連接到PCM編程口上的終端在線開發。MegaBasic解釋器也允許在MS-DOS環境下離線開發，但是MS-DOS不支持MegaBasic的擴充版本。
通過以太網接口模塊，可以將GE90-30系列PLC連接到以太網上，并完成編程、在線監視、數據采集和點對點通訊等功能。
AQUAFLUX型電磁流量計
本數據采集系統選用的AQUAFLUX流量計適用于污水的流量測量，其采用經濟、堅固型設計，防護等級達到了IP67，工作溫度可達90℃，工作壓力可達40bar/580psig，同時加裝了IFC110型信號轉換器，轉換器上配有RS-485接口。
軟件設計
要保證通信的準確可靠，通信雙方必須遵守一定的通信協議。本系統中的所有通訊遵循主從方式，由上位機(PCM模塊)查詢，下位機(電磁流量計)回應相應的數據，其主機查詢命令報文格式如表1(皆為十六進制數)：
表1 報文格式
* 第0~4字節為同步字節SYN=16H，同步字節最少為3個，現發送5個
* 第5字節為起始位STX=02H
* 第6字節為設備碼位DEV，它的編碼是唯一的，對于電磁流量計DEV=91H
* 第7字節為地址位ADR，它可以選0到239中的值，240到255是為特殊用途預留的
* 第8字節為版本位VER，它可以設為任意值
* 第9字節為功能位FCT=18H，18H代表讀取測量值
* 第10~11字節為密碼位PASSWORD，0000H代表無密碼，FFFFH代表有密碼
* 第12字節為校驗和CS，它是從STX開始，加上整個信息字段，再加上被累加的個數(此處是7個)，然后在對100H 取余，即CS=[(02+91+01+01+18+0+0)+7]MOD100=B4
* 第13字節為結束標記ETX=03H
PCM模塊數據采集程序利用循環程序進行通訊采樣，接收到的數據經過校驗后實時傳給PLC的CPU，MegaBasic變量與PLC 的CPU地址建立連接是通過SYSLINK命令實現的，數據寫入可用SYSWRITE命令，斷開地址連接可用UNLINK命令。具體流程如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
結語
本系統利用PCM模塊的可編程性實現了流量數據的在線實時采集和計算，使用起來靈活方便，減輕了PLC主CPU的負擔。該采集系統已經投入運行一年多，運行狀態穩定，通訊效率很高，達到了設計要求。
