A water pumping control system with a programmable logic controller (PLC) and industrial wireless modules for industrial plants—An experimental setup
ABSTRACT
This paper describes a water pumping control system that is designed for production plants and implemented in an experimental setup in a laboratory. These plants contain harsh environments in which chemicals, vibrations or moving parts exist that could potentially damage the cabling or wires that are part of the control system. Furthermore, the data has to be transferred over paths that are accessible to the public. The control systems that it uses are a programmable logic controller (PLC) and industrial wireless local area network (IWLAN) technologies. It is implemented by a PLC, an communication processor (CP), two IWLAN modules, and a distributed input/output (I/O) module, as well as the water pump and sensors. Our system communication is based on an Industrial Ethernet and uses the standard Transport Control Protocol/Internet Protocol for parameterisation, configuration and diagnostics. The main function of the PLC is to send a digital signal to the water pump to turn it on or off, based on the tank level, using a pressure transmitter and inputs from limit switches that indicate the level of the water in the tank. This paper aims to provide a convenient solution in process plants where cabling is not possible. It also has lower installation and maintenance cost, provides reliable operation, and robust and flexible construction, suitable for industrial applications.
Keywords:PLC；Distributed I/0； Industrial wireless LAN； Profmet
- Introduction
Modern production processes use industrial automation sys-tems. The automation of these processes is inevitable, and results in high efficiency and high-quality production. Day to day produc-tion tasks have rapidly progressed toward this level of automation. Automatic control systems enable a process to be operated in a safe and profitable manner. This can be achieved by continually mea-suring process operating parameters, such as temperatures, pres-sures, levels, flows and concentrations. These parameters can be used to automatically make process decisions, for example, actu-ating valves or pumps, and controlling heaters, so that selected process measurements are maintained at desired values.
Pumping equipment in modern manufacturing systems may be in the primary equipment for many industrial production activities, especially in chemical or food industries [1]. Pumping systems usually exist in the outer parts of the production plants. They are located in harsh environments that can damage any sort of cabling. Recent developments in communication technology have provided appropriate solutions for this problem.
Data communication plays an important role in the rapid devel-opment of industrial automation systems. Industrial automation systems enable peripheral production units to operate properly. By making data communication between all product systems possi-ble, they also provide information from all systems to the top-level management. Distributed production plants or services require the use of heterogeneous networks, consisting of local and wide- area networks, and wired and wireless communication systems operated by different organisations, such as CAN (Control Area Network), Interbus, DeviceNet, Hart, Modbus, AS-I (AS-Interface), Profibus and FOUNDATION Fieldbus [2,3]. Wireless LAN technol-ogy is widespread in office environments, especially small office or home office settings. As previously stated, traditional network-ing offers many advantages, but requires cables to interconnect de-vices. This leads to high installation and maintenance costs, due to low scalability and the high failure rate of connectors. One of the most promising innovations in manufacturing plants is the introduction of wireless technology. The opportunity to replace the large number of cables that currently wire the plants with a wireless system will allow for reduced deployment and mainte-nance costs. Wireless systems also enable new applications be-cause of the enhanced mobility and more flexible communication paradigms [4,5]. For this reason, wireless technologies have had enormous success in the consumer goods industry in the last few years. Wireless solutions are becoming more and more attractive for the communication systems of manufacturing plants. In addi-tion, the adoption of wireless solutions at the sensor level offers other advantages: continuous, high-resolutionrsquo; ubiquitous sens-ing; support for mobility; redundancy; and compactness [6].
To be able to use wireless communication technology in an industrial area, it is advisable to use products specially designed for such an environment Wireless solutions are being used increasingly in process plants to meet the needs of modern work practices.
Wireless technologies may have considerable savings installa-tion cost and a degree of flexibility not possible in wired systems. Wired control systems require trenching to lay new wire; repairing old wire or replacing stolen copper wire can be extremely expen-sive. Lower installation and maintenance costs, less interference from physical barrier problemsrsquo; incongruity between standards be-ing minimised and the transmission bit rate being increased to 54 Mbps are some of the specific profitable features of wireless net-working [7].
There are several restrictions when using wireless systems that should be carefully taken into consideration, for instance, security issues, reliability, coverage area and fault tolerance. Insufficient information about these problems and their solutions can use away, despite the advantages of wireless networks [7].
Several parameters must be considered for industrial wireless communication. In [8], all relevant parameters which might
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可编程逻辑控制器（PLC）和工业工业无线模块厂实验装置组成的水泵控制系统
摘要
本文介绍了一个专门为生产厂和实验装置在实验室实施了水泵控制系统。这些厂的化学物质对环境有恶劣的影响，振动或运动部件可能存在对控制系统部分的电缆或导线潜在的危险。此外，该数据需要通过可访问的公共路径来被访问。这个控制系统实际上是被用在可编程逻辑控制器（PLC）和工业无线局域网（IWLAN）技术中的。它是由一个PLC，一个通信处理器（CP），两个IWLAN模块来实现，并且分布式输入/输出（I / O）模块，以及水泵和传感器。我们系统的通信是基于工业以太网和使用标准的传输控制协议/互联网协议参数设置，配置和诊断。PLC的主要功能是发送一个数字信号给水泵将其打开或关闭，基于该罐的水平，使用来自限位开关指示水在罐中的液位的压力变送器和输入。本文旨在提供一个在无法布线的处理厂便利的解决方法。它也具有较低的安装和维护成本，提供了可靠的操作，以及坚固的和灵活的结构，适用于工业应用。
关键词：PLC、分布式IO、工业无线LAN、Profinet
- 简介
现代化生产过程使用工业自动化系统。这些流程的自动化是必然的，并且随之带来的是高效率和高品质的生产。日常生产任务迅速走向自动化这个级别的进展。自动控制系统使得在安全的和有利可图的方式操作的方法成为可能。这可以通过连续测量流入工艺操作参数，如温度，压力祖雷斯贝尔，水平，流量和浓度来实现。这些参数可以被用来自动地作出决定的过程，例如，气动执行阿婷阀或泵，并控制加热器，使得选择过程测量被保持在所需的值。
在现代制造系统抽水设备可能是在许多工业生产活动的主要设备，尤其是在化学或食品工业[1]。泵送系统通常存在于生产装置的外部分。它们存在于恶劣环境中，可以破坏任何种类的布线。在通信技术的最新发展已经为这个问题提供相应的解决方案。
数据通信中在工业自动化系统的快速发展中扮演着重要角色，工业自动化系统使外设生产经营单位能正常运行。通过做数据交流来使产品系统成为可能，他们还提供从所有系统的顶层的管理信息。分布式生产工厂或服务要求使用异构网络，包括本地和广域网络，以及有线和由不同的组织，如CAN（控制区域网络），Interbus，DeviceNet，Hart，MODBUS，AS-I (AS-Interface），Profibus和基金会现场总线[2,3]。无线局域网技术是在办公环境中，特别是小型办公室或家庭办公室设置广泛。如前所述，传统的网络 - 荷兰国际集团提供了许多优势，但需要电缆互连的设备现在。这会导致高的安装和维修费用，由于低伸缩性和连接器的高失败率。其中最有前途的创新制造工厂是引进无线技术。有机会去代替大量电缆，当今连线的厂与无线系统将允许降低部署和维护成本。无线系统还能使新的应用成为可能，因为增强的移动性和更灵活的通信范例[4,5]。正是这个原因，无线技术在过去的几年里在消费品行业有过巨大的成功。无线解决方案在制造工厂的通信系统中越来越具有吸引力。此外，通过在传感器级别无线解决方案有其它优点：连续性，高分辨率，无处不在的感知;对移动性的支持;冗余;和紧凑性[6]。
为了能够在一个使用无线通信技术工业区，最好是使用专门设计用于这样的环境中的产品。无线解决方案正在被越来越多地用于加工厂，以满足现代工作实践的需要。
无线技术可以具有在有线系统中不具有的相当大的节省安装费用和一定程度的灵活性。有线控制系统需要挖沟敷设新线;修旧线或更换被盗铜线，这是非常昂贵的。降低安装和维护成本，减少物理屏障的问题中的干扰，最小化标准之间的不协调性，并且让所述传输比特率提高到54Mbps使一些无线网络的工作的具体特征有利可图[7]。
工业无线通信中必须要考虑几个参数。在[8]中，这可能会影响定时行为和工业的无线通信系统中的故障模式的所有相关参数进行定义和描述，以及用于工业无线传输测试模型的方法。
几项关于使用在工业厂房的无线通信的研究已经发表了：[7]，已经进行的最显著的分析表明：在这项工作中，对所有工业需求的深入调查，提出：可扩展性，成本效益，可靠性，灵活性，高可用性，抗干扰性强，安全性等诸多因素。这些问题在危险和嘈杂的环境至关重要。经过对现有的无线解决方案进行审查，和对在工业需求和现有的无线标准之间进行的工业探索的潜在匹配。远程自动抄表（AMR）系统随着供水机构的发展而发展[9]。在这项工作中，用于实现本系统中，使用MR（磁阻）传感器和簧片开关还有CYBLE传感器类型的模块，并且用于安装系统的通信，射频和Zigbee模块被使用。在文献[10]中，作者调查的问题，并适用于工业应用的无线通信解决方案：根本的问题，在特定领域中的现有的无线技术的使用情况，和建立混合动力系统。在[4]，无线传感器网络中有详细说明。在[11]中，对用于钻探和批准过程的执行情况的多接口模块（I2M）进行了说明。工作模拟的系统具有工业液压模块（MHI-01），基于该IEEE1451标准。无线工业传感器在许多其他作品已经进行过研究[12-16]。在报道中[17-20]的研究，无线传感器模块被用于家庭自动化。
伺服电机的远程控制与个人进行数字助理（PDA），PLC，无线设备服务器和驱动程序[ 21 ]。系统的通信是通过PDA的无线网卡，无线设备服务器，和PLC的RS-232端口。在[ 1 ]中，设计了一种小容量的抽水系统，构建和测试使用的PLC和变频控制。在这项工作中，建立了系统的通信电缆。在其他的作品中，在一些其他领域进行了使用PLC与传统布线系统过程控制的例子22–[ 30 ]。PLC通常是在工业自动控制系统的主要组成部分。他们是用于内部存储的指令来实现控制功能，如逻辑，顺序，定时，计数和算术。他们通过数字或模拟输入/输出模块来控制各种类型的机械和过程。PLC也可用来监视和控制如电信行业工厂或设备，水和废物管理，能源，石油和天然气精炼，运输[ 23 ]。
本文的目的是为那些无法进行布线的工厂提供一个可行的解决方案。所提出的解决方案应该降低安装和维护成本，提供可靠的运行，并且在工业应用中是坚固的和灵活的。在这项研究中，我们使用西门子SCALANCE W IWLAN的模块，它们是从无线传感器网络（WSN），并与在先前的研究报道中使用WLAN系统不同。
- 系统设计
系统的设计进行考虑了环境的心理状态和过程的细节。图1是控制过程的一个例子。在这个过程中，过程变量（PV）是在水箱中的水位[31,32]。它是由一个压力传递的三和两个限位开关测量（最高和最低水位）上的水箱测量，和这些值输入到自动控制控制器使泵根据水位。如图1所示，从一个水泵控制打开水箱供给水，流入Q1，根据用户的需要通过手动阀控制流出水箱Q2。水箱中的水位是根据从两个限位开关控制器的压力和输入控制的。因此，过程控制模式是–关控制。这是一个不连续的控制动作的形式，也被称为双位控制。在这个过程中，对–关控制器接通当水位处于最低值。控制器控制关闭当水位达到最大值。系统框图，根据环境条件和所需的过程控制设计，如图2所示。
2.1.硬件结构
如图3所示，整个系统由三个不同的单元构成。第一单元是PC。在PC上运行一个名为SIMATIC管理程序，它是用来配置硬件，软件程序包（STEP7），如图5所示，并写了PLC控制程序。该控制程序下载到PLC通过MPI（多点接口）PC适配器通讯电缆。第二单元是主节点，并且它由三部分组成：具有数字和模拟模块的PLC，CP（通信处理器），和一个无线接入点。最后一个单元是在客户节点侧。这个单元位于控制中心的外部部分，并直接连接到设备进行控制。无线客户端模块，分布式I/ O接口模块和电机保护包（MPP）构成客户端节点。
可编程逻辑控制器（PLC）。通常情况下，一个基本的PLC系统[ 33 ]的功能部件是处理器，
内存，电源，输入/输出接口部分，通信接口，和编程装置。图4显示了基本的安排。
处理器单元或中央处理单元（CPU）是含微处理器的单元。这说明输入信号并且执行控制操作，根据存储在其存储器中，传送所述决定作为动作信号，以输出该程序。
电源单元是用来将交流电压转换为低的直流电压所必需的所述处理器和在输入和输出接口模块的电路。
编程装置用于输入所需的程序到处理器的存储器中。该程序在设备中开发然后并传送到PLC的存储器单元。
存储单元是微处理器的程序存储。存储单元存储输入的数据从输出缓冲区的数据处理。
输入和输出部分的处理器是接收来自外部设备的信息和沟通信息的外部设备。该输入可能是从开关或传感器，如光电电池，温度传感器，或流量传感器。这个输出可以连接到电机起动器线圈，电磁阀，或其他致动器。输入和输出设备可以被分类由信号类型，如数字或模拟。
通信接口用于接收和发送在通信网络的数据。它管理设备标准化，数据采集，以及用户应用之间的同步，和连接管理。
在这项研究中我们采用西门子S7313c型PLC，它有24 DIS（数字输入），16 DOS（数字输出），5 AIS（模拟输入），2 AOS（模拟输出），和一个电源（120 / 230 V AC，24 V DC，5）。
通信处理器（CP）。PLC系统以太网模块为一个控制家庭，PLC连接到网络[29]的通信处理器。一个附加的通信处理器被用来允许PLC和IWLAN通过TCP / IP之间的通信。在我们的工作中CP343-1通讯处理器在S7-300可编程逻辑控制器设计用于运行。它允许将S7-300被附着到工业以太网和支持PROFINET IO。
IWLAN模块。无线联网解决了固有布线的物理屏障问题，减少了安装成本，提高了柔韧性，并加速了网络[7]的部署。工业无线局域网是一个通用术语，覆盖了代表的IEEE 802.11标准的增强功能和机制。802.11的标准机制提供了良好的程度的耐用性的工业应用。IWLAN，也支持要求的应用，并提供实时和确定性调度一个特别高的程度，根据需要在PROFINET之中[34]。
在这项研究中，IWLAN的网络使用西门子新的SCALANCE W发电组件创建。无线电网络建立使用SCALANCE W788-1 PRO接入点和被用于一个节点连接到一个IWLAN的以太网客户端模块W744-1 PRO。
分布式I/O模块。当一个系统配置，I/O系统并从过程往往是综合集中在自动化系统中的。ET 200S分布式I / O系统是离散模块，用于连接到处理的一个中央控制器或现场总线信号，高度灵活的DP从站。 ET200S支持现场总线类型PROFIBUS DP和PROFINET IO。本研究采用了ET200S-IM151-3PN标配4个DI，2 DOS，4Als和两个24 V电源模块的PROFINET IO总线[35]。
电机保护包。电机保护包由传统的接触器，热开关，电流测量传感器（CMT），和电压测量传感器（VMT）组成。CMT是用于测量正弦和非正弦交流电流，输入电流的0到100，和回路供电输出4到20毫安。该技术是用于交流电压从0.20至0.440 V，输出信号0.10 V / 0（4）20mA。
2.2.软件结构
该软件为控制系统SIMATIC管理开发。当它被激活时，这是中央窗口被启动的软件程序包（步骤7）。默认设置启动STEP7向导，它帮助程序员创建一个STEP7项目。程序员可以选择编程模式：梯形图（LAD），功能块图（FBD）和指令表（STL）[36]。该项目结构是用来存储和安排所有的数据和程序的顺序。
系统软件分四步完成。第1步设计的解决方案，自动化任务。步骤2配置硬件和网络[37]，如图5所示。第3步在程序中创建梯形图的形式。步骤4传送程序到CPU。最后，该软件是为输入状态，执行程序，并输出状态检测。
- 系统的实现
这种水泵控制系统被设计为通 - 断控制器，通过在PLC中存储的程序操作。数据传输控制水泵由PLC和通过IWLAN模块的分布式I / O提供，如图6所示。分布式I / O通过一个IWLAN无线网络连接到SIMATIC CPU中。通过在PROFINET服务小区的以太网模块连接到SIMATIC CPU与SCALANCE W788-1 PRO接入点。在客户端中，由SCALANCE W744-1 PRO客户端模块和分布式I/ O ET200 S使用。从每个IWLAN的下游是一个分布式I / O ET200 S有4个DI，2 DOS和4Als，提供PROFINET。周期时间（所造成的程序装入）指定为50毫秒，这导致在大约140毫秒的典型的反应时间为32毫秒的更新时间。
结论
IWLAN模块和PLC控制器是自然的技术选择过程自动化和控制。 [7,8]无线网络的工作提供了必要的灵活性，维护成本低，而且在工厂的设计和控制中具有可扩展性。在这项工作中，我们讨论了一个抽水过程的设计和实施。提议的架构和结果证明了用IWLAN协议与PLC有效沟通的可行性。使用工业应用程序的系统进行了测试，它有一个非常令人满意的性能。传统的有线控制系统需要挖沟敷设新线;修旧线或更换被盗铜线是非常昂贵的。在这项研究中，对水泵控制无线通信解决了这些问题，并通过有线控制系统提供了明显的优势。
致谢
这项研究由Gazi 大学的科研项目委员会提供支持，下批于07/2009-06。
参考文献
[1] Ali A, Al_Soud M, Abdallah E, Addallah S. Water pumping system with PLC and
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资料编号：[501427]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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