基于GPRS的恒壓供水系統(tǒng)

引言
恒壓供水在民用、工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，但使用老式控制系統(tǒng)難以得到良好的壓力控制、難以對遠(yuǎn)方多個(gè)水源選擇性控制，并且人機(jī)交互能力也比較差，從而管理難度大，操作復(fù)雜，造成人力物力浪費(fèi)。
基于“集中管理，分散控制”的模式，數(shù)字化、信息化環(huán)保工程的思想，我公司開發(fā)了這套基于GPRS的恒壓供水控制系統(tǒng)，并著眼于“管控一體化”信息系統(tǒng)的建設(shè)，建立一個(gè)先進(jìn)、可靠、高效、安全且便于進(jìn)一步擴(kuò)充的集過程控制、監(jiān)視、無線控制和計(jì)算機(jī)控制于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個(gè)工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與自動控制，實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場無人值守，少人值班，智能調(diào)節(jié)”的目標(biāo)。
1、系統(tǒng)構(gòu)成
設(shè)計(jì)的時(shí)候，在確保先進(jìn)、可靠、開放、安全的前提下，始終堅(jiān)持控制成本的原則。本套系統(tǒng)自動化程度高，人機(jī)交互能力強(qiáng)。我公司采用的無線通訊系統(tǒng)組成見圖1（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖），硬件主要由以下5部分組成：

A、1臺主站可編程控制器CPU226 + EM223 + EM222，一臺MM430變頻器；

B、3臺從站可編程控制器CPU222 + EM231（1塊四路模擬量輸人模塊）；

C、4套GPRS DTU通訊模塊 + 4張移動SIM卡；

D、1臺工業(yè)計(jì)算機(jī)（上位機(jī)） + 1套“StoneView”組態(tài)軟件；

E、2面主站操作顯示屏+1面主站控制柜+3面從站控制柜。

我公司選擇了西門子S7-200系列PLC控制器CPU226和CPU222。CPU226自身帶兩個(gè)可定義通訊口、24DI／16DO，可擴(kuò)展7個(gè)模塊；CPU222帶1個(gè)可定義通訊口、8DI／6DO，可擴(kuò)展2個(gè)模塊（詳細(xì)內(nèi)容參見S7—200 編程手冊）。工控機(jī)使用PPI協(xié)議與主站CPU226 通訊，主站CPU226與從站CPU222采用modbus協(xié)議通過GPRS DTU無線終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

GPRS恒壓供水系統(tǒng)在功能上由三部分組成：調(diào)度主站及HMI管理部分、GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分、遠(yuǎn)程水源從站部分。

A、調(diào)度主站及HMI管理部分：主站CPU226實(shí)時(shí)采集液位、流量、壓力等模擬數(shù)據(jù)，采用PID控制方式控制多臺水泵的工頻、變頻切換，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的控制。管理功能強(qiáng)大，能夠定時(shí)通過“GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分”向“遠(yuǎn)程水源從站”CPU222發(fā)送控制、輪詢命令。HMI管理擁有人性化的集中管理界面，直觀、方便，可以完成自動手動控制、報(bào)警控制、數(shù)據(jù)管理、報(bào)表管理等功能。

B、遠(yuǎn)程水源從站部分：從站采用小型PLC-CPU222控制，可以實(shí)現(xiàn)手動／自動控制切換，可以完成遠(yuǎn)程就地控制，并且可以完成長期無人值守。

C、GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分：采用1個(gè)主站無線MODEM模塊，3個(gè)從站DTU模塊，共4張SIM卡，租用中國移動的GPRS通道，包月上網(wǎng)。

2、控制原理
主站CPU226通過超聲波液位計(jì)探測集水池連續(xù)液位，并根據(jù)各站水泵給水能力實(shí)時(shí)判斷開啟一組或多組水泵。為保障水泵壽命我們制作了一開泵矩陣，令水泵輪流給水，并根據(jù)管道的延遲，利用二次儀表的回差功能在所設(shè)定液位到達(dá)前自動停泵。主站實(shí)時(shí)判斷從站是否出現(xiàn)設(shè)備故障及通訊故障，如出現(xiàn)故障即采取聲光報(bào)警、解鎖，清除從站水泵開泵條件，并在上位機(jī)顯示記錄。另外操作顯示屏顯示集水池水位、每臺泵的備妥信息（設(shè)備通電并準(zhǔn)備好）、應(yīng)答狀態(tài)（設(shè)備運(yùn)行與否）、故障信息等，操作顯示屏上還設(shè)置了單臺泵的啟／停按鈕、每組泵的手動／自動切換按鈕、每組水泵的啟／停按鈕及外輸泵的啟／停按鈕等，操作開關(guān)均有手動／自動狀態(tài)可選擇。顯示屏上的指示燈指示泵的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息及狀態(tài)（顯示屏上所有信息均作為上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的后備系統(tǒng)）。從站的擴(kuò)展模擬量輸入模塊采集水泵工作電流，開關(guān)量模塊檢測運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)。每個(gè)從站作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)聽主站的操作命令，并將設(shè)備的狀態(tài)信息發(fā)送給主站。若有異常，立即停泵，并將信息在主站輪詢過程中發(fā)回給主站，同時(shí)將主站開泵操作命令清除。GPRS模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳及下發(fā)。上位機(jī)負(fù)責(zé)從主站讀取數(shù)據(jù)并以人性化的圖形界面顯示并存儲，將各模擬量信息以曲線方式加以記錄，開關(guān)量信息以表格方式加以記錄；記錄報(bào)警信息、原因、時(shí)間等。操作人員可通過上位機(jī)上的軟操作按鈕手動開啟某一組或多組子站水泵。該機(jī)自動生成班、月報(bào)表，并將數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)、歷史、報(bào)警）采用OPC方式通過局域網(wǎng)上傳給調(diào)度站。
綜上所述，系統(tǒng)在功能、控制原理上分五個(gè)功能單元組成：數(shù)據(jù)處理單元、報(bào)警處理單元、通訊單元和自動控制單元，見圖2 （控制原理圖）。

3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.1組態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)開辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶可以方便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監(jiān)控系統(tǒng)，“StoneView”在這方面提供了強(qiáng)有力的支持。
“StoneView”把核心監(jiān)控功能作為一個(gè)對象封裝起來，是一套恒壓供水控制系統(tǒng)的管理中心、調(diào)度中心。可以完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度功能，顯示現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲，報(bào)警輸出，報(bào)表打印等功能，并提供OPC接口與遠(yuǎn)方調(diào)度站進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊?！癝toneView”安裝在一臺工控機(jī)上，使用兩個(gè)顯示卡，并擴(kuò)展成兩個(gè)組態(tài)畫面，每個(gè)畫面顯示不同的內(nèi)容，并進(jìn)行切換，其組態(tài)畫面如下：

3.2 PLC程序的實(shí)現(xiàn)
水廠供水要保持水壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，但城市用水量是動態(tài)的，白天用水量大，晚上用水量小。如何保證供水量波動時(shí)水壓恒定是一個(gè)必須解決的問題。本文采用S7-200PLC、西門子MM430變頻器等組成全自動恒壓供水控制系統(tǒng)主站，根據(jù)管網(wǎng)壓力自動調(diào)節(jié)供水流量，使管網(wǎng)壓力恒定。
變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)采用1臺變頻器拖動4臺電動機(jī)的啟動、運(yùn)行與調(diào)速，其中3臺大電動機(jī)（220kW）和1臺小電動機(jī)（160kW）分別采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。通過把管網(wǎng)壓力信號、變頻器輸出電機(jī)頻率信號反饋給PLC的PID模塊，PLC根據(jù)這兩個(gè)信號經(jīng)PID運(yùn)算，發(fā)出控制信號，控制水泵4臺電機(jī)輪流工頻、變頻切換。PLC控制變頻器按照軟停止方式運(yùn)行，更好地防止水錘效應(yīng)的發(fā)生[1]。

A、手動運(yùn)行：

手動運(yùn)行用于系統(tǒng)調(diào)試時(shí)測試系統(tǒng)各部分是否正常。并且在自動運(yùn)行系統(tǒng)產(chǎn)生故障可切換到手動人工運(yùn)行狀態(tài)。

B、 自動運(yùn)行：

在水泵出口母管處裝設(shè)壓力變送器和流量變送器，將壓力和流量信號送入CPU226，CPU226將接收到的信號進(jìn)行比較、運(yùn)算，并發(fā)出指令，對變頻器進(jìn)行控制。如果檢測得管網(wǎng)壓力大于設(shè)定值，則系統(tǒng)不起動，當(dāng)管網(wǎng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)起動。

MM430變頻器帶1＃泵軟起動,此時(shí)1＃泵處于變頻調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，變頻器根據(jù)收到的信號隨時(shí)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)1＃泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速仍不能滿足水壓值要求時(shí)，則該水泵自動切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行，變頻器則控制2＃水泵，使之軟起動并運(yùn)行。依此類推，直到管網(wǎng)壓力滿足壓力設(shè)定要求。

在用水高峰過后，由于投入多臺泵而使管網(wǎng)壓力超過設(shè)定值，系統(tǒng)依據(jù)先投先停的原則，依次停止1＃泵，2＃泵… …。先投先?？梢詫?shí)現(xiàn)對多臺泵的平均使用，有利于延長泵的使用壽命。對于所有泵的起?？刂?，完全由管網(wǎng)壓力決定。

夜間用水量非常少的情況下，為了節(jié)能，進(jìn)入休眠功能，休眠過程中可以自動啟動小泵，停止3個(gè)大泵，根據(jù)壓力下降的程度及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)壓。當(dāng)管網(wǎng)壓力大于下限設(shè)定時(shí)，再喚醒變頻器使之重新開始工作。

3.3 GPRS通訊的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 GPRS系統(tǒng)組成：

A、無線業(yè)務(wù)處理中心：處理無線終端設(shè)備（無線業(yè)務(wù)終端、RTU+DTU等無線終端設(shè)備）提交的各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

B、無線MODEM：調(diào)制解調(diào)無線業(yè)務(wù)處理中心和無線網(wǎng)絡(luò)間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

C、GPRS網(wǎng)絡(luò)：無線數(shù)據(jù)傳輸平臺。

D、基站：連接無線端設(shè)備和GPRS無線內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。

E、無線終端設(shè)備：可以是無線終端（如書店的庫存管理終端、零售店的庫存管理終端等），可以是嵌入式應(yīng)用中的DTU+各類嵌入試檢測控制設(shè)備（RTU：比如環(huán)境檢測設(shè)備、油田檢測設(shè)備、污水檢測設(shè)備等）。

3.3.2 GPRS系統(tǒng)處理流程：

A、無線業(yè)務(wù)處理中心：通過無線MODEM登錄到無線網(wǎng)絡(luò)，獲得無線網(wǎng)絡(luò)分配的靜態(tài)（IP地址和手機(jī)卡綁定）的全局IP地址。接受無線終端設(shè)備的業(yè)務(wù)處理請求或主動向無線終端設(shè)備發(fā)起業(yè)務(wù)處理請求。

B、無線終端設(shè)備（DTU）：從IP地址服務(wù)中心獲得無線業(yè)務(wù)處理中心IP地址，鏈接無線業(yè)務(wù)處理中心，請求無線業(yè)務(wù)處理服務(wù)；或等待無線業(yè)務(wù)處理中的業(yè)務(wù)處理請求。

C、無線MODEM作為通訊主站，通過RS485口接到CPU226上； 各無線終端設(shè)備作為通訊從站，通過RS485口接到CPU222上。CPU226發(fā)送通訊數(shù)據(jù)包給無線MODEM，無線MODEM依次輪詢各無線端末設(shè)備，CPU222把信息反饋給終端設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了無線通信傳輸。

3.3.3 GPRS系統(tǒng)特點(diǎn)：

由于各監(jiān)控點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，有些點(diǎn)還地處偏僻，有些采集點(diǎn)有線線路難以到達(dá)，采用這種傳統(tǒng)形式已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求；GPRS無線通信方式具有組網(wǎng)硬件成本低、使用費(fèi)用低、速度快等特點(diǎn)，其傳輸速度可達(dá)171.2kb/s[2]。與有線通信方式相比具有組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、維護(hù)簡單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

4、結(jié)語

本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于北京市良鄉(xiāng)鎮(zhèn)邢家塢村半年之久，運(yùn)行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)故障，解決了20，949人的飲水問題。本系統(tǒng)主要用于民用、工業(yè)集中采水供水系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了先進(jìn)的HMI管理，GPRS通信技術(shù)，PID控制步進(jìn)控制技術(shù)，減少了人力成本，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的、高性能的過程控制，且理論依據(jù)充分符合目前城市、工業(yè)供水需求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，宜廣泛推廣。

參考文獻(xiàn)：
[1]邵惠鶴.工業(yè)過程高級控制[M].上海: 上海交通大學(xué)出版社,1997.
[2][美]里吉斯 著，朱洪波等 譯.通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社,2004.