引言

　　恒壓供水在民用、工業(yè)領(lǐng)域中應用廣泛，但使用老式控制系統難以得到良好的壓力控制、難以對遠方多個(gè)水源選擇性控制，并且人機交互能力也比較差，從而管理難度大，操作復雜，造成人力物力浪費。

　　基于“集中管理，分散控制”的模式，數字化、信息化環(huán)保工程的思想，我公司開(kāi)發(fā)了這套基于GPRS的恒壓供水控制系統，并著(zhù)眼于“管控一體化”信息系統的建設，建立一個(gè)先進(jìn)、可靠、高效、安全且便于進(jìn)一步擴充的集過(guò)程控制、監視、無(wú)線(xiàn)控制和計算機控制于一體并且具備良好開(kāi)放性的監控系統，完成對整個(gè)工藝過(guò)程及全部生產(chǎn)設備的監測與自動(dòng)控制，實(shí)現“現場(chǎng)無(wú)人值守，少人值班，智能調節”的目標。

　　1、系統構成

　　設計的時(shí)候，在確保先進(jìn)、可靠、開(kāi)放、安全的前提下，始終堅持控制成本的原則。本套系統自動(dòng)化程度高，人機交互能力強。我公司采用的無(wú)線(xiàn)通訊系統組成見(jiàn)圖1（系統結構圖），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(dòng)SIM卡；

　　D、1臺工業(yè)計算機（上位機） + 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(mén)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，可擴展7個(gè)模塊；CPU222帶1個(gè)可定義通訊口、8DI／6DO，可擴展2個(gè)模塊（詳細內容參見(jiàn)S7—200 編程手冊）。工控機使用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(guò)GPRS DTU無(wú)線(xiàn)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

圖1 系統結構圖

　　GPRS恒壓供水系統在功能上由三部分組成：調度主站及HMI管理部分、GPRS數據傳輸部分、遠程水源從站部分。

　　A、調度主站及HMI管理部分：主站CPU226實(shí)時(shí)采集液位、流量、壓力等模擬數據，采用PID控制方式控制多臺水泵的工頻、變頻切換，實(shí)現了恒壓供水的控制。管理功能強大，能夠定時(shí)通過(guò)“GPRS數據傳輸部分”向“遠程水源從站”CPU222發(fā)送控制、輪詢(xún)命令。HMI管理?yè)碛腥诵曰募泄芾斫缑?，直觀(guān)、方便，可以完成自動(dòng)手動(dòng)控制、報警控制、數據管理、報表管理等功能。

　　B、遠程水源從站部分：從站采用小型PLC-CPU222控制，可以實(shí)現手動(dòng)／自動(dòng)控制切換，可以完成遠程就地控制，并且可以完成長(cháng)期無(wú)人值守。

　　C、GPRS數據傳輸部分：采用1個(gè)主站無(wú)線(xiàn)MODEM模塊，3個(gè)從站DTU模塊，共4張SIM卡，租用中國移動(dòng)的GPRS通道，包月上網(wǎng)。

　　2、控制原理

　　主站CPU226通過(guò)超聲波液位計探測集水池連續液位，并根據各站水泵給水能力實(shí)時(shí)判斷開(kāi)啟一組或多組水泵。為保障水泵壽命我們制作了一開(kāi)泵矩陣，令水泵輪流給水，并根據管道的延遲，利用二次儀表的回差功能在所設定液位到達前自動(dòng)停泵。主站實(shí)時(shí)判斷從站是否出現設備故障及通訊故障，如出現故障即采取聲光報警、解鎖，清除從站水泵開(kāi)泵條件，并在上位機顯示記錄。另外操作顯示屏顯示集水池水位、每臺泵的備妥信息（設備通電并準備好）、應答狀態(tài)（設備運行與否）、故障信息等，操作顯示屏上還設置了單臺泵的啟／停按鈕、每組泵的手動(dòng)／自動(dòng)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(kāi)關(guān)均有手動(dòng)／自動(dòng)狀態(tài)可選擇。顯示屏上的指示燈指示泵的運行狀態(tài)、報警信息及狀態(tài)（顯示屏上所有信息均作為上位計算機系統的后備系統）。從站的擴展模擬量輸入模塊采集水泵工作電流，開(kāi)關(guān)量模塊檢測運行狀態(tài)、報警狀態(tài)。每個(gè)從站作為實(shí)時(shí)控制系統的一個(gè)節點(diǎn)，實(shí)時(shí)監聽(tīng)主站的操作命令，并將設備的狀態(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(xún)過(guò)程中發(fā)回給主站，同時(shí)將主站開(kāi)泵操作命令清除。GPRS模塊負責數據的上傳及下發(fā)。上位機負責從主站讀取數據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(xiàn)方式加以記錄，開(kāi)關(guān)量信息以表格方式加以記錄；記錄報警信息、原因、時(shí)間等。操作人員可通過(guò)上位機上的軟操作按鈕手動(dòng)開(kāi)啟某一組或多組子站水泵。該機自動(dòng)生成班、月報表，并將數據（實(shí)時(shí)、歷史、報警）采用OPC方式通過(guò)局域網(wǎng)上傳給調度站。

　　綜上所述，系統在功能、控制原理上分五個(gè)功能單元組成：數據處理單元、報警處理單元、通訊單元和自動(dòng)控制單元，見(jiàn)圖2 （控制原理圖）。

圖2  控制原理圖

　　3、系統實(shí)現

　　3.1組態(tài)系統的實(shí)現

　　計算機技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為工業(yè)開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展空間，用戶(hù)可以方便快捷地組建優(yōu)質(zhì)高效的監控系統，“StoneView”在這方面提供了強有力的支持。

　　“StoneView”把核心監控功能作為一個(gè)對象封裝起來(lái)，是一套恒壓供水控制系統的管理中心、調度中心?？梢酝瓿烧麄€(gè)系統的調度功能，顯示現場(chǎng)設備運行情況，實(shí)現歷史數據存儲，報警輸出，報表打印等功能，并提供OPC接口與遠方調度站進(jìn)行實(shí)時(shí)數據通訊?！癝toneView”安裝在一臺工控機上，使用兩個(gè)顯示卡，并擴展成兩個(gè)組態(tài)畫(huà)面，每個(gè)畫(huà)面顯示不同的內容，并進(jìn)行切換，其組態(tài)畫(huà)面如下：

圖3 組態(tài)畫(huà)面

　　3.2 PLC程序的實(shí)現

　　水廠(chǎng)供水要保持水壓穩定在一定范圍內，但城市用水量是動(dòng)態(tài)的，白天用水量大，晚上用水量小。如何保證供水量波動(dòng)時(shí)水壓恒定是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。本文采用S7-200PLC、西門(mén)子MM430變頻器等組成全自動(dòng)恒壓供水控制系統主站，根據管網(wǎng)壓力自動(dòng)調節供水流量，使管網(wǎng)壓力恒定。

　　變頻調速恒壓供水控制系統采用1臺變頻器拖動(dòng)4臺電動(dòng)機的啟動(dòng)、運行與調速，其中3臺大電動(dòng)機（220kW）和1臺小電動(dòng)機（160kW）分別采用循環(huán)使用的方式運行。通過(guò)把管網(wǎng)壓力信號、變頻器輸出電機頻率信號反饋給PLC的PID模塊，PLC根據這兩個(gè)信號經(jīng)PID運算，發(fā)出控制信號，控制水泵4臺電機輪流工頻、變頻切換。PLC控制變頻器按照軟停止方式運行，更好地防止水錘效應的發(fā)生[1]。

　　A、手動(dòng)運行：

　　手動(dòng)運行用于系統調試時(shí)測試系統各部分是否正常。并且在自動(dòng)運行系統產(chǎn)生故障可切換到手動(dòng)人工運行狀態(tài)。

　　B、 自動(dòng)運行：

　　在水泵出口母管處裝設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)壓力大于設定值，則系統不起動(dòng)，當管網(wǎng)壓力小于設定值時(shí)，系統起動(dòng)。

　　MM430變頻器帶1＃泵軟起動(dòng),此時(shí)1＃泵處于變頻調速運行狀態(tài)，變頻器根據收到的信號隨時(shí)調整水泵的轉速。當1＃泵達到額定轉速仍不能滿(mǎn)足水壓值要求時(shí)，則該水泵自動(dòng)切換到工頻狀態(tài)下運行，變頻器則控制2＃水泵，使之軟起動(dòng)并運行。依此類(lèi)推，直到管網(wǎng)壓力滿(mǎn)足壓力設定要求。

　　在用水高峰過(guò)后，由于投入多臺泵而使管網(wǎng)壓力超過(guò)設定值，系統依據先投先停的原則，依次停止1＃泵，2＃泵… …。先投先?？梢詫?shí)現對多臺泵的平均使用，有利于延長(cháng)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，為了節能，進(jìn)入休眠功能，休眠過(guò)程中可以自動(dòng)啟動(dòng)小泵，停止3個(gè)大泵，根據壓力下降的程度及時(shí)進(jìn)行補壓。當管網(wǎng)壓力大于下限設定時(shí)，再喚醒變頻器使之重新開(kāi)始工作。

　　3.3 GPRS通訊的實(shí)現

　　3.3.1 GPRS系統組成：

　　A、無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)處理中心：處理無(wú)線(xiàn)終端設備（無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)終端、RTU+DTU等無(wú)線(xiàn)終端設備）提交的各項業(yè)務(wù)數據。

　　B、無(wú)線(xiàn)MODEM：調制解調無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)處理中心和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )間的業(yè)務(wù)數據。

　　C、GPRS網(wǎng)絡(luò )：無(wú)線(xiàn)數據傳輸平臺。

　　D、基站：連接無(wú)線(xiàn)端設備和GPRS無(wú)線(xiàn)內部網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)。

　　E、無(wú)線(xiàn)終端設備：可以是無(wú)線(xiàn)終端（如書(shū)店的庫存管理終端、零售店的庫存管理終端等），可以是嵌入式應用中的DTU+各類(lèi)嵌入試檢測控制設備（RTU：比如環(huán)境檢測設備、油田檢測設備、污水檢測設備等）。

　　3.3.2 GPRS系統處理流程：

　　A、無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)處理中心：通過(guò)無(wú)線(xiàn)MODEM登錄到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，獲得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )分配的靜態(tài)（IP地址和手機卡綁定）的全局IP地址。接受無(wú)線(xiàn)終端設備的業(yè)務(wù)處理請求或主動(dòng)向無(wú)線(xiàn)終端設備發(fā)起業(yè)務(wù)處理請求。

　　B、無(wú)線(xiàn)終端設備（DTU）：從IP地址服務(wù)中心獲得無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)處理中心IP地址，鏈接無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)處理中心，請求無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)處理服務(wù)；或等待無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)處理中的業(yè)務(wù)處理請求。

　　C、無(wú)線(xiàn)MODEM作為通訊主站，通過(guò)RS485口接到CPU226上； 各無(wú)線(xiàn)終端設備作為通訊從站，通過(guò)RS485口接到CPU222上。CPU226發(fā)送通訊數據包給無(wú)線(xiàn)MODEM，無(wú)線(xiàn)MODEM依次輪詢(xún)各無(wú)線(xiàn)端末設備，CPU222把信息反饋給終端設備，從而實(shí)現了無(wú)線(xiàn)通信傳輸。

　　3.3.3 GPRS系統特點(diǎn)：

　　由于各監控點(diǎn)分布范圍廣、數量多、距離遠，有些點(diǎn)還地處偏僻，有些采集點(diǎn)有線(xiàn)線(xiàn)路難以到達，采用這種傳統形式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性的要求；GPRS無(wú)線(xiàn)通信方式具有組網(wǎng)硬件成本低、使用費用低、速度快等特點(diǎn)，其傳輸速度可達171.2kb/s[2]。與有線(xiàn)通信方式相比具有組網(wǎng)靈活、擴展容易、維護簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

　　4、結語(yǔ)

　　本系統已成功應用于北京市良鄉鎮邢家塢村半年之久，運行狀態(tài)良好，未出現故障，解決了20，949人的飲水問(wèn)題。本系統主要用于民用、工業(yè)集中采水供水系統，本系統采用了先進(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)現了復雜的、高性能的過(guò)程控制，且理論依據充分符合目前城市、工業(yè)供水需求及相關(guān)標準，宜廣泛推廣。

　　參考文獻：

　　[1]邵惠鶴.工業(yè)過(guò)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(zhù)，朱洪波等 譯.通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)與應用[M]. 北京: 人民郵電出版社,2004.