1、 引言

　　隨著(zhù)現代城市的發(fā)展，水資源的供應和調度顯得十分重要，為了實(shí)現水資源的合理統配和調度，通訊系統顯得十分重要，針對本系統的通訊的一些問(wèn)題，我們開(kāi)拓思維，大膽改造，提出了利用無(wú)線(xiàn)通訊系統實(shí)現供水的具體方案而且付諸實(shí)施。
　　
    2、工程簡(jiǎn)介

　　2.1 東阿供水工程的系統簡(jiǎn)介

　　東阿供水工程是聊城市水利局交給我公司負責的一個(gè)項目，目的是解決聊城市供水緊張的問(wèn)題。

　　東阿供水工程水源地共布設深井12眼，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#井用變頻器控制深井泵電機，7#、8#、9#、10#、11#、12#井用軟起動(dòng)器控制深井泵電機。所有井分布在方圓幾公里范圍，經(jīng)輸水道匯總送水至聊城市水廠(chǎng)蓄水池，距離達四十公里。

　　有兩個(gè)控制室：

　　一個(gè)主控室在水源地，離泵井比較近，約兩公里左右，為水源地主控室，統一協(xié)調各泵站的運行，進(jìn)行實(shí)地的監測和調度；

　　一個(gè)主控室在聊城水利局下屬水廠(chǎng)，距離水源地幾十公里，目的是監控蓄水情況，同時(shí)進(jìn)行統一供水協(xié)調。

　　由于水源地的井分布比較分散，而且距離水源地主控室較遠，所以需要建立一套比較先進(jìn)的中心自動(dòng)控制系統，對分散的各個(gè)井進(jìn)行集中控制和管理。

　　2.2實(shí)際控制要求和依據：

　　系統設計能力為6萬(wàn)噸/24小時(shí)，平均供水2500立方米/小時(shí)；水源地有12眼井供水，其中6臺120kw,6臺75kw；水廠(chǎng)有2個(gè)5000立方米的蓄水池，共計10000立方米；水源地與自來(lái)水廠(chǎng)蓄水池的距離為43.5公里，每個(gè)泵站的運行要求有手動(dòng)、自動(dòng)和遠程控制三種方式；所有泵站群設一集中控制室，統一協(xié)調各泵站的運行，實(shí)現泵群的聯(lián)網(wǎng)運行；聊城水廠(chǎng)設一遠程監控站點(diǎn)，實(shí)現遠程調度。根據聊城水利局的技術(shù)要求，共有12個(gè)井位納入該監控系統，每臺泵站井位要對壓力信號、流量信號、液位信號、電機電流信號以及電機狀態(tài)進(jìn)行檢測和控制，水廠(chǎng)儲水量為最終被控信號，即在現場(chǎng)泵站合理調度，使其運行在最合理情況下，來(lái)保障水廠(chǎng)儲水量的正常穩定。

　　3、系統設計及產(chǎn)品選型

　　3.1幾種設計方案比較

　　1.無(wú)線(xiàn)通訊方式和有線(xiàn)通訊方式的選擇

　　1）有線(xiàn)通訊方式是大多數工程普遍采取的通訊方式。它要求在12個(gè)井之間鋪設長(cháng)達幾十千米的通訊電纜，通訊信號通過(guò)通訊電纜進(jìn)行傳送。這種通訊方式技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且通訊信號不易受到外部的干擾，但是它自身也有缺點(diǎn)：

　　通訊電纜的鋪設十分繁雜，它需要重新架線(xiàn)或挖溝鋪設電纜，而且幾十千米的通訊電纜也需要購進(jìn)，這必將耗費大量的財力物力，使施工周期延長(cháng)。

　　2）無(wú)線(xiàn)通訊方式是比較先進(jìn)的通訊方式，目前尚沒(méi)有成熟的經(jīng)驗供我們借鑒，因此我們也是在摸索、研究，但是它的潛力十分巨大。

　　與有線(xiàn)通訊相比，它具有很多自身的優(yōu)點(diǎn)：

　　無(wú)線(xiàn)通訊是PLC將信號通過(guò)數字式電臺發(fā)射，遠方的PLC通過(guò)數字式電臺進(jìn)行接收，它不用架設任何通訊電纜，而且數字電臺的價(jià)格完全可以接受，與有線(xiàn)通訊相比既省財力又省物力。

　　無(wú)線(xiàn)通訊可以很方便地進(jìn)行擴展

　　我們完成的水源地的工程只是東阿一期供水工程今后還要不斷地建立新井，若采用無(wú)線(xiàn)通訊，新井只需要安裝一數字電臺，便可以完成與水源地控制室的無(wú)線(xiàn)通訊連接，系統的拓展十分的方便、簡(jiǎn)單。

　　覆蓋范圍廣

　　我們選擇的數字電臺通訊能力可達周?chē)鷰资?，通訊幾乎可以不受空間的限制。

　　雖然有線(xiàn)通訊方式已比較成熟穩定，但通過(guò)仔細論證，我們決定采用無(wú)線(xiàn)通訊方式。

　　2.通訊處理器的選擇

　　我們原來(lái)準備在水源地控制室采用S7-224 PLC控制器，但在實(shí)驗階段發(fā)現它在面對繁重的通訊任務(wù)時(shí)顯得力不從心，因此我們決定采用S7-300系列的PLC S7-315，附加專(zhuān)用的通訊模塊CP-340實(shí)現通訊任務(wù)。更換后，發(fā)現通訊處理速度明顯加快，原來(lái)完成12個(gè)井的收發(fā)通訊操作需要大約1分鐘，現在只需要12秒。

　　3.是否用微波通訊

　　水源地主控室和水廠(chǎng)主控室距離40公里，兩地傳送的數據量不是很大，實(shí)時(shí)性要求不高，我們選擇大功率的數字電臺，而沒(méi)有選擇價(jià)格較高的微波方式進(jìn)行通訊。水源地主控室和聊城水廠(chǎng)主控室各放置一個(gè)大功率電臺。

　　3.2 產(chǎn)品選型

　　根據上述技術(shù)要求，在保證完成供水工程工藝技術(shù)要求的前提下，控制裝置的選擇及監控系統的構成應以技術(shù)先進(jìn)、運行可靠、操作簡(jiǎn)單方便、畫(huà)面美觀(guān)逼真為出發(fā)點(diǎn)。變頻器選擇西門(mén)子MMEco系列的75KW變頻器6臺；在12個(gè)分散泵井上，每個(gè)泵井選擇1個(gè)S7-224 PLC控制器。理由是：?jiǎn)我槐镁耐ㄓ嵢蝿?wù)不多只需要在一定時(shí)間內循環(huán)接收主站的信號，然后返回一個(gè)信號，每個(gè)泵井現場(chǎng)的控制任務(wù)不多。此外每個(gè)泵井還需要1個(gè)EM231，1個(gè)EM235；水源地控制室選擇一個(gè)S7-315 PLC控制器，1個(gè)CP-340通訊處理器，它是整個(gè)水源地的控制中心，通過(guò)軟件編程可接受來(lái)自12個(gè)泵站、水廠(chǎng)的各個(gè)信號；水廠(chǎng)控制室選擇1個(gè)S7-31 5 PLC控制器，3個(gè)32輸入的SM321，1個(gè)32輸出的SM322，2個(gè)8輸入的SM331，1個(gè)8輸出的SM332；組態(tài)監控軟件為西門(mén)子的WINCC；無(wú)線(xiàn)通訊電臺選用Friendcom的模塊式數傳電臺。（供水工程系統幾何拓撲結構見(jiàn)圖1）
　　系統的信息傳輸采用兩種網(wǎng)絡(luò )，水源地控制室和水廠(chǎng)控制室內采用MPI有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；在水源地12個(gè)泵站和水源地控制室以及水源地控制室和聊城水廠(chǎng)控制室之間采用快速的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )。

　　4、軟件設計

　　4.1 水源地操作站S7-315的通訊程序

　　1）具體的通訊任務(wù)

　　水源地控制室必須不斷地保持與12個(gè)井的通訊聯(lián)系，要求速度盡量的快。通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺接收分散的12個(gè)井的液位、壓力、流量、電機狀態(tài)及電磁閥信息，傳送給上位機，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺發(fā)送至水源地主控室，主控室操作員設置對12個(gè)井的控制信號，包括電機的開(kāi)關(guān)、調速等信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺發(fā)送至各個(gè)泵站，實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)遙控。主站向每個(gè)井發(fā)送20個(gè)字節，從每個(gè)井接收20個(gè)字節。

　　水源地主控室間隔1分鐘向聊城水廠(chǎng)通過(guò)大功率無(wú)線(xiàn)電臺傳送水源地的水量情況及井的運行信息，20個(gè)字節，以便于上級單位的統一調控和調度；同時(shí)從聊城水廠(chǎng)接受上級控制站的控制信息，20個(gè)字節。

　　2）主程序流程圖：
　　3）中斷程序流程圖：
　　4）程序說(shuō)明

　　· 啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，進(jìn)行循環(huán)不間斷的12秒的定時(shí)，對每一個(gè)井的收發(fā)操作以一秒為單位。

　　· 調用FC1功能塊，FC1中主要完成對一些量的初始化

　　在每一秒的時(shí)間內產(chǎn)生0.8秒的使能信號；

　　將發(fā)送數據區對某個(gè)井發(fā)送的數據地址進(jìn)行傳遞；

　　將井號置入發(fā)送數據的首字節。

　　· 啟動(dòng)2秒定時(shí)器

　　次定時(shí)器的作用為當用戶(hù)想對某一個(gè)井單獨操作時(shí)，立即產(chǎn)生兩秒的控制信號，中斷對原來(lái)12個(gè)井的循環(huán)收發(fā)信息操作2秒，計時(shí)結束后，控制信號失效，自動(dòng)恢復原來(lái)大循環(huán)操作。

　　· 在兩秒信號起作用的情況下，調用FC2功能塊。然后將傳送到特定井的數據緩沖區的地址分配好。

　　· 調用FC4功能塊

　　此功能塊的作用是產(chǎn)生一個(gè)數字校驗字節，為S7-214接收時(shí)作準備。

　　· 發(fā)送數據模塊FB3

　　此功能塊為與CP-340配合使用的功能塊，它的作用是將指定發(fā)送緩沖區的數據通過(guò)CP-340一次性發(fā)送出去。

　　· 接收數據模塊FB2

　　此功能塊也是與CP-340配合使用的，它的作用是將數頻電臺接收的數據信息存入指定的接收緩沖。

　　· 調用FC3功能塊。

　　此功能塊的作用是將數頻電臺接收的信息經(jīng)過(guò)校驗后傳送到指定的數據接收區域。

　　· 調用1分鐘循環(huán)定時(shí)器

　　· 發(fā)送傳到聊城上位站的數據

　　· 中斷接收來(lái)自聊城上位站的信息

　　· 調用FC5功能塊

　　此功能塊的作用是將數頻電臺接收來(lái)的信息經(jīng)過(guò)校驗，傳送到指定的數據接收區。

　　4.2 泵井的S7-224的通訊程序流程

　　1）
　　2）程序說(shuō)明

　　· 　開(kāi)始的程序是現場(chǎng)泵井的操作指令，包括開(kāi)啟泵井電機、開(kāi)啟電磁閥、各種模擬量的引入和檢測及流量的累積。
　　· 　調用SB0：SB0中主要是中斷控制字，開(kāi)中斷，將接收事件與INT-11相連。
　　·
　　如果數字電臺接收到主站發(fā)送的控制信息，便調用INT-11。INT-11為接收事件的中斷發(fā)送子程序，在INT-11中比較第一位接受來(lái)的字節是否與此泵井的井號相一致，然后調用INT-12
　　· 　INT-12中，循環(huán)接收6位主站發(fā)來(lái)的信息，放到一個(gè)數據緩沖區中，然后按一定的算法進(jìn)行校驗，調用INT-13
　　· 　INT-13中若檢測驗證接收的數據無(wú)誤，則將這些數據放到另外一個(gè)數據緩沖區中去，同時(shí)將此泵井的狀態(tài)信息發(fā)送回主站。

　　4.3聊城水廠(chǎng)的通訊流程圖

　　5、控制系統完成的功能

　　1.東阿水源地完成的功能

　　在水源地主控室，操作員可以對12個(gè)泵井實(shí)施無(wú)線(xiàn)群控，監視其運行狀態(tài)。同時(shí)主控室接受來(lái)自聊城水廠(chǎng)的上位信息，根據水廠(chǎng)的儲水量情況，采取相應的控制算法如PID算法、經(jīng)驗值法（在這不詳細介紹了）控制水源地各個(gè)泵井變頻值，從而滿(mǎn)足聊城水廠(chǎng)的水量要求。

　　2.聊城水廠(chǎng)完成的功能

　　水廠(chǎng)共有2個(gè)5000立方米的蓄水池，水廠(chǎng)主控室控制水廠(chǎng)的自來(lái)水生產(chǎn)、調度，實(shí)時(shí)監控蓄水池夜位、水廠(chǎng)的出水量，根據生產(chǎn)情況將控制信息無(wú)線(xiàn)傳送給水源地，從而達到合理、有效、快捷的取水的目的。

　　6、應用體會(huì )

　　6.1 此次項目采用無(wú)線(xiàn)通訊的方式，可借鑒的經(jīng)驗不多，主要是靠在項目中邊干便摸索。其中S7-315 PLC掛電臺和S7-224
　　PLC掛電臺的通訊試驗了很長(cháng)時(shí)間，經(jīng)過(guò)反復修改電臺的通訊參數和PLC的通訊程序才 最終成功，其間西門(mén)子的技術(shù)支持給予了很大的幫助，在此表示衷心的感謝。

　　6.2 通訊模塊CP340是點(diǎn)對點(diǎn)的串行通訊處理器，提供3種不同的傳輸接口：RS232C、20MA（TTY）、RS422/RS485，通訊方式十分靈活，在模塊內部已經(jīng)集成好了傳輸協(xié)議，直接在STEP7中進(jìn)行必要的參數設置，便可實(shí)現S7-315和電臺間的數據通訊。S7-200和電臺連接直接通過(guò)S7-200的自由通訊口就可以了。

　　6.3 無(wú)線(xiàn)通訊的干擾很多，通訊系統的穩定性是至關(guān)重要的。曾經(jīng)有一次在調試設備時(shí)，軟啟誤動(dòng)作，后來(lái)分析是通訊中串入了干擾信號，我們又重新設計了軟件加密算法，增加了一個(gè)校驗字節，發(fā)送時(shí)和有用數據一起發(fā)送，對方電臺接收到數據后，先判斷地址是否正確，然后進(jìn)行解密運算，和收到的校驗字節比較，看收到的數據是否準確。改進(jìn)后的通訊系統可靠性大大提高。

　　6.4 這個(gè)項目水源地和聊城水廠(chǎng)的距離很遠，PID的調節屬于長(cháng)距離大延遲的控制模式，因此在配置參數時(shí)比較困難，我們又根據經(jīng)驗的數據設計了幾個(gè)經(jīng)驗控制方法，在控制要求不是很精確的情況下，控制效果還可以。

　　7、結束語(yǔ)

　　本系統于自試用運行以來(lái)，控制功能穩定，設備運行良好。其間根據用戶(hù)的要求進(jìn)行了多次的擴展，泵井數量由原來(lái)的8個(gè)擴展到12個(gè)，顯示出了系統強大的擴展能力?，F在整個(gè)系統已經(jīng)通過(guò)驗收，得到了聊城市水利局的好評。目前本工程已經(jīng)成為聊城市生活供水的重要樞紐，每天穩定、充足的提供水資源，成為造福聊城人民的重要公益事業(yè)工程，切切實(shí)實(shí)關(guān)系著(zhù)本地區的國計民生，經(jīng)濟和政治意義已經(jīng)十分顯著(zhù)。

　　8、參考文獻

　　《東聊供水工程控制系統方案書(shū)》
　　《S7-200 可編程序控制器》 SIEMENS
　　《SIMATIC S7-300模塊化小型PLC》 SIEMENS
　　《WINCC 中文教程》 SIEMENS 北京自動(dòng)化中心
　　《SIMATIC S7 PROGRAMMING 1&2》 山東大學(xué)西門(mén)子自動(dòng)化技術(shù)培訓中心
　　《PROFIBUS&AS-INTERFACE》SIEMENS
　　《SIMATIC NET》SIEMENS
　　《Wincc 5.0 中文版通訊手冊》SIEMENS
　　《Wincc configration manual 》SIEMENS
　　
附水源地總貌圖：