摘 要：本文介紹了以新型的控制方式、通信方式，解決總站恒壓供水、智能從站采水的問題，充分體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的靈活性、以及“無(wú)人值守”自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)。控制主站、從站采用西門子PLC控制，穩(wěn)定可靠、處理能力強(qiáng)。HMI部分采用了四通工控開發(fā)的新型組態(tài)軟件StoneView，提供了OPC接口，用來完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度功能，可以顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，報(bào)警輸出，報(bào)表打印等功能。

關(guān)鍵詞：StoneView；GPRS；恒壓供水

中圖法分類號(hào)：TP393　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B

Base on GPRS Automation System for Isobarically Water Supply

Abstract: This paper introduces it is new type of control and single transmission that solved the problem of pumping water by slave system and isobarically water supply by master system.This kind of system is fairly flexible and advanced. The master and the slave of the control unit is based PLC of Siemens Ltd. , worked steadily and dependable .HMI system adapted newfashioned configuration software - StoneView - published by Beijing Stone Automation Co.,Ltd. , showing the states of the equipments in the industry local , keep the history data in the archives ,pinting the report forms, supplying OPC interface and real-time communicating with device in the distance.

Key words: StoneView；GPRS； Isobarically Water Supply

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(duì)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**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、**且便于進(jìn)一步擴(kuò)充的集過程控制、監(jiān)視、無(wú)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(duì)整個(gè)工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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、**的前提下，始終堅(jiān)持控制成本的原則。本套系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，人機(jī)交互能力強(qiáng)。我公司采用的無(wú)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(tái)主站可編程控制器CPU226 + EM223 + EM222，一臺(tái)MM430變頻器；

B、3臺(tái)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(tái)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(cè))。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(wú)線終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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(tái)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?yè)碛腥诵曰募泄芾斫缑妫庇^、方便，可以完成自動(dòng)手動(dòng)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(dòng)／自動(dòng)控制切換，可以完成遠(yuǎn)程就地控制，并且可以完成長(zhǎng)期無(wú)人值守。

C、GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分：采用1個(gè)主站無(wú)線MODEM模塊，3個(gè)從站DTU模塊，共4張SIM卡，租用中國(guó)移動(dòng)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(cè)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(dòng)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，**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(tái)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(tái)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(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(cè)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**。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(chǔ)，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(dòng)開啟某一組或多組子站水泵。該機(jī)自動(dòng)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(dòng)控制單元，見圖2 （控制原理圖）。

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上等高效的監(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(duì)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(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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。“StoneView”安裝在一臺(tái)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：

圖3 組態(tài)畫面

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(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)必須解決的問題。本文采用S7-200PLC、西門子MM430變頻器等組成全自動(dòng)恒壓供水控制系統(tǒng)主站，根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)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(tái)變頻器拖動(dòng)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，其中3臺(tái)大電動(dòng)機(jī)（220kW）和1臺(tái)小電動(dòng)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(hào)、變頻器輸出電機(jī)頻率信號(hào)反饋給PLC的PID模塊，PLC根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算，發(fā)出控制信號(hào)，控制水泵4臺(tái)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(dòng)運(yùn)行：

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

B、 自動(dòng)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(hào)送入CPU226，CPU226將接收到的信號(hào)進(jìn)行比較、運(yùn)算，并發(fā)出指令，對(duì)變頻器進(jìn)行控制。如果檢測(cè)得管網(wǎng)壓力大于設(shè)定值，則系統(tǒng)不起動(dòng)，當(dāng)管網(wǎng)壓力小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)起動(dòng)。

MM430變頻器帶1＃泵軟起動(dòng),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(hào)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(dòng)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(dòng)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(tái)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… …。先投先停可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)泵的平均使用，有利于延長(zhǎng)泵的使用壽命。對(duì)于所有泵的起停控制，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(dòng)啟動(dòng)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(wú)線業(yè)務(wù)處理中心：處理無(wú)線終端設(shè)備（無(wú)線業(yè)務(wù)終端、RTU+DTU等無(wú)線終端設(shè)備）提交的各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

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

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

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

E、無(wú)線終端設(shè)備：可以是無(wú)線終端（如書店的庫(kù)存管理終端、零售店的庫(kù)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(cè)控制設(shè)備（RTU：比如環(huán)境檢測(cè)設(shè)備、油田檢測(cè)設(shè)備、污水檢測(cè)設(shè)備等）。

3.3.2 GPRS系統(tǒng)處理流程：

A、無(wú)線業(yè)務(wù)處理中心：通過無(wú)線MODEM登錄到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，獲得無(wú)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(wú)線終端設(shè)備的業(yè)務(wù)處理請(qǐng)求或主動(dòng)向無(wú)線終端設(shè)備發(fā)起業(yè)務(wù)處理請(qǐng)求。

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

C、無(wú)線MODEM作為通訊主站，通過RS485口接到CPU226上； 各無(wú)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(wú)線MODEM，無(wú)線MODEM依次輪詢各無(wú)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(wú)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(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求；GPRS無(wú)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(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

4、結(jié)語(yǔ)

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。