基于GPRS的恒壓供水系統(tǒng)

引言
恒壓供水在民用、工業(yè)領域中應用廣泛，但使用老式控制系統(tǒng)難以得到良好的壓力控制、難以對遠方多個水源選擇性控制，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(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，建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集過程控制、監(jiān)視、無線控制和計算機控制于一體并且具備良好開放性的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設備的監(jiān)測與自動控制，實現(xiàn)“現(xiàn)場無人值守，少人值班，智能調節(jié)”的目標。
1、系統(tǒng)構成
設計的時候，在確保先進、可靠、開放、安全的前提下，始終堅持控制成本的原則。本套系統(tǒng)自動化程度高，人機交互能力強。我公司采用的無線通訊系統(tǒng)組成見圖1（系統(tǒng)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。

我公司選擇了西門子S7-200系列PLC控制器CPU226和CPU222。CPU226自身帶兩個可定義通訊口、24DI／16DO，可擴展7個模塊；CPU222帶1個可定義通訊口、8DI／6DO，可擴展2個模塊（詳細內容參見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GPRS DTU無線終端進行實時通訊。

GPRS恒壓供水系統(tǒng)在功能上由三部分組成：調度主站及HMI管理部分、GPRS數(shù)據(jù)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實時采集液位、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，實現(xiàn)了恒壓供水的控制。管理功能強大，能夠定時通過“GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分”向“遠程水源從站”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、報警控制、數(shù)據(jù)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，可以實現(xiàn)手動／自動控制切換，可以完成遠程就地控制，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個主站無線MODEM模塊，3個從站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通過超聲波液位計探測集水池連續(xù)液位，并根據(jù)各站水泵給水能力實時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定液位到達前自動停泵。主站實時判斷從站是否出現(xiàn)設備故障及通訊故障，如出現(xiàn)故障即采取聲光報警、解鎖，清除從站水泵開泵條件，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／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(tǒng)的后備系統(tǒng)）。從站的擴展模擬量輸入模塊采集水泵工作電流，開關量模塊檢測運行狀態(tài)、報警狀態(tài)。每個從站作為實時控制系統(tǒng)的一個節(jié)點，實時監(jiān)聽主站的操作命令，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過程中發(fā)回給主站，同時將主站開泵操作命令清除。GPRS模塊負責數(shù)據(jù)的上傳及下發(fā)。上位機負責從主站讀取數(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，開關量信息以表格方式加以記錄；記錄報警信息、原因、時間等。操作人員可通過上位機上的軟操作按鈕手動開啟某一組或多組子站水泵。該機自動生成班、月報表，并將數(shù)據(jù)（實時、歷史、報警）采用OPC方式通過局域網(wǎng)上傳給調度站。
綜上所述，系統(tǒng)在功能、控制原理上分五個功能單元組成：數(shù)據(jù)處理單元、報警處理單元、通訊單元和自動控制單元，見圖2 （控制原理圖）。

3、系統(tǒng)實現(xiàn)
3.1組態(tài)系統(tǒng)的實現(xiàn)
計算機技術及通信技術的飛速發(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)質高效的監(jiān)控系統(tǒng)，“StoneView”在這方面提供了強有力的支持。
“StoneView”把核心監(jiān)控功能作為一個對象封裝起來，是一套恒壓供水控制系統(tǒng)的管理中心、調度中心。可以完成整個系統(tǒng)的調度功能，顯示現(xiàn)場設備運行情況，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)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行實時數(shù)據(jù)通訊。“StoneView”安裝在一臺工控機上，使用兩個顯示卡，并擴展成兩個組態(tài)畫面，每個畫面顯示不同的內容，并進行切換，其組態(tài)畫面如下：

3.2 PLC程序的實現(xiàn)
水廠供水要保持水壓穩(wěn)定在一定范圍內，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水壓恒定是一個必須解決的問題。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)壓力自動調節(jié)供水流量，使管網(wǎng)壓力恒定。
變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)采用1臺變頻器拖動4臺電動機的啟動、運行與調速，其中3臺大電動機（220kW）和1臺小電動機（160kW）分別采用循環(huán)使用的方式運行。通過把管網(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(jù)這兩個信號經(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、手動運行：

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

B、 自動運行：

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將接收到的信號進行比較、運算，并發(fā)出指令，對變頻器進行控制。如果檢測得管網(wǎng)壓力大于設定值，則系統(tǒng)不起動，當管網(wǎng)壓力小于設定值時，系統(tǒng)起動。

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

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，進入休眠功能，休眠過程中可以自動啟動小泵，停止3個大泵，根據(jù)壓力下降的程度及時進行補壓。當管網(wǎng)壓力大于下限設定時，再喚醒變頻器使之重新開始工作。

3.3 GPRS通訊的實現(xiàn)

3.3.1 GPRS系統(tǒng)組成：

A、無線業(yè)務處理中心：處理無線終端設備（無線業(yè)務終端、RTU+DTU等無線終端設備）提交的各項業(yè)務數(shù)據(jù)。

B、無線MODEM：調制解調無線業(yè)務處理中心和無線網(wǎng)絡間的業(yè)務數(shù)據(jù)。

C、GPRS網(wǎng)絡：無線數(shù)據(jù)傳輸平臺。

D、基站：連接無線端設備和GPRS無線內部網(wǎng)絡的節(jié)點。

E、無線終端設備：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），可以是嵌入式應用中的DTU+各類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(tǒng)處理流程：

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

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

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備，CPU222把信息反饋給終端設備，從而實現(xiàn)了無線通信傳輸。

3.3.3 GPRS系統(tǒng)特點：

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

4、結語

本系統(tǒng)已成功應用于北京市良鄉(xiāng)鎮(zhèn)邢家塢村半年之久，運行狀態(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)采用了先進的HMI管理，GPRS通信技術，PID控制步進控制技術，減少了人力成本，實現(xiàn)了復雜的、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)供水需求及相關標準，宜廣泛推廣。

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