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)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)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(diào)節(jié)”的目標(biāo),。
1,、系統(tǒng)構(gòu)成
設(shè)計的時候，在確保先進(jìn),、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(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自身帶兩個可定義通訊口,、24DI／16DO，可擴(kuò)展7個模塊,；CPU222帶1個可定義通訊口、8DI／6DO,，可擴(kuò)展2個模塊(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)行實時通訊,。
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(qiáng)大，能夠定時通過“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、報警控制,、數(shù)據(jù)管理,、報表管理等功能。
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(shè)定液位到達(dá)前自動停泵,。主站實時判斷從站是否出現(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),、報警信息及狀態(tài)（顯示屏上所有信息均作為上位計算機(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(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,；記錄報警信息,、原因,、時間等。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(diào)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）,。
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(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?？梢酝瓿烧麄€系統(tǒng)的調(diào)度功能,，顯示現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)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(yuǎn)方調(diào)度站進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通訊,。“StoneView”安裝在一臺工控機(jī)上,，使用兩個顯示卡，并擴(kuò)展成兩個組態(tài)畫面,，每個畫面顯示不同的內(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(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,，系統(tǒng)起動。
MM430變頻器帶1＃泵軟起動,此時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，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?？梢詫崿F(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個大泵,，根據(jù)壓力下降的程度及時進(jìn)行補(bǔ)壓。當(dāng)管網(wǎng)壓力大于下限設(shè)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(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。
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(yuǎn),，有些點還地處偏僻，有些采集點有線線路難以到達(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(fèi)用低,、速度快等特點,，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、性價比高等優(yōu)點,。
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.