基于GPRS的恒壓供水系統(tǒng)

　　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(gè)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(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)測與自動(dòng)控制，實(shí)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(jì)的時(shí)候，在確保先進(jìn)、可靠、開放、安全的前提下，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)。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(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管理擁有人性化的集中管理界面，直觀、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，并且可以完成長期無人值守。

　　C、GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分：采用1個(gè)主站無線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通過超聲波液位計(jì)探測集水池連續(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，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(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)*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(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(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?？梢酝瓿烧麄€(gè)系統(tǒng)的調(diào)度功能，顯示現(xiàn)場設(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?！癝toneView”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。