西门子自动化与驱动集团自动化系统部

　　引言

　　恒压供水在民用、工业领域中应用广泛，但使用老式控制系统难以得到良好的压力控制、难以对远方多个水源选择性控制，并且人机交互能力也比较差，从而管理难度大，操作复杂，造成人力物力浪费。

　　基于“集中管理，分散控制”的模式，数字化、信息化环保工程的思想，我公司开发了这套基于GPRS的恒压供水控制系统，并着眼于“管控一体化”信息系统的建设，建立一个先进、可靠、高效、安全且便于进一步扩充的集过程控制、监视、无线控制和计算机控制于一体并且具备良好开放性的监控系统，完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制，实现“现场无人值守，少人值班，智能调节”的目标。

　　1、系统构成

　　设计的时候，在确保先进、可靠、开放、安全的前提下，始终坚持控制成本的原则。本套系统自动化程度高，人机交互能力强。我公司采用的无线通讯系统组成见图1（系统结构图），硬件主要由以下5部分组成：

　　A、1台主站可编程控制器CPU226 + EM223 + EM222，一台MM430变频器；

　　B、3台从站可编程控制器CPU222 + EM231（1块四路模拟量输人模块）；

　　C、4套GPRS DTU通讯模块 + 4张移动SIM卡；

　　D、1台工业计算机（上位机） + 1套“StoneView”组态软件；

　　E、2面主站操作显示屏+1面主站控制柜+3面从站控制柜。

　　我公司选择了西门子S7-200系列PLC控制器CPU226和CPU222。CPU226自身带两个可定义通讯口、24DI／16DO，可扩展7个模块；CPU222带1个可定义通讯口、8DI／6DO，可扩展2个模块（详细内容参见S7—200 编程手册）。工控机使用PPI协议与主站CPU226 通讯，主站CPU226与从站CPU222采用modbus协议通过GPRS DTU无线终端进行实时通讯。

图1 系统结构图

　　GPRS恒压供水系统在功能上由三部分组成：调度主站及HMI管理部分、GPRS数据传输部分、远程水源从站部分。

　　A、调度主站及HMI管理部分：主站CPU226实时采集液位、流量、压力等模拟数据，采用PID控制方式控制多台水泵的工频、变频切换，实现了恒压供水的控制。管理功能强大，能够定时通过“GPRS数据传输部分”向“远程水源从站”CPU222发送控制、轮询命令。HMI管理拥有人性化的集中管理界面，直观、方便，可以完成自动手动控制、报警控制、数据管理、报表管理等功能。

　　B、远程水源从站部分：从站采用小型PLC-CPU222控制，可以实现手动／自动控制切换，可以完成远程就地控制，并且可以完成长期无人值守。

　　C、GPRS数据传输部分：采用1个主站无线MODEM模块，3个从站DTU模块，共4张SIM卡，租用中国移动的GPRS通道，包月上网。

　　2、控制原理

　　主站CPU226通过超声波液位计探测集水池连续液位，并根据各站水泵给水能力实时判断开启一组或多组水泵。为保障水泵寿命我们制作了一开泵矩阵，令水泵轮流给水，并根据管道的延迟，利用二次仪表的回差功能在所设定液位到达前自动停泵。主站实时判断从站是否出现设备故障及通讯故障，如出现故障即采取声光报警、解锁，清除从站水泵开泵条件，并在上位机显示记录。另外操作显示屏显示集水池水位、每台泵的备妥信息（设备通电并准备好）、应答状态（设备运行与否）、故障信息等，操作显示屏上还设置了单台泵的启／停按钮、每组泵的手动／自动切换按钮、每组水泵的启／停按钮及外输泵的启／停按钮等，操作开关均有手动／自动状态可选择。显示屏上的指示灯指示泵的运行状态、报警信息及状态（显示屏上所有信息均作为上位计算机系统的后备系统）。从站的扩展模拟量输入模块采集水泵工作电流，开关量模块检测运行状态、报警状态。每个从站作为实时控制系统的一个节点，实时监听主站的操作命令，并将设备的状态信息发送给主站。若有异常，立即停泵，并将信息在主站轮询过程中发回给主站，同时将主站开泵操作命令清除。GPRS模块负责数据的上传及下发。上位机负责从主站读取数据并以人性化的图形界面显示并存储，将各模拟量信息以曲线方式加以记录，开关量信息以表格方式加以记录；记录报警信息、原因、时间等。操作人员可通过上位机上的软操作按钮手动开启某一组或多组子站水泵。该机自动生成班、月报表，并将数据（实时、历史、报警）采用OPC方式通过局域网上传给调度站。

　　综上所述，系统在功能、控制原理上分五个功能单元组成：数据处理单元、报警处理单元、通讯单元和自动控制单元，见图2 （控制原理图）。

图2  控制原理图

　　3、系统实现

　　3.1组态系统的实现

　　计算机技术及通信技术的飞速发展，为工业开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，“StoneView”在这方面提供了强有力的支持。

　　“StoneView”把核心监控功能作为一个对象封装起来，是一套恒压供水控制系统的管理中心、调度中心。可以完成整个系统的调度功能，显示现场设备运行情况，实现历史数据存储，报警输出，报表打印等功能，并提供OPC接口与远方调度站进行实时数据通讯。“StoneView”安装在一台工控机上，使用两个显示卡，并扩展成两个组态画面，每个画面显示不同的内容，并进行切换，其组态画面如下：

图3 组态画面

　　3.2 PLC程序的实现

　　水厂供水要保持水压稳定在一定范围内，但城市用水量是动态的，白天用水量大，晚上用水量小。如何保证供水量波动时水压恒定是一个必须解决的问题。本文采用S7-200PLC、西门子MM430变频器等组成全自动恒压供水控制系统主站，根据管网压力自动调节供水流量，使管网压力恒定。

　　变频调速恒压供水控制系统采用1台变频器拖动4台电动机的启动、运行与调速，其中3台大电动机（220kW）和1台小电动机（160kW）分别采用循环使用的方式运行。通过把管网压力信号、变频器输出电机频率信号反馈给PLC的PID模块，PLC根据这两个信号经PID运算，发出控制信号，控制水泵4台电机轮流工频、变频切换。PLC控制变频器按照软停止方式运行，更好地防止水锤效应的发生[1]。

　　A、手动运行：

　　手动运行用于系统调试时测试系统各部分是否正常。并且在自动运行系统产生故障可切换到手动人工运行状态。

　　B、 自动运行：

　　在水泵出口母管处装设压力变送器和流量变送器，将压力和流量信号送入CPU226，CPU226将接收到的信号进行比较、运算，并发出指令，对变频器进行控制。如果检测得管网压力大于设定值，则系统不起动，当管网压力小于设定值时，系统起动。

　　MM430变频器带1＃泵软起动,此时1＃泵处于变频调速运行状态，变频器根据收到的信号随时调整水泵的转速。当1＃泵达到额定转速仍不能满足水压值要求时，则该水泵自动切换到工频状态下运行，变频器则控制2＃水泵，使之软起动并运行。依此类推，直到管网压力满足压力设定要求。

　　在用水高峰过后，由于投入多台泵而使管网压力超过设定值，系统依据先投先停的原则，依次停止1＃泵，2＃泵… …。先投先停可以实现对多台泵的平均使用，有利于延长泵的使用寿命。对于所有泵的起停控制，完全由管网压力决定。

　　夜间用水量非常少的情况下，为了节能，进入休眠功能，休眠过程中可以自动启动小泵，停止3个大泵，根据压力下降的程度及时进行补压。当管网压力大于下限设定时，再唤醒变频器使之重新开始工作。

　　3.3 GPRS通讯的实现

　　3.3.1 GPRS系统组成：

　　A、无线业务处理中心：处理无线终端设备（无线业务终端、RTU+DTU等无线终端设备）提交的各项业务数据。

　　B、无线MODEM：调制解调无线业务处理中心和无线网络间的业务数据。

　　C、GPRS网络：无线数据传输平台。

　　D、基站：连接无线端设备和GPRS无线内部网络的节点。

　　E、无线终端设备：可以是无线终端（如书店的库存管理终端、零售店的库存管理终端等），可以是嵌入式应用中的DTU+各类嵌入试检测控制设备（RTU：比如环境检测设备、油田检测设备、污水检测设备等）。

　　3.3.2 GPRS系统处理流程：

　　A、无线业务处理中心：通过无线MODEM登录到无线网络，获得无线网络分配的静态（IP地址和手机卡绑定）的全局IP地址。接受无线终端设备的业务处理请求或主动向无线终端设备发起业务处理请求。

　　B、无线终端设备（DTU）：从IP地址服务中心获得无线业务处理中心IP地址，链接无线业务处理中心，请求无线业务处理服务；或等待无线业务处理中的业务处理请求。

　　C、无线MODEM作为通讯主站，通过RS485口接到CPU226上； 各无线终端设备作为通讯从站，通过RS485口接到CPU222上。CPU226发送通讯数据包给无线MODEM，无线MODEM依次轮询各无线端末设备，CPU222把信息反馈给终端设备，从而实现了无线通信传输。

　　3.3.3 GPRS系统特点：

　　由于各监控点分布范围广、数量多、距离远，有些点还地处偏僻，有些采集点有线线路难以到达，采用这种传统形式已经无法满足系统实时性的要求；GPRS无线通信方式具有组网硬件成本低、使用费用低、速度快等特点，其传输速度可达171.2kb/s[2]。与有线通信方式相比具有组网灵活、扩展容易、维护简单、性价比高等优点。

　　4、结语

　　本系统已成功应用于北京市良乡镇邢家坞村半年之久，运行状态良好，未出现故障，解决了20，949人的饮水问题。本系统主要用于民用、工业集中采水供水系统，本系统采用了先进的HMI管理，GPRS通信技术，PID控制步进控制技术，减少了人力成本，实现了复杂的、高性能的过程控制，且理论依据充分符合目前城市、工业供水需求及相关标准，宜广泛推广。

　　参考文献：

　　[1]邵惠鹤.工业过程高级控制[M].上海: 上海交通大学出版社,1997.

　　[2][美]里吉斯 著，朱洪波等 译.通用分组无线业务（GPRS）技术与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社,2004.