王營博 許同樂 陳 康

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

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DCS系統(tǒng)在水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用

王營博 許同樂 陳 康

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

針對(duì)水廠傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的實(shí)時(shí)性差，選、布線難，數(shù)據(jù)吞吐量小的特點(diǎn)，采用無線GSM/GPRS技術(shù)對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行有效傳輸。考慮現(xiàn)場環(huán)境惡劣，上位機(jī)不能完全對(duì)終端進(jìn)行有效控制，且整個(gè)系統(tǒng)要求故障率低、可靠性高等要求，提出基于PLC控制的DCS系統(tǒng)。實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)應(yīng)用于水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控的正確性和可靠性。結(jié)果表明采用基于GSM/GPRS和PLC的DCS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水廠供水遠(yuǎn)程監(jiān)控。

GSM/GPRS PLC DCS 遠(yuǎn)程監(jiān)控 組態(tài)軟件

0 引言

集散控制系統(tǒng)或分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)，它是與過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它綜合了計(jì)算機(jī)、控制、通信和顯示等4C技術(shù)，可用于對(duì)各種在線設(shè)備進(jìn)行分散控制和集中管理[1]。因其具有高可靠性、高開放性、組態(tài)靈活、維護(hù)方便、控制功能齊全等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛使用。

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如單片機(jī)控制系統(tǒng)和集中式控制系統(tǒng)，均采用單臺(tái)PLC控制單元對(duì)現(xiàn)場設(shè)備予以控制，一旦PLC發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)癱瘓；其次，由于自動(dòng)化程度的不斷提高，系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，人們期望能隨時(shí)隨地迅速查看現(xiàn)場狀況，能對(duì)預(yù)警信息及時(shí)有效的處理。鑒于此，提出基于GSM/GPRS無線通信和PLC控制的DCS系統(tǒng)，能有效地遏制上述問題的產(chǎn)生，從而達(dá)到系統(tǒng)故障率低、數(shù)據(jù)吞吐量大、傳輸速度快、即時(shí)性好的目的，提高水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控的自動(dòng)化程度。

1 水廠DCS系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)構(gòu)

基于GSM/GPRS和PLC的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DCS系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可分為過程控制級(jí)、控制管理級(jí)和生產(chǎn)管理級(jí)，它們既能相互區(qū)別又相互聯(lián)系，每一級(jí)又包括許多子集；但DCS系統(tǒng)概括起來又可分為由用于組態(tài)和維護(hù)的工程師站、用于監(jiān)控和操作的操作員站以及用于優(yōu)化生產(chǎn)配置的管理計(jì)算機(jī)組成的集中管理部分，由用于現(xiàn)場監(jiān)測控制的PLC組成的分散控制部分和用于各子類間相互通信的通信部分這三部分組成[2-3]。由于具有接入快、傳輸速度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，GSM/GPRS通信網(wǎng)絡(luò)可用于設(shè)備終端與上位機(jī)之間的通信；鑒于PLC的高可靠性、易操作性和靈活性，使其成為分散控制部分的核心毋庸置疑。

2 GSM/GPRS技術(shù)在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)，由于其具有覆蓋率高、保密性和抗干擾性好、穩(wěn)定可靠和接入方便等優(yōu)點(diǎn)深受廣大客戶的喜愛,目前我國已建成了覆蓋全國的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，它會(huì)為用戶提供多種業(yè)務(wù)，其中語音業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)(SMS)和通用分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(GPRS)較為流行[4-5]。此水廠DCS系統(tǒng)在通信方面，主要應(yīng)用了GSM的SMS業(yè)務(wù)，它的可移動(dòng)性和快速性可以使監(jiān)測員及時(shí)地了解并處理現(xiàn)場設(shè)備的各種突發(fā)情況；同時(shí)GSM的GPRS業(yè)務(wù)永遠(yuǎn)在線、接入快捷、數(shù)據(jù)傳輸速度快、按流量收費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)在此系統(tǒng)中也被展現(xiàn)的淋漓盡致。

本系統(tǒng)的通信部分可分為現(xiàn)場設(shè)備端、監(jiān)控中心端和客戶服務(wù)端三部分，它的重點(diǎn)之一就是解決監(jiān)控中心與遠(yuǎn)程監(jiān)控分站之間的通信問題。其中現(xiàn)場設(shè)備端和監(jiān)控中心端均采用MC52i GSM/GPRS遠(yuǎn)程控制終端模塊，客戶服務(wù)端只要使用已正常開戶的SIM卡及手機(jī)即可。未開通GPRS套餐服務(wù)及網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸及控制通過GSM的SMS業(yè)務(wù)來完成，表1為與SMS有關(guān)的主要GSM的AT指令。

表1 GSM模塊SMS相關(guān)AT命令

對(duì)GSM的SMS控制有3種實(shí)現(xiàn)途徑。

①最初的Block Mode:它是一個(gè)二進(jìn)制協(xié)議，它對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的控制不完全可靠。

②基于AT命令的Text Mode:它是基于AT命令以字符為基礎(chǔ)的界面，但它不支持中文，所以具有操作上的局限性。

③基于AT命令的PDU Mode:它具有基于字符的接口，可以二進(jìn)制編碼傳送十六進(jìn)制編碼的消息塊，可以不了解消息塊的內(nèi)容在終端之間傳送信息，且支持中文?；谕ㄓ眯耘c穩(wěn)定性，本系統(tǒng)對(duì)SMS的控制采用PDU格式。

PDU串不僅包括要顯示的消息，還包括目標(biāo)號(hào)碼、回復(fù)號(hào)碼、編碼方式和服務(wù)時(shí)間等，而且接收和發(fā)送的PDU串結(jié)構(gòu)是不相同的。表2為發(fā)送消息的PDU格式，表3為接收消息的PDU格式。

表2 發(fā)送消息的PDU格式

表3 接收消息的PDU格式

如將字符“Hi”發(fā)送到目的號(hào)碼“+8618766969578”中去，其中發(fā)送方號(hào)碼為“+8618766969579”，則發(fā)送的PDU字符串為：08 91 688167969675F9 1100 0D91 688167969675F8 0000 08 02 C834接收到的PDU字符串為：08 91 688167969675F9 04 A1 688167969675F8 00 08 20701190021520 02 C834(其中表4為接收短消息的PDU模式解析)。

表4 接收短消息的PDU模式解析

在已開通GPRS業(yè)務(wù)且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的前提下，可通過GSM的GPRS業(yè)務(wù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制。用GPRS業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)通信模型如圖2所示。

圖2 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模型

由于GPRS網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)，可以與Internet進(jìn)行連接，故可將兩終端節(jié)點(diǎn)抽象為兩個(gè)GPRS網(wǎng)絡(luò)，并將其內(nèi)部協(xié)議抽象為網(wǎng)關(guān)協(xié)議[4]。這樣，就可通過物理層將無線通信模塊和Internet進(jìn)行連接；在鏈路層通過PPP協(xié)議遠(yuǎn)程登陸Internet，可得到GPRS網(wǎng)關(guān)分配的IP協(xié)議；在網(wǎng)絡(luò)層通過IP 協(xié)議將所有終端連接起來，用監(jiān)控中心端的IP路由來選擇要實(shí)現(xiàn)與接入Internet中的監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的終端無線模塊；在傳輸層通過ICP/UDP進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[6]。

3 基于PLC的水廠DCS系統(tǒng)

DCS系統(tǒng)的核心是可編程邏輯控制器(PLC)，PLC具有可靠性高、易操作和靈活性等特點(diǎn),與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比，基于PLC的DCS系統(tǒng)具有系統(tǒng)配置靈活、造價(jià)低、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[7]。圖3為PLC與PC的通信流程圖。

圖3 PLC與PC的通信流程圖

在遠(yuǎn)程監(jiān)控過程中，通過PLC控制的電磁閥的得、失電來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥、深水井泵的啟停，控制現(xiàn)場終端傳感器對(duì)流量、壓力、水深等信號(hào)的采集，控制設(shè)備終端GSM/GPRS模塊與監(jiān)控中心端及客戶服務(wù)端的通信等。

本DCS系統(tǒng)的核心部分采用CPU224的SIMENS S7-200CN系列PLC,該機(jī)集成了14路輸入/輸出共24個(gè)數(shù)字量節(jié)點(diǎn)，168路數(shù)字量輸入輸出，35路模擬量輸入輸出，具有1個(gè)RS-485編程口，可采用PPI協(xié)議、MPI協(xié)議及自由協(xié)議的方式進(jìn)行通信。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)PLC控制系統(tǒng)采用手動(dòng)與自動(dòng)兩種模式予以操作。

圖4為PLC的模式轉(zhuǎn)換流程圖。

圖4 PLC的模式轉(zhuǎn)換流程圖

水廠DCS系統(tǒng)的設(shè)備層主要有四種功能模塊：遠(yuǎn)程流量監(jiān)測模塊、遠(yuǎn)程水位監(jiān)測模塊、管網(wǎng)壓力監(jiān)測模塊和PLC控制下的執(zhí)行模塊[8]。它們都是在現(xiàn)場PLC的控制下通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采集，并控制無線通信模塊與上位機(jī)之間進(jìn)行通信，通過中間控制的方式使上位機(jī)對(duì)生產(chǎn)一線的情況及時(shí)了解并有效控制。

3.1 遠(yuǎn)程流量監(jiān)測模塊

為了保證各工業(yè)單位正常取水，該水廠需要對(duì)各單位水供應(yīng)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。此模塊對(duì)流量的監(jiān)測采用超聲波流量計(jì)。該ZRN-100型超聲波流量計(jì)主要安裝于大管徑管道、水表不易安裝、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的場所。上位機(jī)在軟件的驅(qū)動(dòng)下，每天會(huì)在七個(gè)整點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)程流量進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新采集，并將PLC采集到的瞬時(shí)流量進(jìn)行在線曲線趨勢統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示，此圖中只涉及到三家企業(yè)某一天的測點(diǎn)流量信息。PLC采集的瞬時(shí)流量計(jì)算公式如下：

(1)

式中：S為管道截面積；V為水流速度；L為安裝距離；t為激光在L管段中水靜止及水流動(dòng)時(shí)的時(shí)間差；D為管道外壁；d為管道內(nèi)壁。由于管網(wǎng)壓力、水流速度不穩(wěn)定，計(jì)算累積流量時(shí)，可對(duì)瞬時(shí)流量在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分。

圖5 企業(yè)用水瞬時(shí)流量統(tǒng)計(jì)圖

從圖5可以看到，在早晚6點(diǎn)左右各企業(yè)的用水流量都較小，8點(diǎn)和16點(diǎn)左右用水流量都較大，中午休息期間也較小，上位機(jī)操作員可以對(duì)統(tǒng)計(jì)圖進(jìn)行分析及時(shí)進(jìn)行水資源的合理調(diào)配，并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，預(yù)計(jì)下一期用水情況，提高了工作效率。企業(yè)用水統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 企業(yè)用水統(tǒng)計(jì)表

由表5可知，DCS在線監(jiān)測系統(tǒng)可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)排除供水管網(wǎng)及企業(yè)中的漏水隱患，保證供水管網(wǎng)無泄漏，提高水資源的利用率。

3.2 遠(yuǎn)程水位監(jiān)測模塊

水廠需實(shí)時(shí)監(jiān)測水庫水位變化情況保證供水量，于是該水廠采用Mh7100分體式超聲波液位計(jì)來對(duì)水庫水位進(jìn)行監(jiān)測。該超聲波液位計(jì)安裝簡單、分辨率高(1 mm)、可輸出4～20 mA模擬量或通過RS485輸出數(shù)字量。

超聲波液位計(jì)安裝如圖6所示。工作時(shí)，由垂直安裝在水面上的超聲波液位計(jì)(如圖6)中的換能器向水面發(fā)射超聲波脈沖，聲波經(jīng)液面反射后被傳感器接收，通過電晶體或磁致收縮器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由超聲波液位計(jì)發(fā)射與接收脈沖的時(shí)間差來計(jì)算液位高度，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：c為聲波在空氣中的傳播速度；t為聲波從發(fā)射到接受所用的時(shí)間；H為水庫總深度。

圖6 超聲波液位計(jì)安裝圖

3.3 管網(wǎng)壓力監(jiān)測模塊

為滿足各單位對(duì)供水壓力的要求，水廠需要對(duì)各單位進(jìn)水口處壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。此DCS系統(tǒng)設(shè)備終端對(duì)管網(wǎng)壓力的監(jiān)測采用了PT500-501型傳感器，該水壓力傳感器采用電阻應(yīng)變片做傳感器的感應(yīng)芯片，為了減少非線性誤差，其內(nèi)部采用了恒流源電橋的電路結(jié)構(gòu)來確保壓力與電壓的對(duì)應(yīng)。當(dāng)水壓改變P時(shí)，即管網(wǎng)壓力改變引起第一橋臂電阻R1變?yōu)镽1+ΔR1時(shí)，其電橋輸出電壓為：

(3)

由于管網(wǎng)壓力P與電橋輸出電壓U0相對(duì)應(yīng)，故只要將0～5 V的電壓模擬量經(jīng)過PLC內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，即可供上位機(jī)及手機(jī)客戶端使用，如圖7為企業(yè)用水瞬時(shí)壓力統(tǒng)計(jì)圖。由壓力統(tǒng)計(jì)圖可以看出,管網(wǎng)壓力在上午10點(diǎn)和下午14點(diǎn)左右比較低，說明此時(shí)用水企業(yè)多、用水量大，供水廠應(yīng)通過加壓泵來提高管網(wǎng)壓力，在早晚6點(diǎn)左右管網(wǎng)壓力較高，水廠可以切換至自動(dòng)控制模式。

圖7 企業(yè)用水瞬時(shí)壓力統(tǒng)計(jì)圖

3.4 PLC控制下的執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊是水廠DCS系統(tǒng)現(xiàn)場終端設(shè)備的關(guān)鍵，是PLC發(fā)布指令后的執(zhí)行者。執(zhí)行模塊是由PLC內(nèi)部的繼電器和接觸器等電器控件構(gòu)成的自鎖電路[9]，可用來控制超聲波流量計(jì)、超聲波液位計(jì)和管網(wǎng)壓力傳感器的供電狀態(tài)，以及電動(dòng)閥、加壓泵、深水井泵等的開關(guān)狀態(tài)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理以及指令的發(fā)布由PLC完成，但數(shù)據(jù)的采集及反饋卻需要由執(zhí)行模塊控制完成。PLC可以發(fā)布指令通過執(zhí)行模塊來控制對(duì)現(xiàn)場瞬時(shí)流量、累積流量、水位、壓力等的數(shù)據(jù)采集，也可以指令的形式通過執(zhí)行模塊對(duì)電動(dòng)閥、加壓泵、深水井泵、加料泵的開關(guān)予以控制。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行模塊可根據(jù)PLC的指令在規(guī)定的周期內(nèi)控制現(xiàn)場設(shè)備對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集到的參數(shù)經(jīng)PLC的處理、計(jì)算后與已燒寫在PLC中的程序、參數(shù)作對(duì)比，若發(fā)現(xiàn)有不妥之處，則由PLC發(fā)布指令、由執(zhí)行模塊控制完成，并將完成后的現(xiàn)場情況予以反饋，如此循環(huán)，完成對(duì)終端設(shè)備的控制[10]。

4 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控軟件

基于GSM/GPRS和PLC的DCS系統(tǒng)在線監(jiān)控的上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件采用Visual Basic進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)正常運(yùn)行后，操作員可通過操作上位機(jī)在線監(jiān)控軟件，經(jīng)由GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，以串口通信的方式對(duì)PLC中狀態(tài)寄存器的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行改寫，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的在線控制功能。此遠(yuǎn)程在線監(jiān)控可通過手動(dòng)與自動(dòng)兩種模式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但不可同時(shí)工作于兩種模式下，其遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程圖

5 結(jié)束語

組建基于GSM/GPRS和PLC的DCS系統(tǒng)，并將它應(yīng)用在水廠遠(yuǎn)程供水監(jiān)控中。系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 穩(wěn)定性好、組態(tài)靈活、易于維護(hù)、通信速度快的優(yōu)點(diǎn)；② 能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程流量、水位、管網(wǎng)壓力的在線監(jiān)測，并對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)有效地分析；③ 可以對(duì)電動(dòng)閥、加壓泵、深水井泵、加料泵等的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)控制，還可根據(jù)現(xiàn)場信號(hào)反饋，使控制達(dá)到最優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)故障率高、維護(hù)成本高、移植性差的不足。

[10]譚威.基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué),2007.

Application of DCS in Remote Monitoring of Waterworks

To overcome the disadvantages of traditional control system in water treatment plant,e.g.,poor real time performance,difficulty of choosing and cabling,and small data throughput,the wireless GSM/GPRS technology is selected for effective on-site data transmission.Considering the harsh field conditions,completely effective control of the terminals cannot be well conducted by the host computer,while low failure rate and high reliability are requested by the entire system,thus the DCS based on PLC control is proposed.The experimental results have verified the correctness and reliability of the system applied in remote monitoring for waterworks; this indicates that the remote monitoring of water supply in waterworks can be realized by the DCS based on GSM/GPRS and PLC.

GSM/GPRS PLC DCS Remote monitoring Configuration software

山東省自然基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：ZR2013FM005);

山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：J10LG22)。

王營博(1990-)，男，現(xiàn)為山東理工大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事智能測試技術(shù)及儀器方面的研究。

TH7;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601013

修改稿收到日期：2015-05-21。