基于GPRS網絡的水源井控制器

北京安控科技股份有限公司 史衛華

1 概述

目前中國北方大部分水廠采用水源井取水方式，即每個水廠有多口水源井抽取地下水，然后通過輸水管道把所抽取地下水送入水廠，經處理后供給市民。

由于生產工藝落后，水源井的啟停控制大部分還依靠人工完成。且水源井分布比較分散，遠離市中心，單純依靠人工定時啟停水源井，無法在關鍵時刻對水源井進行控制，并且無法實時了解水源井的工作狀態，經常發生水源井燒泵的現象。

隨著技術水平的提高及GPRS網絡的普及，越來越多的水廠開始考慮采用基于GPRS的水源井控制器統一對各個水源井進行實時數據監控。水源井控制器采用RTU（Remote Terminal Unit 遠程終端控制器）加GPRS通訊模塊，并根據水源井的工作特點編寫相關的控制器程序即可實現以下功能：水源井水位測量、出水壓力測量、三相電參數測量、遠程啟停控制、報警停機控制等功能。

它實現了工人在值班室（監控中心）即可查看各個水源井的運行參數，啟停水源井，及時關停故障水源井，從而大大減小了工人的勞動強度，節約了水源井的維護成本，提高了工作效率。

2 水源井控制器的功能

水源井控制器是跟據中國北方水廠的生產需求提出的。它至少應滿足以下要求：

（1）可以適用于中國北方的大部分環境

中國北方的很多城市如大慶、哈爾濱在冬天時可以達到-40℃。因此要求水源井控制器可以適應北方的低溫環境。

（2）可以實現水源井的基本控制和測量功能

水源井控制器應至少具有以下功能：測量水井水位、測量水井出水壓力、測量水井出水流量（預留）、測量水泵的三相電壓、三相電流、可根據三相電參數對水泵進行保護、遠程控制水源井啟停。

（3）通訊設備選擇

由于GPRS通訊方式無需申請，無需架設天線塔架，因此水源井控制器從安裝成本上考慮采用GPRS通訊方式與調度中心進行通訊。

（4）通道的數量要求

控制器的I/O接口數量要滿足水源井的需求：至少具有4AI（采集常規儀表的4~20mA信號）、具有6個DI信號（測量水泵的運行狀態、泵房的門狀態、變頻器狀態信號、報警信號等。）、4個DO（可以控制兩個泵的啟停）、兩個RS232/485接口（一個與GPRS通訊，另一個和電量模塊通訊）。

（5）便于快速安裝

水源井控制器一般都是批量使用的，因此要便于用戶安裝。

3 水源井控制器選型

根據產品的功能分析，我對水源井控制器所采用的核心部件進行了選型和設計。

3.1 主控制器的選擇

目前的水源井控制器有小型PLC和一體化RTU兩種方案可以作為水源井控制器的主控制器。安控科技生產的Super32-L系列RTU非常適合于這種應用并且相對于PLC有以下優勢：

（1）小型PLC主要用于機械生產領域，且主要用于室內，一般的溫度范圍0℃~40℃，不適用于大慶、哈爾濱等北方的環境。而RTU主要、應用于野外獨立的場所溫度范圍可達-40℃~70℃（安控科技的Super32系列RTU）。

（2）PLC為了降低生產成本，接口較少，且只支持本公司的通訊協議。不便于接入監控網絡。RTU一般接口較多，且支持標準的MODBUS協議，便于接入SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition數據采集與監控系統）系統。

水源井控制器采用Super32-L201 RTU作為水源井控制器的核心控制器。它具有6AI、8DI、4DO、1RS232、1RS232/RS485、1以太網接口。

3.2 DTU的選擇

作為水源井控制器的通訊部分，DTU的選擇關系水源井控制器是否能支持多種SCADA軟件。

首先，DTU要可以在東北使用。其次，可以接入大部分的國產SCADA軟件。綜合以上原因我們選擇了宏電科技的7110系列DTU，它有本種DTU，即華為芯片DTU（溫度范圍-10℃~45℃）MOTOROLA芯片DTU（-35℃~70℃）。在東北可根據地域不同選擇西門子芯片和MOTOROLA芯片的DTU。并且宏電和國內多家組態軟件廠家有過合作關系，即在組態軟件內嵌DTU的驅動程序，用戶無法開發驅動。因此我們選擇宏電的DTU。

3.3 其它硬件的選擇

水源井控制器除RTU及DTU外，還要有以下部件：電源、電量模塊、開關、端子等附件。它們的選擇原則先是可以在北方的大部分地區使用，其次滿足設計功能要求。

3.4 水源井控制器的硬件設計

根據對多個水源井現場的考查，水源井控制器的體積要盡可能的小，如有必要可以裝入水泵啟動箱。經過多個水廠的考查水源井控制器的機箱外形尺寸最終定為300×450×180（mm）。這個尺寸可以放入大部分現有的強電控制箱，也可以直接安裝在水源井泵房。水源井控制箱底部開4個直徑30mm的接線孔。

考慮到很多水泵采用三相三線制供電，無法直接取得220V市電，因此有必要在水源井控制器內部安裝一個380V轉220V變壓器。變壓器的功率要足夠整個設備的使用。RTU功耗大約2W、DTU最大功耗12W、電量模塊1W、儀表功耗2W，整體功耗大約17W，再加上儲備，選擇40W的變壓器。

RTU通過COM1口與電量模塊進行連接，并通過MODBUS協議讀取電量模塊內部的數據。電量模塊選擇安控科技生產的E306電量模塊，它可以采集三相電壓、三相電流、功率、功率因數等參數。

水源井控制器的外接儀表部分，每個儀表通道單獨配置一個0.5A的保險。防止在更換儀表，或儀表接線時因意外短路損壞電源。

3.5 水源井控制器的軟件設計

軟件是水源井控制的核心部分。它決定了水源井控制器的控制水平。水源井控制器的軟件共有以下幾部分。

3.5.1 數據采集部分

水源井控制器采集的儀表信號為4~20mA電流信號。信號進入RTU后轉換為10000~50000的通道值數據。RTU根據以下公式把電流信號轉換為測量工程值。

工程值=（（通道值－10000）/40000）×（儀表量程上限－儀表量程下限）。

最終以實時數據形式存放于寄存器中。每個工程值占用兩個16位的寄存器地址。

3.5.2 電量采集部分

水源井控制器的電量采集由電量模塊完成。要測量三相電參數需要外部接入電量模塊10根線。測量結果存于電量模塊的寄存器中，并且電量模塊內的數據不能直接使用，要根據RTU設定的互感器變比K進行計算后才能得到最終的計算數據。

電量模塊所得的數據存放在40001~40040寄存器中。這些數據包括：各相電壓、各相電流、各相功率、功率因數、總功率、視在功率、有功功率、無功功率等參數。

要讀取這些數據，首先要在RTU中設置電量模塊內的數據地址、互感器的變比。然后讀取相關的數據，并把計算后的數據存放在Super32-L201中。

3.5.3 水源井控制器的控制部分

水源井控制器通過Super32-L201的COM2口與監控中心通訊，接受監控中心的命令。水源井控制器可以通過遠程指令啟停。

水源井的電機采用點起或點停的方式進行控制，即RTU檢測到中心啟動指令后控制啟動繼電器吸合，當檢測到電機已啟動或吸合時間超過3秒，啟動繼電器斷開。RTU檢測到中心停指令時，控制停繼電器吸合，當檢測到電機已停運或吸合時間超過3秒，控制停斷電器斷開。

水源井控制器除接受遠端控制，還可以進行本地保護控制。

（1）定時啟停

由于居民的用水量在各個時間段表現差異很大，水源井控制器可以根據設定的時間段進行啟停控制。一臺水源井控制器最多可以設定五個時間段。這樣部分低產水源井可只在用水高峰期開啟，其它時間段停機。

由于很多城市采用分時電價，定時啟停也可以控制水源井在低電價時工作，儲滿蓄水池，在高電價時停止工作。達到降低運行成本的目標。

（2）缺水停機保護

水源井控制器可以外接液位計。在控制器內設低水位保護值，當檢測到水源井液位低于設定液位后，自動控制水泵停機，防止水泵空轉損壞水泵。

（3）缺相保護

水源井控制可以根據所測的三相電壓判斷三相電是否平衡。當出現三相電不平衡或缺相時自動控制水源井停機。起到保護水泵的做用。

（4）防盜檢測報警

水源井大部分位于比較偏僻的地方，容易發生失竊。水源井控制器可以檢測所在泵房的門是否被打開。可以外接紅外報警器，檢測是否有人闖入。當檢測到有人闖入時，發出報警音阻嚇嫌疑人，并通知監控中心。

4 水源井控制器的安裝

水源井控制器一般安裝在水源井泵房內離電機啟動箱比較近的地方。一般有以下線連接電纜，如圖1所示。

啟動控制電纜：兩根，并聯在現場啟動箱的啟動按鈕上。

停止控制按鈕：兩根，串聯在現場啟動箱的停止按鈕上。

啟停狀態線：兩根，接在接觸器的常開輔助觸點上。

三相電參數：共10根線，4根接在接觸器下端，6根來自電流互感器。

現場儀表接線：根據現場實際安裝的儀表接線。

5 水源井控制器與中心的通訊

圖1 連接電纜示意圖

水源井控制器通過GPRS模塊與監控中心進行通訊。并且水源井控制器支持標準的MODBUS通訊協議。因此國內的大部分組態軟件都可以用來作為監控中心軟件。目前常用的有三維力控、組態王。這些組態軟件只需要跟據水源井控制器內部的寄存器地址表即可做出中心組態，不需要專門的編寫驅動程序。

由于采用GPRS通訊監控中心還需要向中國電信或網通申請一個固定公網IP地址。每個水源井控制器需要辦理一張手機SIM卡，并開通GPRS業務。

6 水源井控制器的應用情況及意義

安控科技水源井控制器是因為中糧生化能源公主嶺項目提出的需求，后經過多個水廠的考查后最終設計定型的。

目前水源井控制器已經應用于東北及新疆的多個地方，至少20處有500臺水源井控制器在使用中。它的使用大大提高了自來水生產的自動化程度，提高了生產效率。以中糧生化能源為例。在使用前，他們管理28口水源井，水源井沿102國道分布，離水廠最遠40公里，需要3個班組巡視，每個班組需要4名巡井人員共12個人，兩部汽車。采用水源井控制器后，他們只需3名機動巡井人員和兩名中控室值班人員，一部汽車。每年直接節約運營費用大約15萬，間接減少生產維護費用達25萬以上。

水源井控制器的使用可大大提高水廠及相關企業的生產效率，降低人工成本，減少生產設備的維護費用。同時可帶動相關行業整體的自動化水平。