基于數傳電臺與RTU及PLC的水泵站遠程監控系統

趙政寶，趙一博，張濤

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

0 引言

本文以沙特阿拉伯宰利姆地區金礦堆浸選礦工程中水源地水井泵站遠程監控系統設計為例，介紹一種基于無線數傳電臺、RTU和PLC組建無線集中監控系統方法[1]。該系統不僅解決了選礦廠水源地遠距離信號難于穩定傳輸問題，并能根據主廠區生產消防水池液位變化實現水源地水井潛水泵自動變頻調節和限位啟停，滿足實時對水源地液位、壓力、流量、水井泵頻率等模擬量數據和泵機開關量數據的遠程采集要求。

1 系統設計目標

1.1 現場描述

沙特阿拉伯礦業公司金礦堆浸選礦工程位于沙特阿拉伯宰利姆東南20公里，該地區為沙漠、戈壁地質，遠離城市地廣人稀、交通通信等設施比較落后。選廠主廠區建在金礦區附近，而目前水源地有2個，各1口井，相聚距5000多米，與主廠區相距17000多米，通過埋地管路向主廠區生產消防水池供水，以滿足選廠生產和消防用水需要。如何實現對地理位置分散，空間距離遠的水源地水泵機、發電機及各種液位、壓力、流量、溫度等參數實時控制和監視，是亟需解決的重要問題。

1.2 設計目標

1.2.1 廠區主站

1）實現對水源地柴油發電機組和水井潛水泵進行遠程手動啟停控制和運行頻率設定。

2）能夠實時監測水源供水生產系統的液位、流量、壓力、泵機和發電機組運行狀態等主要工藝參數，并對部分重要的工藝參數進行越限報警。

3）提供企業生產管理所需的歷史數據查詢、趨勢曲線、數據報表、操作和報警記錄等功能。

1.2.2 水井分站

1）實現對本站內的液位、流量、壓力等檢測儀表數據及泵機電壓、電流、運行狀態等數據進行就地采集和顯示。

2）就地運行時，能夠對本站內水井潛水泵實施就地手動啟停和運行頻率控制。

3）遠程自動運行時，能夠根據生產消防水池液位控制水井潛水泵的自動起停及運行頻率。

2 系統設計

為滿足選礦廠水源地水井泵站遠程監控系統設計要求，本系統采用主從式結構模式，運用RTU遠程控制、PLC集控、無線數傳電臺、Modbus總線協議以及組態軟件等技術，建立廠區主站管理和水井分站控制相結合的監控系統。系統分為三層結構，分別為控制層，網絡層和監控層，如圖1所示。

2.1 控制層設計及選型

控制層由兩個部分組成，分別為設在水源地水井泵房的水井分站和設在主廠區供水泵房的主站。水井分站內設RTU過程控制器[2]，其主要功能如下：

1）實現就地控制水井潛水泵的啟動、停止，采集水井潛水泵電流、故障、遠程就地轉換信號以及就地儀表測量信號，并通過無線數傳電臺與廠區供水主站PLC控制器進行數據通信。

2）接收廠區供水主站命令實現泵的啟停，并能完成系統運行自檢、數據傳送、計算控制輸出等工作。

3）當系統切換就地自動控制時，RTU過程控制器能夠根據生產消防水池液位控制本站內水井潛水泵的自動起停及運行頻率。

為了適應惡劣外部環境，本系統中，我們選擇北京安控推出的Super32系列RTU作為水井分站核心控制器，該系列RTU結構小巧，功能強大，通訊接口豐富，具有極高的性價比，在水廠，造紙廠等行業廣泛應用。并且該系列RTU過程控制器與相應配套顯示、操控模塊出廠后便集成于一個高防護等級控制箱內，能更好的適應惡劣現場環境[3]。

廠區供水主站控制器，采用西門子公司S7 200系列224XP可編程控制器作為核心控制器，并配有CP243通訊模塊[4]。西門子S7 200系列PLC具有以下三部分作用：

1）實現對水井分站發電機組和水井潛水泵遠程手動啟停控制和運行頻率設定。

2）通過無線數傳電臺與水井分站RTU控制器通訊，實現水井分站數據的采集。

3）通過掛接的CP243模塊利用以太網將數據上傳至上位機，并可實現信息的共享。

圖1 系統網絡結構圖

2.2 網絡層設計及選型

由于本工程中廠區主站與水井分站距離遠，難以用電纜直連的方式實現通訊，因此為了滿足實時采集數據的要求，我們采用無線數傳電臺作為通訊媒介。無線數傳電臺具有數話兼容、傳輸性好、穩定性高等優點，非常適合本工程所處惡劣環境的高質量數據傳輸要求。本系統中綜合考慮性價比我們采用深圳華夏盛WDS2710型無線數傳電臺作為分站與主站的通訊媒體。其具有發射功率連續可調，通訊距離遠，抗干擾能力強等優點，并且其數傳頻段可編程設置，可實現與多種RTU、PLC等控制器直接連接，支持Modbus、Profibus等多種協議，最高速率可達19200bps，具有極高的擴展性和易用性。

在本工程中，我們在廠區供水泵房主站控制室和各水井分站泵房均放置一臺無線數傳電臺，采用數據線連接無線數傳電臺的9針I/O串口與其對應的PLC控制器或RTU控制器的RS-485串口。主站采用全向高增益玻璃鋼天線，分站采用定向高增益玻璃鋼天線，并均配備有低損耗饋線，在保證增強主站與分站傳輸信號的同時減少了信號的衰減，最大限度的保證了數據傳輸質量。

2.3 監控層設計

本工程上位機畫面監控，由供水泵房主站控制室內工控機完成，PLC控制器的CP243模塊通過以太網線與工控機相連，采用OPC Server實現與上位機軟件以太網通信，并可通過以太網交換機連接到其它各站上位機，完成信息的共享，使得其它各站上位機均可實現對水源井供水工藝流程畫面及數據、曲線、報警信號進行實時顯示和記錄。

3 主站和分站的通訊協議

廠區供水泵站主站PLC與各水源井泵站分站RTU采用Modbus通訊協議的RTU通信模式。Modbus-RTU協議是基于數字型數據傳輸通信模式，信息傳輸為異步方式，并以字節為單位。在PLC主站和RTU從站之間傳遞的通訊報文的信息幀格式，如表1所示。設備地址用于標識站號，功能碼使用有03、06，數據碼為寄存器地址，校驗碼根據前三種數據自動生成。

表1 Modbus-RTU信息幀格式

本系統中，廠區供水泵站PLC作為Modbus主站，水源井RTU作為Modbus從站，PLC主站采用輪詢方式，依次向各RTU從站發起詢問，RTU從站接收到詢問信號，判斷信號里的站號與本站號相同時，接收通訊命令，并根據功能碼讀寫信息，若CRC校驗無誤，則執行相應的任務，把響應結果返送給PLC主站；否則不返回信息。

4 軟件設計

4.1 RTU從站軟件設計

RTU從站程序使用Open PCS集成開發環境編程，主要有數據采集模塊、數據存儲模塊、數據監測模塊和控制模塊。程序為循環程序結構，如圖2所示。

圖2 RTU從站程序流程圖

RTU分站程序啟動后，首先進行程序初始化，判斷為就地操作還是遠程操作，若為就地操作，RTU分站只負責數據采集和存儲，由水源井泵站現場操作人員進行操作控制；若為遠程操作，判斷為自動控制還是手動控制，若為手動控制，RTU分站除負責數據的采集和存儲外，還接收PLC主站的控制命令進行控制；若為自動控制，則RTU分站根據PLC主站傳送的監測信號和給定信號，自動進行控制。

4.2 RLC主站軟件設計

PLC主站程序采用STEP7 MicroWIN V4.0 SP9編程，采用結構化編程方式，以梯形圖語言形式編寫。主程序通過調用子程序模塊，實現與RTU分站基于Modbus RTU協議通信，完成對RTU分站數據的采集、轉化存儲，并將上位機設置狀態、監測、控制數據發送給RTU分站進行判斷操作[5]。如圖3所示。

圖3 PLC主站程序結構圖

4.3 上位機軟件設計

上位機監控系統由西門子公司的WinCC組態軟件開發實現。WinCC具有良好的開放性和靈活性，集生產自動化和過程自動化于一體，實現相互間的整合，憑其高水平的創新和基于標準的長期產品策略，已發展成為市場中的領導者和業界遵循的標準。因此選擇WinCC作為上位機組態軟件可以最大程度地提高工廠的可用性和生產效率，優化設備運行和生產流程。

綜合考慮水源井及整個選廠流程控制需要和客戶建議，我們編寫了相應的監控操作畫面，如圖所4示。包括水源地水井遠程監視畫面、檢測儀表實時數據顯示、各水井潛水泵和柴油發電機組的運行控制界面，以及各種操作記錄、報警記錄以及通訊狀態監視等畫面[6]。具體實現了以下功能：

1）能夠實時監測水源供水生產系統的液位、流量、壓力等主要工藝參數，并對重要的工藝參數進行越限報警。

2）實現對水源地柴油發電機組的運行進行選擇和遠程手動啟停控制，并顯示其運行狀態。

3）實時顯示各水井潛水泵的運行參數，以及是否受自動控制；并能遠程手動設定泵機的運行頻率和控制啟停。

4）提供生產管理所需的歷史數據查詢、趨勢曲線、數據報表、操作和報警記錄等功能。

5）自動監視系統網絡通訊連接狀況，并能在故障發生時及時報警提示。

圖4 上位機監控主畫面

5 結束語

本方案設計中，我們運用RTU、PLC和組態軟件，通過無線數傳電臺完成遠程數據通信，使用較少的成本，在地勢、環境復雜的沙漠地區實現了遠距離水源地信號的采集和傳輸，使得堆浸選礦工程中遠距離水源供水系統實時監視、操作變為現實，極大地提高了工作人員的工作效率。本系統自2013年7月底投運以來至今，在野外惡劣的工作環境下，運行狀態良好，性能穩定可靠，未出現信號通訊異常或主從站無法通訊的現象，得到客戶管理及操作人員的一致好評。

同時，本系統基于Modbus-RTU通訊協議，采用了模塊化程序設計的編程思路，并預留了豐富的軟硬件接口，使得選礦廠水源供水系統日后擴充及維護更加方便靈活。□

[1] 吳永祥,曹珍貫,吳攀. 基于無線電臺的風井綜合參數安全監控系統[J]. 煤礦安全,2006,(12):37-38.

[2] 董明明,孫萬蓉,陳梓馥,等. 基于RTU油井遠程測控系統的數據采集與傳輸層軟件設計[J]. 2012,(2):25-30.

[3] 史衛華. Super32-L303 RTU在城市燃氣項目中的應用[J]. 自動化博覽,2012,(5):52-54.

[4] 西門子有限公司自動化驅動集團. 深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京;北京航空航天大學出版社,2007.

[5] 賈德勝. PLC應用開發使用子程序[M]. 北京;人民郵電出版社,2006.

[6] 甄立東.西門子WinCC V7基礎與應用[M].北京:機械工業出版社,2011.