DCS系統在水廠遠程監控中的應用

王營博 許同樂 陳 康

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049)

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DCS系統在水廠遠程監控中的應用

王營博 許同樂 陳 康

(山東理工大學機械工程學院，山東 淄博 255049)

針對水廠傳統控制系統存在的實時性差，選、布線難，數據吞吐量小的特點，采用無線GSM/GPRS技術對現場數據進行有效傳輸。考慮現場環境惡劣，上位機不能完全對終端進行有效控制，且整個系統要求故障率低、可靠性高等要求，提出基于PLC控制的DCS系統。實測結果驗證了該系統應用于水廠遠程監控的正確性和可靠性。結果表明采用基于GSM/GPRS和PLC的DCS系統可實現水廠供水遠程監控。

GSM/GPRS PLC DCS 遠程監控 組態軟件

0 引言

集散控制系統或分布式控制系統(distributed control system,DCS)，它是與過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，它綜合了計算機、控制、通信和顯示等4C技術，可用于對各種在線設備進行分散控制和集中管理[1]。因其具有高可靠性、高開放性、組態靈活、維護方便、控制功能齊全等特點，在工業自動化領域得到了廣泛使用。

傳統的遠程監控系統如單片機控制系統和集中式控制系統，均采用單臺PLC控制單元對現場設備予以控制，一旦PLC發生故障，整個系統將會癱瘓；其次，由于自動化程度的不斷提高，系統的不斷擴大，人們期望能隨時隨地迅速查看現場狀況，能對預警信息及時有效的處理。鑒于此，提出基于GSM/GPRS無線通信和PLC控制的DCS系統，能有效地遏制上述問題的產生，從而達到系統故障率低、數據吞吐量大、傳輸速度快、即時性好的目的，提高水廠遠程監控的自動化程度。

1 水廠DCS系統遠程監控結構

基于GSM/GPRS和PLC的DCS系統結構如圖1所示。

圖1 DCS系統遠程在線監控結構圖

按系統結構，系統可分為過程控制級、控制管理級和生產管理級，它們既能相互區別又相互聯系，每一級又包括許多子集；但DCS系統概括起來又可分為由用于組態和維護的工程師站、用于監控和操作的操作員站以及用于優化生產配置的管理計算機組成的集中管理部分，由用于現場監測控制的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、成本低等優點，GSM/GPRS通信網絡可用于設備終端與上位機之間的通信；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技術在DCS系統中的應用

全球移動通信系統(global system for mobile communication,GSM)，由于其具有覆蓋率高、保密性和抗干擾性好、穩定可靠和接入方便等優點深受廣大客戶的喜愛,目前我國已建成了覆蓋全國的數字蜂窩移動通信網，它會為用戶提供多種業務，其中語音業務、短消息業務(SMS)和通用分組數據業務(GPRS)較為流行[4-5]。此水廠DCS系統在通信方面，主要應用了GSM的SMS業務，它的可移動性和快速性可以使監測員及時地了解并處理現場設備的各種突發情況；同時GSM的GPRS業務永遠在線、接入快捷、數據傳輸速度快、按流量收費等優點在此系統中也被展現的淋漓盡致。

本系統的通信部分可分為現場設備端、監控中心端和客戶服務端三部分，它的重點之一就是解決監控中心與遠程監控分站之間的通信問題。其中現場設備端和監控中心端均采用MC52i GSM/GPRS遠程控制終端模塊，客戶服務端只要使用已正常開戶的SIM卡及手機即可。未開通GPRS套餐服務及網絡信號不穩定時，數據傳輸及控制通過GSM的SMS業務來完成，表1為與SMS有關的主要GSM的AT指令。

表1 GSM模塊SMS相關AT命令

對GSM的SMS控制有3種實現途徑。

①最初的Block Mode:它是一個二進制協議，它對遠程設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，可以二進制編碼傳送十六進制編碼的消息塊，可以不了解消息塊的內容在終端之間傳送信息，且支持中文。基于通用性與穩定性，本系統對SMS的控制采用PDU格式。

PDU串不僅包括要顯示的消息，還包括目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務時間等，而且接收和發送的PDU串結構是不相同的。表2為發送消息的PDU格式，表3為接收消息的PDU格式。

表2 發送消息的PDU格式

表3 接收消息的PDU格式

如將字符“Hi”發送到目的號碼“+8618766969578”中去，其中發送方號碼為“+8618766969579”，則發送的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業務且網絡穩定的前提下，可通過GSM的GPRS業務來進行數據傳輸與控制。用GPRS業務進行數據傳輸時，其網絡通信模型如圖2所示。

圖2 GPRS網絡通信模型

由于GPRS網絡是一個基于IP協議的數據包網絡，可以與Internet進行連接，故可將兩終端節點抽象為兩個GPRS網絡，并將其內部協議抽象為網關協議[4]。這樣，就可通過物理層將無線通信模塊和Internet進行連接；在鏈路層通過PPP協議遠程登陸Internet，可得到GPRS網關分配的IP協議；在網絡層通過IP 協議將所有終端連接起來，用監控中心端的IP路由來選擇要實現與接入Internet中的監控中心進行數據交換的終端無線模塊；在傳輸層通過ICP/UDP進行數據的傳輸[6]。

3 基于PLC的水廠DCS系統

DCS系統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,與傳統的DCS系統相比，基于PLC的DCS系統具有系統配置靈活、造價低、穩定性好等特點[7]。圖3為PLC與PC的通信流程圖。

圖3 PLC與PC的通信流程圖

在遠程監控過程中，通過PLC控制的電磁閥的得、失電來實現電動閥、深水井泵的啟停，控制現場終端傳感器對流量、壓力、水深等信號的采集，控制設備終端GSM/GPRS模塊與監控中心端及客戶服務端的通信等。

本DCS系統的核心部分采用CPU224的SIMENS S7-200CN系列PLC,該機集成了14路輸入/輸出共24個數字量節點，168路數字量輸入輸出，35路模擬量輸入輸出，具有1個RS-485編程口，可采用PPI協議、MPI協議及自由協議的方式進行通信。為保證系統穩定運行，對PLC控制系統采用手動與自動兩種模式予以操作。

圖4為PLC的模式轉換流程圖。

圖4 PLC的模式轉換流程圖

水廠DCS系統的設備層主要有四種功能模塊：遠程流量監測模塊、遠程水位監測模塊、管網壓力監測模塊和PLC控制下的執行模塊[8]。它們都是在現場PLC的控制下通過執行機構對傳感器信號進行采集，并控制無線通信模塊與上位機之間進行通信，通過中間控制的方式使上位機對生產一線的情況及時了解并有效控制。

3.1 遠程流量監測模塊

為了保證各工業單位正常取水，該水廠需要對各單位水供應流量進行實時監測。此模塊對流量的監測采用超聲波流量計。該ZRN-100型超聲波流量計主要安裝于大管徑管道、水表不易安裝、現場環境復雜的場所。上位機在軟件的驅動下，每天會在七個整點對遠程流量進行實時刷新采集，并將PLC采集到的瞬時流量進行在線曲線趨勢統計。統計圖如圖5所示，此圖中只涉及到三家企業某一天的測點流量信息。PLC采集的瞬時流量計算公式如下：

(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時的時間差；D為管道外壁；d為管道內壁。由于管網壓力、水流速度不穩定，計算累積流量時，可對瞬時流量在一定時間內進行積分。

圖5 企業用水瞬時流量統計圖

從圖5可以看到，在早晚6點左右各企業的用水流量都較小，8點和16點左右用水流量都較大，中午休息期間也較小，上位機操作員可以對統計圖進行分析及時進行水資源的合理調配，并可以對數據進行保存，預計下一期用水情況，提高了工作效率。企業用水統計如表5所示。

表5 企業用水統計表

由表5可知，DCS在線監測系統可對采集到的數據進行分析，及時排除供水管網及企業中的漏水隱患，保證供水管網無泄漏，提高水資源的利用率。

3.2 遠程水位監測模塊

水廠需實時監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來對水庫水位進行監測。該超聲波液位計安裝簡單、分辨率高(1 mm)、可輸出4～20 mA模擬量或通過RS485輸出數字量。

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

(2)

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

圖6 超聲波液位計安裝圖

3.3 管網壓力監測模塊

為滿足各單位對供水壓力的要求，水廠需要對各單位進水口處壓力進行實時監測。此DCS系統設備終端對管網壓力的監測采用了PT500-501型傳感器，該水壓力傳感器采用電阻應變片做傳感器的感應芯片，為了減少非線性誤差，其內部采用了恒流源電橋的電路結構來確保壓力與電壓的對應。當水壓改變P時，即管網壓力改變引起第一橋臂電阻R1變為R1+ΔR1時，其電橋輸出電壓為：

(3)

由于管網壓力P與電橋輸出電壓U0相對應，故只要將0～5 V的電壓模擬量經過PLC內部的A/D轉換，即可供上位機及手機客戶端使用，如圖7為企業用水瞬時壓力統計圖。由壓力統計圖可以看出,管網壓力在上午10點和下午14點左右比較低，說明此時用水企業多、用水量大，供水廠應通過加壓泵來提高管網壓力，在早晚6點左右管網壓力較高，水廠可以切換至自動控制模式。

圖7 企業用水瞬時壓力統計圖

3.4 PLC控制下的執行模塊

執行模塊是水廠DCS系統現場終端設備的關鍵，是PLC發布指令后的執行者。執行模塊是由PLC內部的繼電器和接觸器等電器控件構成的自鎖電路[9]，可用來控制超聲波流量計、超聲波液位計和管網壓力傳感器的供電狀態，以及電動閥、加壓泵、深水井泵等的開關狀態。現場數據的計算和處理以及指令的發布由PLC完成，但數據的采集及反饋卻需要由執行模塊控制完成。PLC可以發布指令通過執行模塊來控制對現場瞬時流量、累積流量、水位、壓力等的數據采集，也可以指令的形式通過執行模塊對電動閥、加壓泵、深水井泵、加料泵的開關予以控制。

當系統正常運行時，執行模塊可根據PLC的指令在規定的周期內控制現場設備對各項參數進行采集，并將采集到的參數經PLC的處理、計算后與已燒寫在PLC中的程序、參數作對比，若發現有不妥之處，則由PLC發布指令、由執行模塊控制完成，并將完成后的現場情況予以反饋，如此循環，完成對終端設備的控制[10]。

4 遠程在線監控軟件

基于GSM/GPRS和PLC的DCS系統在線監控的上位機遠程監控軟件采用Visual Basic進行設計。系統正常運行后，操作員可通過操作上位機在線監控軟件，經由GSM/GPRS網絡，以串口通信的方式對PLC中狀態寄存器的相應參數進行改寫，實現上位機的在線控制功能。此遠程在線監控可通過手動與自動兩種模式進行實現，但不可同時工作于兩種模式下，其遠程在線監控系統軟件工作流程如圖8所示。

圖8 遠程在線監控系統軟件工作流程圖

5 結束語

組建基于GSM/GPRS和PLC的DCS系統，并將它應用在水廠遠程供水監控中。系統具有以下優點：① 穩定性好、組態靈活、易于維護、通信速度快的優點；② 能夠進行遠程流量、水位、管網壓力的在線監測，并對獲得的數據進行及時有效地分析；③ 可以對電動閥、加壓泵、深水井泵、加料泵等的開關狀態進行相應控制，還可根據現場信號反饋，使控制達到最優化，克服了傳統控制系統故障率高、維護成本高、移植性差的不足。

[10]譚威.基于PLC的工業控制系統的設計與實現[D].武漢：華中科技大學,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目(編號：ZR2013FM005);

山東省高等學校科技計劃基金資助項目(編號：J10LG22)。

王營博(1990-)，男，現為山東理工大學儀器科學與技術專業在讀碩士研究生；主要從事智能測試技術及儀器方面的研究。

TH7;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601013

修改稿收到日期：2015-05-21。