基于5G網絡的加壓泵站遠程控制系統(tǒng)研究

鄭云龍

【摘要】? ? 本文提出了一種基于5G網絡的遠程控制應用。通過PLC實現(xiàn)加壓泵站的本地控制，再利用工業(yè)無線路由器的透傳功能實現(xiàn)PLC與上位機的遠程通訊，最終實現(xiàn)上位機對加壓泵站內設備的遠程控制。其特點是將通訊技術與自動控制技術相結合，實現(xiàn)對水泵運行、閥門開關的遠程控制以及對設備相關運行參數的實時監(jiān)測，從而達到提高工作效率，減少維護人員，節(jié)約車輛費用的目的。

【關鍵字】? ? 加壓泵站? ? PLC? ? 工業(yè)無線路由器? ? 調度? ? 遠程控制

引言

近年來，工業(yè)4.0的概念引起了業(yè)界對未來工業(yè)發(fā)展廣泛深入的討論。作為繼以蒸汽機、大規(guī)模流水線生產、電氣自動化為標志的三次工業(yè)革命之后的第四次工業(yè)革命，工業(yè)4.0以數字化制造為核心理念，將推動互聯(lián)網技術深度參與生產過程，優(yōu)化生產成本，縮短產品上市時間，提高生產靈活性，繼而全面提升制造業(yè)的競爭力。中國制造2025如何對接德國工業(yè)4.0，在國內供水行業(yè)，就體現(xiàn)為智慧水務平臺的建設。

隨著現(xiàn)代化水廠建設的不斷深入以及智慧水務建設的不斷發(fā)展，各級水廠、水司對生產、調度的智能化需求也不斷提高。不僅要對水廠內部的生產設備設施能夠進行實時監(jiān)控，對供水管網上配套的泵站也提出了實時執(zhí)行調度指令的要求。鑒于加壓泵站一般都距離水廠較遠，且無人值守，因此研發(fā)一種在水廠、水司的調度室就能夠遠程監(jiān)控泵站運行的自控系統(tǒng)，就成為提高調度工作效率，減少維護人員，節(jié)約車輛費用的最佳選擇。

一、系統(tǒng)設計思路

當輸水管線較長、中途需進行增加以及從管網抽水向邊遠地區(qū)或地勢較高地區(qū)供水時，采用加壓泵站。加壓泵站的主要功能就是為供水管道提供二次加壓，根據供水量的變化，不斷調整供水壓力，使終端用戶的供水壓力盡可能保持恒定，滿足生產、生活用水需求。根據加壓技術分類，加壓泵站可以分為設有水塔加壓泵站、氣壓給水加壓泵站和變頻調速給水加壓泵站。本文討論的是變頻調速給水加壓泵站的遠程控制系統(tǒng)。

加壓泵站遠程控制系統(tǒng)就是為了解決操作人員距離泵站較遠，無法進行及時調度的需求而設計的，主要設計思路如下：

1）上位機組態(tài)軟件通過5G網絡遠程給下位機發(fā)送調度操作指令，期間經過工業(yè)路由器進行透傳轉發(fā);

2）PLC負責接收指令，并控制泵、閥門等設備執(zhí)行指令;

3）PLC采集設備運行參數并上傳給上位機組態(tài)軟件。

加壓泵站遠程控制系統(tǒng)采用三層架構實現(xiàn)，分別為：數據感知（指令執(zhí)行）層、控制邏輯層和展示層。

1）數據感知（指令執(zhí)行）層：負責執(zhí)行上位機的操作指令，并反饋設備運行狀態(tài)給PLC。可以通過加壓泵、電動閥門等供水設備實現(xiàn)管網內供水壓力的提升;通過壓力變送器監(jiān)測管網供水壓力;通過多功能電量表監(jiān)測電流、電壓、功率等設備運行參數;通過攝像頭實現(xiàn)對泵房的實時視頻監(jiān)控。

2）控制邏輯層：通過PLC來控制加壓泵的啟停以及運行頻率，閥門的開關;采集設備運行參數、報警信號等。通過浮球開關來自動控制潛水泵的啟停。

3）展示層：通過工業(yè)路由器的透傳功能，實現(xiàn)下位機數據的遠傳，并通過組態(tài)軟件進行展示。同時，上位機的控制指令也可以通過組態(tài)軟件下發(fā)到PLC執(zhí)行。

二、下位機控制邏輯設計

下位機的控制邏輯主要依靠S7-200Smart PLC來實現(xiàn)。作為二種典型的自動化控制器，PLC 在工業(yè)自動化領域有著非常廣泛的應用。S7-200Smart是西門子公司針對中國小型自動化OEM（Original Equipment Manufacture，原始設備制造商）客戶需求進行本地化研發(fā)、本地化生產、本地化服務的戰(zhàn)略性產品，是新一代小型自動化體系的核心。同時，SMART也代表了經濟型自動化解決方案，它的富意在于簡單（Simple）、易維護（Maintenance-friendly）、高性價比（Affordable）、可靠（Reliable），以及上市時間（Time to market）短。下位機的控制邏輯主要包括4個方面：

1）加壓泵控制

分為就地和遠程兩種控制方式。就地控制不經過PLC，直接用按鈕控制泵的啟停，用電位器調節(jié)變頻器的頻率。遠程控制則通過上位機給PLC下發(fā)指令，再由PLC控制變頻器實現(xiàn)對泵的操作。加壓泵調節(jié)的效果通過壓力變送器的壓力變化進行反饋。

2）電動閥門控制

分為就地和遠程兩種控制方式。就地控制不經過PLC，直接用按鈕實現(xiàn)閥門上電，用智能光柱調節(jié)閥門的開度。遠程控制則通過上位機給定閥門開度，電動閥門故障時，PLC采集故障信號并上傳。

3）潛水泵控制

分為就地手動、就地自動和遠程三種控制方式。就地手動控制不經過PLC，直接用按鈕控制泵的啟停。就地自動控制則需要通過PLC來采集浮球開關信號，進而控制泵的啟停。遠程控制則通過上位機給PLC下發(fā)指令，再由PLC控制泵的啟停。

4）設備運行電參數采集與視頻監(jiān)控

通過多功能電量表采集ABC三相電流、電壓以及設備運行總功率。在需要的時候，打開攝像頭隨時查看現(xiàn)場情況。

三、下位機與上位機通訊

1）Modbus RTU通訊

系統(tǒng)以PLC為從站，組態(tài)軟件為主站，采用Modbus協(xié)議的RTU模式通訊。Modbus是工業(yè)自動化領域使用最廣泛的通信協(xié)議之一，隨著電子、計算機和通訊技術的不斷發(fā)展，特別是物聯(lián)網以及“互聯(lián)網+”等概念的興起，Modbus通訊技術也從串行總線發(fā)展到了Modbus TCP。Modbus RTU+無線透傳就是為了適應遠程操作終端設備的需求而設計的。

2）工業(yè)路由器的透傳轉發(fā)

由于PLC的數據需要通過5G網絡無線傳輸，因此PLC本身沒有固定IP地址，需要通過工業(yè)路由器的透傳功能實現(xiàn)數據的轉發(fā)。數據轉發(fā)到工控機的固定IP地址后，由組態(tài)軟件負責接收和展示。同理，組態(tài)軟件下發(fā)的指令也由工業(yè)路由器轉發(fā)給PLC執(zhí)行。工業(yè)路由器的COM服務參數設置中，主機ID是上位機識別下位機身份的識別碼;重啟時間、TCP/UDP無數據重啟服務、TCP/UDP無數據重啟路由等項目是為了保證設備正常運行設置的系統(tǒng)重啟時間間隔;客戶機模式需要指定上位機的IP地址和端口號;COM配置要求與PLC的串口通訊參數設置保持一致。

四、上位機設備運行監(jiān)控

上位機的工控機要求專線接入互聯(lián)網，并配置固定IP地址。上位機的操作界面通過通用組態(tài)軟件實現(xiàn)（如ForceControl）。

1）IO設備組態(tài)

組態(tài)軟件與PLC通過Modbus RTU協(xié)議通訊。由于是通過5G網絡無線傳輸，可通過組態(tài)軟件自帶的網橋通訊方式實現(xiàn)數據的上傳與下發(fā)。

2）數據庫組態(tài)

基于已建立的IO連接，創(chuàng)建與PLC程序中的寄存器相匹配的點位表。

3）生產工藝流程組態(tài)

按照實際生產工藝流程搭建上位機操控界面，并將界面上所有的數據、動作與點位表中的點名綁定。通過點的數值的變化控制界面上設備狀態(tài)的顏色變化。

五、安全保障

為了保證泵站的運行安全，在系統(tǒng)設計階段就要全面的考慮各種可能出現(xiàn)問題的應對方法，并在技術方案中加以體現(xiàn)。比如：

1）接地：良好的“地”是處理EMC問題的基礎，需要保證接地系統(tǒng)是經過嚴格檢測的，并滿足國家標準，這樣所有的屏蔽、設備保護接地等可能連接到“地”，才能保證接地不會對系統(tǒng)產生負面影響。

2）防浪涌：控制柜要求加裝防浪涌模塊，并保證接地良好。降低電源或惡劣天氣引起的電壓不穩(wěn)，進而燒壞設備的可能性。

3）熱保護：加壓泵前要求加裝熱保護模塊，防止水泵運行異常造成電流過大燒毀設備。

4）布線：規(guī)范的布線需將控制柜內分隔為不同的EMC區(qū)域。設計控制柜體時要注意EMC的區(qū)域原則，把不同的設備規(guī)劃在不同的區(qū)域中，每個區(qū)域對抗干擾度有不同的要求，區(qū)域在空間上最好用金屬殼或在柜體內用接地隔板隔離。

5）控制柜如果露天放置，要求柜體材料為304不銹鋼，并配置雙層柜門。

6）加裝視頻攝像頭，通過5G網絡能夠隨時查看現(xiàn)場情況。

六、結語

本系統(tǒng)基于5G網絡，通過數據轉發(fā)技術，按照生產工藝流程，實現(xiàn)了對泵站的遠程控制，使供水調度人員能夠及時的操控水泵的起停、調節(jié)泵的運行頻率，控制電動閥門的開關。在泵房被水淹時還可以自動啟動潛水泵排水，達到節(jié)省人力和時間的目的，從而為泵房的安全生產運行提供有力的支撐。

參? 考? 文? 獻

[1] 西門子（中國）有限公司編著，《深入淺出西門子S7-200SmartPLC》，北京航空航天大學出版社;

[2] 李亞峰、尹士君、蔣白懿編著，《水泵及泵站設計計算》，化學工業(yè)出版社;

[3] 楊更更著，《Modbus軟件開發(fā)實戰(zhàn)指南》，清華大學出版社。