摘 要：Profibus是過程控制及制造業(yè)自動化應用廣泛的現(xiàn)場總線，針對城市供水系統(tǒng)存在的監(jiān)控點多、供水泵站分布零散、環(huán)境差異大等問題，使用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)、GPRS技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)及PLC技術(shù)，設計了城市供水監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)，完成了多個分散供水泵站的集中管理和遠程控制，從而實現(xiàn)城市供水監(jiān)控管理一體化。 關(guān)鍵詞：Profibus 城市供水系統(tǒng) GPRS技術(shù) 1 前言 　　在城市供水系統(tǒng)中普遍存在數(shù)據(jù)采集點分散、現(xiàn)場工作環(huán)境千差萬別，圖1是某城市供水系統(tǒng)流程圖。源水取黃河水源;兩級沉淀池絮凝沉淀（各4座沉淀池），根據(jù)出水濁度、流量，自動控制添加絮凝劑。整個供水設計了五個泵房（10KV高壓泵）,經(jīng)過三級加壓提升，揚程385米。 　　根據(jù)城市供水工藝，廠家要求建立自來水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，主要針對分散的各個泵站中管道的流量、濁度、壓力等參數(shù)進行采集，通過數(shù)據(jù)通訊送往監(jiān)控中心，便于監(jiān)控人員對整個管網(wǎng)運行狀況實施監(jiān)控、并及時對分析相關(guān)數(shù)據(jù)，找出水質(zhì)不符合標準的原因，從而通過控制手段進行調(diào)整，以保證供水質(zhì)量。為此，我們應用Profibus總線、GPRS技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、PLC設計了“基于Profibus總線的城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)”，實現(xiàn)了各泵站設備運行情況的遠程監(jiān)控，既保障了城市供水系統(tǒng)正常運行，又保證了低投入情況下的城市供水質(zhì)量。 2 系統(tǒng)組成 　　城市監(jiān)控管理系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)由三級網(wǎng)絡構(gòu)成，最上級工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet，使用通訊協(xié)議，負責傳送生產(chǎn)管理信息。中間一級現(xiàn)場總線Profibus，采用令牌和主從輪詢相結(jié)合的控制方式，實現(xiàn)現(xiàn)場、控制和監(jiān)控3級通信。調(diào)度人員可以通過Siemens 工控機隨時遠程監(jiān)控各泵站設備的運行情況。最低一級是執(zhí)行器級總線AS-I，負責與現(xiàn)場傳感器、儀表和執(zhí)行機構(gòu)的通信[1]。 [align=center] 圖2 城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)[/align] 　　2.1 S7-300及Profibus簡介 　　S7-300是西門子公司生產(chǎn)的可編程控制器[2]，具有強大運算處理功能，且自動集成了Profibus總線接口裝置，實時特性強、 可靠性高、運行速度快。本系統(tǒng)應用三套S7-300， 　　完成系統(tǒng)的實時控制。Profibus是一種開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡，按照ISO/OSI參考模型制定的現(xiàn)場總線標準EN50170, 采用令派牌和主從輪詢相結(jié)合的存取控制方式。 Profibus協(xié)議結(jié)構(gòu)采用OSI參考模型的第一層、第二層和第七層。第一層物理層（physical layer），主要處理機械、電氣和過程接口，采用RS-485協(xié)議，可使用標準雙絞線或光纜兩種傳輸介質(zhì)。第二層是現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路FDL（data link layer ）,主要任務是加強物理層傳輸原始比特功能，使之對網(wǎng)絡層顯現(xiàn)為一條無錯線路。第七層是應用層（opplication layer）用來提供可靠的傳輸。Profibus總線上的設備包括主站和從站，主站在限定時間內(nèi)對總線有控制權(quán)可以向從站發(fā)送數(shù)據(jù)或接收從站數(shù)據(jù)，從站僅響應主站的請求及確認主站發(fā)送的數(shù)據(jù)。根據(jù)應用特點Profibus可分為三個兼容版本，即Profibus_FMS（fieldbus message specification 現(xiàn)場總線報文規(guī)范）、Profibus_DP（decentralized periphery 分散型外圍設備）、Profibus_PA（process automation工程自動化）,可實現(xiàn)現(xiàn)場、控制、和監(jiān)控3級通信。由于Profibus_DP用于分散設備間的高數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控特點，選用Profibus_DP，將調(diào)度主站與S7-300，及檢測裝置構(gòu)成局域網(wǎng)絡，通信協(xié)議由Profibus協(xié)議完成，通信網(wǎng)絡使用RS-485標準雙絞線，實現(xiàn)了控制單元與監(jiān)控主機的多主通信[3]。 　　2.2調(diào)度主站控制 　　操作系統(tǒng)為WINDOWS NT WORKSTATION Ver 4.0，KERNEL SP4。監(jiān)控平臺使用美國InteLLution公司的FIXMMI工業(yè)控制軟件，直接嵌入NT操作系統(tǒng)內(nèi)部。實現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)控，調(diào)度主站的上位機具有監(jiān)視、實時控制、數(shù)據(jù)記錄、報表打印功能。直觀的組態(tài)圖形可以使調(diào)度管理人員監(jiān)視到現(xiàn)場工藝動態(tài)流程;重要設備的運行狀態(tài);各工作站的工藝參數(shù)、機電參數(shù)、濾池反沖工藝參數(shù);設備的啟停及閥門的動作情況;實時控制實現(xiàn)了對濾池反沖過程參數(shù)的設定與修改;包括水位的設定;報警上、下限的設定。數(shù)據(jù)記錄功能記錄了各測量點200天的數(shù)據(jù)，完全滿足了歷史查詢的需要。報表打印可打印過去有效時間的工作日志，也可即時打印，滿足了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存檔。調(diào)度主站操作系統(tǒng)設有操作員權(quán)限，即考慮到調(diào)度操作的方便，又有效地防止了無關(guān)人員的誤操作[4]。 　　2.3 V型濾池自控部分 　　我國于八十年代開始引進法國DEGREMONT（德利滿）公司開發(fā)的V型濾池，V型濾池過濾和濾料再生的自動控制是濾池正常生產(chǎn)運行的保障。我們采用了可編程序控制器和工業(yè)電腦（PLC+IPC）組成的實時多任務集散型控制系統(tǒng)，對濾池過濾和反沖洗實行自動控制。其功能是：實現(xiàn)六套系統(tǒng)恒水過濾;濾池反沖自動化、實現(xiàn)調(diào)度對工藝的實時監(jiān)控。整個控制系統(tǒng)是基于西門子系列可編程控制器對六個濾池控制由兩套S7–300PLC實現(xiàn)。S7–300PLC1控制1#、2#、3#濾池，S7–300PLC2控制4#、5#、6#濾池，S7–200PLC3控制六個濾池的反沖泵和風機系統(tǒng)，完成對六個濾池反沖的自動控制。 　　濾池恒水位過程的控制主要通過調(diào)節(jié)濾后水調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)水位的恒定，在濾池的相應部位安裝了水位傳感儀、水頭損失傳感器。濾池的過濾就是通過它們測出濾池的水位和水頭損失，將水位值及濾后水閥門的開啟度送入PLC，經(jīng)PLC中PID模塊運算，調(diào)節(jié)濾后水調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)水位的恒定，設計中應用PID模塊[2]，僅采用比例、積分控制，關(guān)閉微分回路，較好的實現(xiàn)了恒水位控制[5]。 　　2.4 濾池的反沖控制 　　一組濾池的反沖洗由S7-300來控制。當過濾達到過濾周期或濾池壓差（水頭）設定值時，濾池提出反沖洗請求，S7-300根據(jù)濾池的優(yōu)先秩序，組成一個請求反沖洗隊列。一旦響應某格濾池的請求，PLC實施反沖洗的整個過程，在一組濾板中，不允許兩個濾池同時進行反沖洗，當一只濾池正在反沖洗時，其它濾池請求反沖洗的信號則存入公用的PLC中，然后再按存儲秩序，對濾池依次進行反沖洗。調(diào)度對濾池的監(jiān)控通過PROFIBUS總線通信實現(xiàn)。 　　濾池反沖洗時，PLC的控制過程：打開反沖洗排水閥，當濾池水位下降到洗砂排水槽頂時，關(guān)閉濾后水控制閥;啟動鼓風機，5秒鐘后，打開濾池反沖洗氣閥，對濾池進行1分鐘氣預沖;打開反沖洗水閥，啟動反沖洗水泵，進行7分鐘的氣水同時反沖洗;關(guān)閉反沖洗氣閥，5秒鐘后，停鼓風機，打開空氣隔膜閥排氣，進行5分鐘清水反沖漂洗后，停反沖水泵。5秒鐘后，關(guān)閉水反沖洗閥，然后關(guān)閉反沖洗排水閥，打開待濾水進水閥，濾池恢復過濾。整個反沖洗過程歷時約25分鐘。 　　另外，PLC還能控制濾池的開啟個數(shù)，它根據(jù)濾池進水流量確定濾池的開啟個數(shù)，按先停先開的原則確定某格濾池的開、停。反沖過程執(zhí)行時間可由監(jiān)控微機改變或TD200現(xiàn)場操作。調(diào)度對濾池的監(jiān)控通過PROFIBUS總線通信實現(xiàn)。V型濾池自控部分設計了自動與手動兩種功能，當自動部分出故障時，手動能控制生產(chǎn)，保證了生產(chǎn)的正常進行。 3 GPRS技術(shù) 　　現(xiàn)場應用中的一號泵站～六號泵站及加壓泵站分布距離遠，數(shù)據(jù)傳輸量少，建立專用的有線數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)明顯性價比低，而使用無線傳輸方式由于地理位置的差異導致誤碼率高。隨著通訊技術(shù)的進步，GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線業(yè)務，已經(jīng)成為中國移動主推的上網(wǎng)方式。GPRS為中國移動公司利用移動或聯(lián)通的網(wǎng)絡，不需用戶對網(wǎng)絡維護，網(wǎng)絡信號可靠具有身份認證和加密功能;其核心網(wǎng)絡層采用IP技術(shù)，低層可使用多種傳輸技術(shù)，可以很方便的與IP網(wǎng)絡無縫連接;由于城市供水工程已安裝上網(wǎng)工程，在數(shù)據(jù)接收端具有靜態(tài)IP地址，所以系統(tǒng)利用中國移動的GPRS公共網(wǎng)絡，安全實現(xiàn)對各監(jiān)控點的數(shù)據(jù)傳送工作，不僅降低了設備價格，而且減少了設備安裝費后期維護工作。 [align=center] 圖3 遠程傳送數(shù)據(jù)流程[/align] 　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送流程如圖3所示：數(shù)據(jù)采集點通過RS232將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊，GPRS模塊采用德國Funkanlagen Leipoldt OHC公司的Falcom TWIST工業(yè)級模塊，GPRS模塊將數(shù)據(jù)打包成PDU（分組數(shù)據(jù)單元），發(fā)送至基站控制器，PDU經(jīng)SND層（子網(wǎng)依賴結(jié)合層）處理，成為SNDC數(shù)據(jù)單元，然后經(jīng)過LLC層（邏輯鏈路控制層）處理成LLC幀，通過空中接口傳送至GSM網(wǎng)絡移動臺所處的SGSN（Serving GPRS Supporting Node）GPRS服務支持點，SGSN通過GSM主干網(wǎng)把數(shù)據(jù)送到GGSN（Gateway GPRS Support Node）GPRS網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點，GGSN把收到的消息進行解碼處理，轉(zhuǎn)換為可在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳送的格式，最終送到公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中的用戶處。服務器端接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)送入監(jiān)控程序，顯示監(jiān)控點的數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)庫中[6]。 4 結(jié)束語 　　上述系統(tǒng)已應用在某城市上水供水系統(tǒng)，日供水量10萬噸，共有36個采集點，4座沉淀池，5個加壓泵房，分布在方圓80平方公里，其中包括水源的源頭部分、郊區(qū)、市區(qū)。由于地理位置差異（水源到供水點揚程385米），水源源頭無法實現(xiàn)有線通訊，市區(qū)的高層建筑阻礙了短波通訊的設立，網(wǎng)絡工程的建設使得采用GPRS成為主要通訊的主要手段。該系統(tǒng)將微機監(jiān)控系統(tǒng)、檢測與控制技術(shù)、高速網(wǎng)絡通訊技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了供水系統(tǒng)管控一體化，為城市供水系統(tǒng)生產(chǎn)過程的優(yōu)化決策和在線控制提供了正確依據(jù)。 　　本文創(chuàng)新點：應用Profibus總線技術(shù)成功實現(xiàn)了城市供水系統(tǒng)遠程管理監(jiān)控網(wǎng)絡化，采用GPRS技術(shù)解決了供水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集點分散、采集點之間距離跨度大、環(huán)境差異大等難題。由于GPRS為公用網(wǎng)絡信息平臺，網(wǎng)絡信號安全可靠，設備安裝調(diào)試方便（GSM網(wǎng)絡為移動公司建設，不需用戶關(guān)心），施工周期短，網(wǎng)絡維護簡單、通訊質(zhì)量可靠。GPRS的計費以數(shù)據(jù)傳輸量為依據(jù)，特別適用于采集點多、分布地域廣、傳輸量小的非實時系統(tǒng)。 參考文獻 　　[1]鐘肇新等，可編程控制器原理及應用，華南工業(yè)出版社,2003年 　　[2]臺方，耿紅旗.可編程控制器應用教程.中國水利水電出版社,2002年 　　[3] 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