无线三遥测控系统在水厂供水中的应用

提要介绍了无线三遥测控系统在宁夏某县自来水公司供水系统中的应用，包括无线三遥系统的组成、功能及相关硬件设计、软件设计的多方面内容。关键词电台PLC计算机网络组态1引言1.1原系统简介宁夏某县自来水公司供水系统主要有水源井、加压泵站、水厂等组成。水源地有深井20眼，主要用于给供水系统提供水源，深井泵为就地操作控制。加压泵站的作用是将水输送至水厂清水池内，加压泵站有清水池2座，55KW离心泵4台，4台泵采用软启动器一拖四方式控制，一拖四控制柜2套，一用一备，均为继电器控制。加压泵站出口有2台流量计，流量在值班室内通过数显表显示。水厂的作用是将进入县城供水管网前的水加二氧化氯消毒，通过地势差形成的压力自动给管网供水。水厂清水池设液位显示仪一个，水厂值班人员根据该液位通知深井泵操作人员来控制深井泵的启停。1.2现有系统在供水过程中存在的问题水源井、加压泵站、水厂地处戈壁滩，交通及通讯不便给设备的控制和维护造成了一定的困难。现场数据抄写不便，容易出现人造假数据，而且各泵的相关运行参数较少，对设备的运行和维护不利。设备出现故障时不能及时发现和维修。客观环境条件差及系统自动化程度低造成人力、物力、财力的浪费。1.3水源井、加压泵站、水厂、自来水公司大概位置分布及供水路线如图1所示。1.4针对以上情况及未来供水发展的需要，自来水公司通过无线三遥测控系统对原系统进行了改造，主要功能如下：1.4.1在自来水公司设立监控中心，现场所有设备的操作及数据的监测都可在此中心完成。1.4.2深井泵可在计算机上手动控制，也可由系统根据水厂清水池液位实现自动控制。监控中心对深井泵监测的数据有水泵电压、水泵电流、水泵出口流量、运行状态、故障状态及泵房防盗报警监视。1.4.3加压泵站监测的数据有泵站电压、各泵电流、出口2个流量、出口压力、清水池液位、各泵运行状态、故障状态等。1.4.4水厂清水池液位及新增的水厂出口流量引入监控中心。2无线三遥测控系统概述数传电台适用于各类点对点、一点对多点的无线数据传输系统，如电力负荷监控、配网自动化、水文水情测报、自来水输供水系统监控、城市路灯监控、输油供气管网监测、远程抄表、污水处理等工业自动化系统。本系统是一个一点对多点的无线数据传输系统（见图1），电台频率范围在220.000～238.000MHz之间，功率为10W。可监控的有效范围在40Km范围内。目前数传电台是集软件化和智能化于一体的无线数据通信终端产品，在25KHz频道间隔的VHF/UHF(包括230MHz、150MHz、350MHz、450MHz、800MHz、900MHz频段)常规超短波窄带无线信道上实现了19.2Kbps传输速率。信道速率具有自适应功能，能自动识别发送方所采用的信道速率,正确地解调各种速率的信号。因而通信网中的主站或各个子站可以根据实际的通信环境或远近采用不同的通信速率，整个通信网不需要统一采用同一速率，这样同时兼顾了通信的可靠性和有效性。数传电台内部嵌入了无线智能调制解调器，采用数字信号处理(DSP)技术、以软件的方式实时地实现无线数字调制解调算法，允许用户通过AT指令用软件设置各种参数，如发射机启动时间等，实现无线信道与MODEM的最优化匹配，达到最佳的数据传输性能。数传电台可以通过串行口直接与各种数据终端设备连接，包括各种远程终端设备RTU(RemoteTerminalUnits)、计算机、工业仪表、PLC(ProgrammableLogicControllers)及GPS等，为这些设备提供可靠的、高速的无线数据通信链路。高度集成化、智能化，采用全透明数据流通信方式时，延时小，能够与PLC、PC及其他各种不同的数据终端的通信协议无缝配合。2.1无线三遥测控系统的组成无线三遥测控系统主要有中心站和分站组成2.2中心站（上位机）一套中心站（也叫上位机）一般由以下几部份组成(见图2)：A主机：工控机或服务器。B系统软件：含数据采集及数据库处理，本工程使用了MCGS组态软件实现该功能。C数传电台：含MODEM，一般应采用功率较大、连续工作能力强的数传电台，因为中心站的工作负荷较重，特别是在分站较多时，发射频度会很高。建议采用基地台或把大功率电台的功率调小后使用，以增强发射机的连续工作能力，确保整个系统的稳定运行。D直流稳压电源：要求抗高频干扰能力强、纹波小、并有足够的带载能力及连续工作能力；最好还具有电流电压指示、过流、过压保护及防雷等功能，一般选用线性电源为好。E天馈系统：一般采用全向高增益天线及低损耗馈线或馈管，并配上优质的高频接插件；天线有条件架高的尽量架高，以确保信号质量；多雷电地区应按要求架设避雷针、配上同轴避雷器。2.3分站（下位机，可以有多套）分站（也叫下位机）一般由以下几部份组成（见图3）：A一次仪表：如压力变送器、流量计、电流变送器、电压变送器、液位变送器或开关量等。BPLC（可编程序控制器）或RTU：含数据采集、处理软件及与上位机的通讯软件。C数传电台：含MODEM，可根据通信距离的远近选择不同功率的数传电台；如需要在野外的恶劣环境中工作，则必须选择环境特性良好的数传电台；在需要太阳能供电的使用场合，一定要选择守候电流较小的数传电台。D直流稳压电源：要求抗高频干扰能力强、纹波小、并有足够的带载能力；最好还具有过流、过压保护及防雷等功能。E天馈系统：一般采用定向高增益天线及低损耗馈线并配上优质的高频接插件，天线有条件架高的尽量架高，以确保信号质量；多雷电地区应配上同轴避雷器；每个分站的定向天线一般应对准中心站的全向天线。2.4分站控制系统本系统中分站的数据输入输出部分均采用一次仪表+PLC模式，PLC是分站数据采集和控制输出的核心设备，每一台PLC定义一个唯一的地址。现场模拟量信号与开关量信号均进入PLC，PLC与电台通过RS485方式通讯。监控中心与各分站之间，分站与分站之间均可各自独立工作，如其中某个分站发生故障，其它分站照常工作。系统真正实现了分散控制、集中管理，有效提高了可靠性。2.4.1深井泵房深井泵房采集数据的一次仪表有电压变送器、电流变送器、流量变送器，变送器输出标准的模拟信号，该信号接入PLC。状态信号的输入输出通过改造原有的控制柜加中间继电器获得。深井泵房完成的主要工作是上述数据的采集和深井泵的启停控制。2.4.2加压泵站加压泵站改造的重点是将2套软启动器一拖四的控制系统全部由PLC控制，采集的模拟量数据有8路，开关量输入输出点数约为60点，PLC由主机加扩展组成。主要功能有：a)远程/就地控制切换功能。现场有切换至就地控制的优先权，就地控制时，现场操作人员直接控制水泵的启停。b)手动控制/自动控制切换功能。当系统切换至远程控制，即上位机控制时，监控中心操作人员可直接控制水泵的启停，或自动时可由系统根据加压泵站清水池液位实现自动加减泵的控制。加压泵站水泵根据液位自动控制流程图如图4所示。c)水泵定时切换功能。如果单台泵工作超过一定时间后，则系统会启动第二台泵，停止第一台泵，以此类推。这样就防止了单台泵长时间工作对设备造成的不利。2.5监控中心在组态软件的设备窗口中，在串口通讯父设备下定义编有地址的各分站PLC设备，则系统的设备连接全部完成。在实时数据库中根据需要定义数据变量，数据变量与各分站PLC内寄存器一一对应，即建立了上位机与下位机的数据连接。组态软件以一定的周期扫描分站设备，即读和写。此时，终端数据和上位控制指令就会被采集和执行。组态软件中主要实现以下功能：供水系统总貌画面：可查看供水管网图、实现各设备的操作、监视设备运行状态及相关的数据。各分站与主站通讯状态的显示等。实时/历史曲线画面：直观地显示了设备的运行电流、清水池水位等参数的变化过程。报表画面：将设备启停时间、电流、电压、液位等参数以日报表的形式保存，该报表可按日期打印。报警画面：当液位、压力、盗警等报警信号产生时，计算机自动显示报警画面，操作人员可看到详细的报警信息。同时可通过音箱发出声报警，声报警可以复位消声，直到下一个报警产生时发出报警声。监控中心2台工控机以工业以太网形式组网，实现了双机热备。与自来水公司局域网连网形成企业MIS网。选用了网络版的组态软件，自来水公司其它职能部门可通过电脑IE浏览器来查看组态画面。利用电台的语音传输功能，在监控中心可方便地与分站对话。3调试中存在的问题及解决办法3.1由于7号水源井离自来水公司直线距离最远且位置处在山坡后，该点通讯信号有中断现象，后经架高天线后该现象消除。3.2由于本系统分站数量相对较多，主站电台处在不断的收发状态造成设备温度高；原有的数据循检方式不能满足数据传输的实时性及快速性要求。后经主电台加轴流风机及风道解决了主站电台温度高的问题；在组态软件中对通讯部分进行软件优化设计处理，系统通讯达到了理想效果。4结语由于无线数据传输较有线及其它传输有其特殊性，如可能受干扰、存在收发转换时间等，所以在使用电台时不能在高温、潮湿、低温、强电磁场或灰尘较大的场合使用，数传电台的地线应与外接设备（如计算机、PLC等）的地线及电源的地线良好连接，否则容易烧坏通信接口等。切勿带电插、拔串口。还要注意相关的其它注意事项。如遇到恶劣天气时，偶尔出现通讯中断的现象也是正常的。该自来水公司通过三遥测控系统改造后，及时、准确地掌握了各设备的运行状况，有效地降低了人员的劳动强度，为科学、有效的供水提供了保障。基本实现了无人值守。作者单位：宁夏鑫诺人工环境工程有限公司