基于GPRS网络的水源井控制器

北京安控科技股份有限公司 史卫华

1 概述

目前中国北方大部分水厂采用水源井取水方式，即每个水厂有多口水源井抽取地下水，然后通过输水管道把所抽取地下水送入水厂，经处理后供给市民。

由于生产工艺落后，水源井的启停控制大部分还依靠人工完成。且水源井分布比较分散，远离市中心，单纯依靠人工定时启停水源井，无法在关键时刻对水源井进行控制，并且无法实时了解水源井的工作状态，经常发生水源井烧泵的现象。

随着技术水平的提高及GPRS网络的普及，越来越多的水厂开始考虑采用基于GPRS的水源井控制器统一对各个水源井进行实时数据监控。水源井控制器采用RTU（Remote Terminal Unit 远程终端控制器）加GPRS通讯模块，并根据水源井的工作特点编写相关的控制器程序即可实现以下功能：水源井水位测量、出水压力测量、三相电参数测量、远程启停控制、报警停机控制等功能。

它实现了工人在值班室（监控中心）即可查看各个水源井的运行参数，启停水源井，及时关停故障水源井，从而大大减小了工人的劳动强度，节约了水源井的维护成本，提高了工作效率。

2 水源井控制器的功能

水源井控制器是跟据中国北方水厂的生产需求提出的。它至少应满足以下要求：

（1）可以适用于中国北方的大部分环境

中国北方的很多城市如大庆、哈尔滨在冬天时可以达到-40℃。因此要求水源井控制器可以适应北方的低温环境。

（2）可以实现水源井的基本控制和测量功能

水源井控制器应至少具有以下功能：测量水井水位、测量水井出水压力、测量水井出水流量（预留）、测量水泵的三相电压、三相电流、可根据三相电参数对水泵进行保护、远程控制水源井启停。

（3）通讯设备选择

由于GPRS通讯方式无需申请，无需架设天线塔架，因此水源井控制器从安装成本上考虑采用GPRS通讯方式与调度中心进行通讯。

（4）通道的数量要求

控制器的I/O接口数量要满足水源井的需求：至少具有4AI（采集常规仪表的4~20mA信号）、具有6个DI信号（测量水泵的运行状态、泵房的门状态、变频器状态信号、报警信号等。）、4个DO（可以控制两个泵的启停）、两个RS232/485接口（一个与GPRS通讯，另一个和电量模块通讯）。

（5）便于快速安装

水源井控制器一般都是批量使用的，因此要便于用户安装。

3 水源井控制器选型

根据产品的功能分析，我对水源井控制器所采用的核心部件进行了选型和设计。

3.1 主控制器的选择

目前的水源井控制器有小型PLC和一体化RTU两种方案可以作为水源井控制器的主控制器。安控科技生产的Super32-L系列RTU非常适合于这种应用并且相对于PLC有以下优势：

（1）小型PLC主要用于机械生产领域，且主要用于室内，一般的温度范围0℃~40℃，不适用于大庆、哈尔滨等北方的环境。而RTU主要、应用于野外独立的场所温度范围可达-40℃~70℃（安控科技的Super32系列RTU）。

（2）PLC为了降低生产成本，接口较少，且只支持本公司的通讯协议。不便于接入监控网络。RTU一般接口较多，且支持标准的MODBUS协议，便于接入SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition数据采集与监控系统）系统。

水源井控制器采用Super32-L201 RTU作为水源井控制器的核心控制器。它具有6AI、8DI、4DO、1RS232、1RS232/RS485、1以太网接口。

3.2 DTU的选择

作为水源井控制器的通讯部分，DTU的选择关系水源井控制器是否能支持多种SCADA软件。

首先，DTU要可以在东北使用。其次，可以接入大部分的国产SCADA软件。综合以上原因我们选择了宏电科技的7110系列DTU，它有本种DTU，即华为芯片DTU（温度范围-10℃~45℃）MOTOROLA芯片DTU（-35℃~70℃）。在东北可根据地域不同选择西门子芯片和MOTOROLA芯片的DTU。并且宏电和国内多家组态软件厂家有过合作关系，即在组态软件内嵌DTU的驱动程序，用户无法开发驱动。因此我们选择宏电的DTU。

3.3 其它硬件的选择

水源井控制器除RTU及DTU外，还要有以下部件：电源、电量模块、开关、端子等附件。它们的选择原则先是可以在北方的大部分地区使用，其次满足设计功能要求。

3.4 水源井控制器的硬件设计

根据对多个水源井现场的考查，水源井控制器的体积要尽可能的小，如有必要可以装入水泵启动箱。经过多个水厂的考查水源井控制器的机箱外形尺寸最终定为300×450×180（mm）。这个尺寸可以放入大部分现有的强电控制箱，也可以直接安装在水源井泵房。水源井控制箱底部开4个直径30mm的接线孔。

考虑到很多水泵采用三相三线制供电，无法直接取得220V市电，因此有必要在水源井控制器内部安装一个380V转220V变压器。变压器的功率要足够整个设备的使用。RTU功耗大约2W、DTU最大功耗12W、电量模块1W、仪表功耗2W，整体功耗大约17W，再加上储备，选择40W的变压器。

RTU通过COM1口与电量模块进行连接，并通过MODBUS协议读取电量模块内部的数据。电量模块选择安控科技生产的E306电量模块，它可以采集三相电压、三相电流、功率、功率因数等参数。

水源井控制器的外接仪表部分，每个仪表通道单独配置一个0.5A的保险。防止在更换仪表，或仪表接线时因意外短路损坏电源。

3.5 水源井控制器的软件设计

软件是水源井控制的核心部分。它决定了水源井控制器的控制水平。水源井控制器的软件共有以下几部分。

3.5.1 数据采集部分

水源井控制器采集的仪表信号为4~20mA电流信号。信号进入RTU后转换为10000~50000的通道值数据。RTU根据以下公式把电流信号转换为测量工程值。

工程值=（（通道值－10000）/40000）×（仪表量程上限－仪表量程下限）。

最终以实时数据形式存放于寄存器中。每个工程值占用两个16位的寄存器地址。

3.5.2 电量采集部分

水源井控制器的电量采集由电量模块完成。要测量三相电参数需要外部接入电量模块10根线。测量结果存于电量模块的寄存器中，并且电量模块内的数据不能直接使用，要根据RTU设定的互感器变比K进行计算后才能得到最终的计算数据。

电量模块所得的数据存放在40001~40040寄存器中。这些数据包括：各相电压、各相电流、各相功率、功率因数、总功率、视在功率、有功功率、无功功率等参数。

要读取这些数据，首先要在RTU中设置电量模块内的数据地址、互感器的变比。然后读取相关的数据，并把计算后的数据存放在Super32-L201中。

3.5.3 水源井控制器的控制部分

水源井控制器通过Super32-L201的COM2口与监控中心通讯，接受监控中心的命令。水源井控制器可以通过远程指令启停。

水源井的电机采用点起或点停的方式进行控制，即RTU检测到中心启动指令后控制启动继电器吸合，当检测到电机已启动或吸合时间超过3秒，启动继电器断开。RTU检测到中心停指令时，控制停继电器吸合，当检测到电机已停运或吸合时间超过3秒，控制停断电器断开。

水源井控制器除接受远端控制，还可以进行本地保护控制。

（1）定时启停

由于居民的用水量在各个时间段表现差异很大，水源井控制器可以根据设定的时间段进行启停控制。一台水源井控制器最多可以设定五个时间段。这样部分低产水源井可只在用水高峰期开启，其它时间段停机。

由于很多城市采用分时电价，定时启停也可以控制水源井在低电价时工作，储满蓄水池，在高电价时停止工作。达到降低运行成本的目标。

（2）缺水停机保护

水源井控制器可以外接液位计。在控制器内设低水位保护值，当检测到水源井液位低于设定液位后，自动控制水泵停机，防止水泵空转损坏水泵。

（3）缺相保护

水源井控制可以根据所测的三相电压判断三相电是否平衡。当出现三相电不平衡或缺相时自动控制水源井停机。起到保护水泵的做用。

（4）防盗检测报警

水源井大部分位于比较偏僻的地方，容易发生失窃。水源井控制器可以检测所在泵房的门是否被打开。可以外接红外报警器，检测是否有人闯入。当检测到有人闯入时，发出报警音阻吓嫌疑人，并通知监控中心。

4 水源井控制器的安装

水源井控制器一般安装在水源井泵房内离电机启动箱比较近的地方。一般有以下线连接电缆，如图1所示。

启动控制电缆：两根，并联在现场启动箱的启动按钮上。

停止控制按钮：两根，串联在现场启动箱的停止按钮上。

启停状态线：两根，接在接触器的常开辅助触点上。

三相电参数：共10根线，4根接在接触器下端，6根来自电流互感器。

现场仪表接线：根据现场实际安装的仪表接线。

5 水源井控制器与中心的通讯

图1 连接电缆示意图

水源井控制器通过GPRS模块与监控中心进行通讯。并且水源井控制器支持标准的MODBUS通讯协议。因此国内的大部分组态软件都可以用来作为监控中心软件。目前常用的有三维力控、组态王。这些组态软件只需要跟据水源井控制器内部的寄存器地址表即可做出中心组态，不需要专门的编写驱动程序。

由于采用GPRS通讯监控中心还需要向中国电信或网通申请一个固定公网IP地址。每个水源井控制器需要办理一张手机SIM卡，并开通GPRS业务。

6 水源井控制器的应用情况及意义

安控科技水源井控制器是因为中粮生化能源公主岭项目提出的需求，后经过多个水厂的考查后最终设计定型的。

目前水源井控制器已经应用于东北及新疆的多个地方，至少20处有500台水源井控制器在使用中。它的使用大大提高了自来水生产的自动化程度，提高了生产效率。以中粮生化能源为例。在使用前，他们管理28口水源井，水源井沿102国道分布，离水厂最远40公里，需要3个班组巡视，每个班组需要4名巡井人员共12个人，两部汽车。采用水源井控制器后，他们只需3名机动巡井人员和两名中控室值班人员，一部汽车。每年直接节约运营费用大约15万，间接减少生产维护费用达25万以上。

水源井控制器的使用可大大提高水厂及相关企业的生产效率，降低人工成本，减少生产设备的维护费用。同时可带动相关行业整体的自动化水平。