基于GPRS技术的PLC监控系统应用于城市排水泵站

杨博英 株洲

摘要：城市排水泵站的PLC监控系统主要作用是控制泵站设备的运行和实时监测设备的运行状态，利用中国移动的GPRS系统，作为城市排水泵站PLC监控系统的数据通信平台，对泵站监控点进行无线数据传输，实现中心控制室对泵站设备的远程监测控制和管理。

关键词：城市排水泵站；PLC；GPRS；无线数据传输

1、前言

株洲市城市排水有限公司下属的霞湾污水处理厂目前有两个进水提升泵站（铜塘湾泵站和白石港泵站），分布在不同的地理位置，铜塘湾泵站距离霞湾污水处理厂中心控制室1.5公里，地势较平坦，采用的是无线数传电台与中心控制室进行通讯。白石港泵站距离霞湾污水处理厂5公里，中间有石峰山阻挡，目前拟采用GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）技术，实现与中心控制室的无线数据传输。

无线数传电台：建立专有的无限数据通道，干扰小，运行稳定，系统运行费用低，仅需上缴无线频率资源使用费（国家专门为公用事业预留了频率资源），适用小范围的平原地区（15公里以内），如遇高山阻挡或远距离通讯，则需增加中继站和高架天线。

GPRS通讯：基于中国移动网络，不受地形和距离的限制，无高架天线，不容易受到雷击。

中国移动GPRS系统可提供广域的无线IP连接。在移动通信公司的GPRS业务平台上构建分布式PLC控制系统，实现PLC的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。

铜塘湾泵站的PLC应用系统中采用了无线数传电台通信来达到远程控制PLC的目的，但是这种方案仍然存在一些缺陷，主要就是其分布范围仍然较为有限，而且随着通信距离的增加，其可靠性受到很大影响。

目前最新应用趋势是将PLC控制系统与现有GPRS无线通信网络技术集成，通过GPRS网络通信技术，可以实现全国，甚至全球范围内的数据超远程可靠传输，进而达到数据远程分析处理，远程控制的目的。经过比较分析，我们选择中国移动的GPRS系统作为白石港泵站分布式PLC控制系统的数据通信平台。

2、GPRS无线通信系统的特点

2.1、可靠性高：

与SMS短信息方式相比，GPRS DTU采用面向连接的TCP协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证数据可靠传输。中心控制室可以与多个监测点同时进行数据传输，互不干扰。GPRS网络本身具备完善的频分复用机制，并具备极强的抗干扰性能，完全避免了传统数传电台的多机频段“碰撞”现象。

2.2、实时性强，数据传输速率高：

GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小（从发送到接收数据之间的时间），并支持多点同时传输，因此GPRS监测数据中心可以多个监测点之间快速、实时地进行双向通讯，很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。目前GPRS网络传送速率理论上可达171.2 kbit/s，实际数据传输速率在40 kbit/s左右，完全能满足系统数据传输速率（≥10 kbit/s）的需求。而目前一般的数传电台传送速率多为2.4 kbit/s或更低。

2.3、监控范围广：

GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。对于分布在全市/全省范围内，甚至全国范围的PLC控制系统，采用GPRS网络是其理想的选择。

2.4、系统建设成本低：

由于采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装设备即可，建设成本低；也免去了网络维护费用。

2.5、系统运营成本低：

采用GPRS公网通信，全国范围内均按统一费率计费，省去昂貴的漫游费用， GPRS网络可按数据实际通信流量计费，（1分-3分/1K字节），也可以按包月不限流量收费，从而实现了系统的低成本通信。

2.6、系统的传输容量，扩容性能好：

中心控制室要和每一个PLC控制现场实现实时连接。系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要；由于系统采用成熟的TCP/IP通信架构，具备良好的扩展性能，一个中心控制室可轻松支持上千个现场PLC数据通信。

2.7、GPRS传输功耗小，适合野外供电环境：

虽然与远在千里的中心控制室数据中心进行双向通信，GPRS数传设备在工作时却只需与附近的移动基站通信即可，其整体功耗与一台普通GSM手机相当， 平均功耗仅为200毫瓦左右，比传统数传电台小得多。因此GPRS传输方式非常适合在野外使用太阳能供电或蓄电池供电的场合下使用。

3、GPRS无线数据传输系统的构成

3.1、网络构成

GPRS无线数据传输系统为行业用户提供永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。可以提供点对点、外围设备间、外围设备与中心节点之间的通信方式，适用于信息互传、远程数据采集等行业应用。可实现点对点、中心对多点以及多点之间实时、对等的数据传输。

3.2、网络接入方式

3.2.1、数据终端（GPRS DTU）接入：

目前，中国移动GPRS网络用户可以选择CMNET和APN两个网络接入，CMNET通常用于公众用户接入Internet，APN针对相关行业用户使用。APN用户通常在一个组内，需要设定用户名和密码，具有更好的安全性，适用于行业用户。此外，APN用户可以申请绑定移动内网的固定IP地址。

3.2.2、数据中心（DSC）的接入：

数据中心的接入有多种方式，结合GPRS承载网络的特点和GPRS应用领域的具体要求进行组网。组网形式的选择主要由业务数据量、时延、可靠性要求、数据保密性、网络状况决定。

3.2.3、GPRS数据中心与用户应用程序接口：

GPRS数据中心与应用系统的应用软件接口两种方式，即动态连接库（DLL）和GPRS数据中心服务程序转发方式。动态连接库方式需要进行接口程序的编程与开发。对于不希望对原有系统应用软件进行改动的应用，通常可采用GPRS数据中心服务程序与应用系统软件之间进行数据转发，包括实际串行口转发、虚拟串行口转发、UDP/IP转发、TCP/IP转发等连接方式。

4、白石港泵站监控系统的设备

4.1、白石港泵站的主要运行设备和监控参数

4.1.1、主要运行设备及作用：

一台电动闸门：泵站进水管网的总闸门，控制进水的流量。

一台粗格栅机：回转式粗格栅，去除污水中大的悬浮物，防止堵塞管网和潜污泵。

三台潜污泵：提升污水到霞湾污水处理厂的进水管网。

一台超声波液位差计：检测粗格栅机前后液位之差，为粗格栅机的启停提供运行数据。

一台超声波液位计：检测潜污泵房内污水的液位，为潜污泵的启停提供运行数据。

4.1.2、设备的监控参数及类型：

电动闸门：启停、运行、故障信号（数字量）

闸门开度（4～20mA模拟量）

粗格栅机：启停、运行、故障信号（数字量）

潜污泵：启停、运行、故障信号（数字量）

电流信号（4～20mA模拟量）

超声波液位差计：粗格栅机前后液位差值（4～20mA模拟量）

超声波液位计：潜污泵房内污水的液位（4～20mA模拟量）

4.2、PLC和触摸屏

4.2.1、白石港泵站的PLC采用施耐德公司昆腾系列PLC，由电源模块、CPU模块、通讯模块、模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、总线机架组成。编程软件采用的是Concept 2.6，编写PLC程序。

4.2.2、白石港泵站电动闸门、粗格栅机、潜污泵的控制可由控制柜上的按钮进行现场操作，也可以在触摸屏上完成手动、自动控制的操作，以及设备运行参数的报表、历史曲线、报警汇总等管理功能。

4.3、GPRS通信设备

GPRS通信设备主要有GPRS DTU传输终端、通信模块、数据卡、ADSL Modem、网络服务器等。

5、白石港泵站监控系统设计方案

整个远程监控系统由三部分组成：白石港泵站PLC控制部分、GPRS数据传输部分、霞湾污水处理厂中心控制室。白石港泵站的PLC定时将数据发送给GPRS DTU，同时PLC实时接收GPRS DTU发来的数据，并完成相应控制功能。GPRS DTU在收到PLC发来的数据时，立即通过GPRS网络传输到霞湾污水处理厂中心控制室。

5.1、白石港泵站PLC将各设备运行参数实时采集后通过RS-232串口将数据送往GPRS DTU通信模块；同时，还可通过该通信模块接收中心控制室的指令。

5.2、GPRS数据传输部分：在对GPRS DTU通信模块进行配置时预先输入中心控制室网络服务器的固定IP地址。GPRS DTU通信模块收到PLC发来的数据后，把这些数据送到前面设置的IP地址网络服务器中，通过端口映射转发到工控机，工控机系统软件对数据进行还原显示，并且进行数据分析。GPRS DTU发送数据的过程为：数据送到中国移动GPRS网络中，然后再经过Internet，最后在中心控制室通过ADSL Modem进行接收。

5.3、调度室数据中心由ADSL MODEM、网络服务器、防火墙、工控机。工控机通过ADSL Modem、网络服务器接收来自白石港泵站的设备运行数据，并对数据进行存储、历史趋势分析、报表打印等。

6、白石港泵站监控系统网络构成

该系统主要是通过GPRS DTU和移动公司GPRS网络来完成。GPRS DTU主要完成白石港泵站PLC与中心控制室数据传输转发的任务，同时也是与移动GPRS网络的工作接口。主要设置的参数如下：

6.1、本方案是通过Internet（CMNET）实现的，这样用户的实现成本比较低。中国移动为这种应用提供了直接接入GPRS网络的方式。网络服务器通过专线方式直接接入GPRS移动基站，并获得一个固定的IP地址。泵站数据无需路由到Internet网络，泵站GPRS DTU也采用固定IP地址的SIM卡。采用这种方式组成点对多点网络具有实时性好、安全性高的特点，但接入费用相对较高。

6.2、数据发送目的地，即网络服务器或者路由器的IP地址，或者域名。

6.3、PLC的接口参数，包括波特率、停止位、奇偶校验、数据位、流控制。

数据经GPRS DTU发送到移动GPRS网络上的CGSN后，移动的GPRS网络与Internet有通道接口，因此，移动CGSN服务器可将数据经Internet再转发到网络服务器。

移動GPRS网络传输送来的白石港泵站数据Internet，通过ADSL Modem信号解调经防火墙检测后送达网络服务器，再将数据包转发到指定的工控机上进行数据接收处理，与此同时工控机担负着向白石港泵站发送相应控制指令数据的任务。工控机上的人机界面软件（RSV32）完成对白石港泵站的监测控制，以及设备运行报表、报警信息、历史曲线等管理功能。

7、白石港泵站监控系统的设备运行控制描述

7.1、在本方案中，白石港泵站施耐德PLC具有以下功能：采集超声波液位差计、超声波液位计模拟量信号；电动闸门的控制、闸门开度信号的采集；粗格栅机的运行控制；潜污泵的运行控制以及电机电流、电机温度、油室渗漏信号采集和监视。

7.2、对于电动闸门、粗格栅机、潜污泵的控制，设计了现场就地控制、触摸屏控制、中心控制室远程控制（基于GPRS网络）三种方式。在现场控制柜上能完成对电动闸门、粗格栅机、潜污泵的手动操作控制，完成手动控制与自动控制的转换；在触摸屏上能完成人机交互，手动操作、自动控制设备的稳定运行；中心控制室远程控制通过工控机完成人机交互，远程手动控制、远程自动控制设备的运行。

7.3、对于粗格栅机能实现自动控制。通过超声波液位差计检测粗格栅前后的液位差，自动控制粗格栅机的启停，称为液位差控制；也可以通过设定运行时间和停止时间来控制粗格栅机的自动运行，称为运行时间控制。

7.4、对于潜污泵能实现自动控制。通过超声波液位计检测潜污泵房内污水的液位，在触摸屏或工控机的人机界面上设定高液位、低液位、保护液位的具体数值，自动控制任一台潜污泵的运行。高液位控制潜污泵的启动；低液位控制潜污泵的停止；保护液位控制所有潜污泵停止运行。

8、GPRS远程监控系统的功能

GPRS远程监控系统通过GPRS网络的无线数据传输，对白石港泵站设备运行数据的传送、接收，完成对设备运行的监测、控制以及数据的处理、存储、分析功能。

8.1、在中心控制室的工控机显示白石港泵站的设备工艺流程，包括液位差、液位、潜污泵电流、闸门开度等工艺参数，所有设备的运行状态（启停、运行、故障信息）等。

8.2、实现自动控制回路参数的调整，包括修改控制方式、设定值、报警限制值以及连锁报警等。

8.3、实现设备运行报表的统计打印，历史数据的存储与检索，对白石港泵站设备进行管理。

9、GPRS远程监控系统的安全性

由于远程控制的特殊性，系统需要极高的系统安全保障和稳定性，防止来自系统内外的有意和无意的破坏，主要是加强网络安全防护措施方面。

9.1、中心控制室采用公网接入方式，而数据采用专线接入，GPRS DTU数据传输设备经过认证，整个数据传送过程有加密保护，安全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。

9.2、对白石港泵站的GPRS DTU数据传输设备单独配置ID号和密码，通过中心控制室在其登陆时进行应用层认证，其他GPRS DTU设备将无法进入系统，可增强系统的安全性。

9.3、可对整个数据传送过程进行加密保护，网络接入采用防火墙软件，设置网络鉴权和安全防护功能，保障系统安全。

9.4、GPRS DTU传输终端设备上电自动拨号上网、连接网络，实时检测网络连接情况，有掉线自动重拨功能，并且支持用户端发起命令连接或远程唤醒连接。GPRS DTU传输终端设备有EMC抗干扰设计，适合电磁恶劣环境应用。

结束语

GPRS通信技术在白石港泵站的运用实施，霞湾污水处理厂中心控制室可以实现对白石港泵站设备运行参数的集中监测、控制，并且能進行实时的、系统的管理。可以减少操作维护人员的劳动强度，甚至能实现无人值守，降低运行成本，提高经济效益。与铜塘湾泵站的无线电台相比，该方案具备更好的抗干扰性和数据传输安全性。相信这种远程监控方案会在更大范围内的成功应用。

参考文献

[1]韩斌杰，《GPRS原理及其网络优化》，机械工业出版社，2004

[2]顾肇基，《GSM网络与GPRS》，电子工业出版社，2002

[3]朱云、李晴，《污废水处理设施运行管理》，北京出版社，2006