DCS系统在水厂远程监控中的应用

王营博 许同乐 陈 康

(山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049)



DCS系统在水厂远程监控中的应用

王营博 许同乐 陈 康

(山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049)

针对水厂传统控制系统存在的实时性差，选、布线难，数据吞吐量小的特点，采用无线GSM/GPRS技术对现场数据进行有效传输。考虑现场环境恶劣，上位机不能完全对终端进行有效控制，且整个系统要求故障率低、可靠性高等要求，提出基于PLC控制的DCS系统。实测结果验证了该系统应用于水厂远程监控的正确性和可靠性。结果表明采用基于GSM/GPRS和PLC的DCS系统可实现水厂供水远程监控。

GSM/GPRS PLC DCS 远程监控 组态软件

0 引言

集散控制系统或分布式控制系统(distributed control system,DCS)，它是与过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，它综合了计算机、控制、通信和显示等4C技术，可用于对各种在线设备进行分散控制和集中管理[1]。因其具有高可靠性、高开放性、组态灵活、维护方便、控制功能齐全等特点，在工业自动化领域得到了广泛使用。

传统的远程监控系统如单片机控制系统和集中式控制系统，均采用单台PLC控制单元对现场设备予以控制，一旦PLC发生故障，整个系统将会瘫痪；其次，由于自动化程度的不断提高，系统的不断扩大，人们期望能随时随地迅速查看现场状况，能对预警信息及时有效的处理。鉴于此，提出基于GSM/GPRS无线通信和PLC控制的DCS系统，能有效地遏制上述问题的产生，从而达到系统故障率低、数据吞吐量大、传输速度快、即时性好的目的，提高水厂远程监控的自动化程度。

1 水厂DCS系统远程监控结构

基于GSM/GPRS和PLC的DCS系统结构如图1所示。

图1 DCS系统远程在线监控结构图

按系统结构，系统可分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，它们既能相互区别又相互联系，每一级又包括许多子集；但DCS系统概括起来又可分为由用于组态和维护的工程师站、用于监控和操作的操作员站以及用于优化生产配置的管理计算机组成的集中管理部分，由用于现场监测控制的PLC组成的分散控制部分和用于各子类间相互通信的通信部分这三部分组成[2-3]。由于具有接入快、传输速度高、成本低等优点，GSM/GPRS通信网络可用于设备终端与上位机之间的通信；鉴于PLC的高可靠性、易操作性和灵活性，使其成为分散控制部分的核心毋庸置疑。

2 GSM/GPRS技术在DCS系统中的应用

全球移动通信系统(global system for mobile communication,GSM)，由于其具有覆盖率高、保密性和抗干扰性好、稳定可靠和接入方便等优点深受广大客户的喜爱,目前我国已建成了覆盖全国的数字蜂窝移动通信网，它会为用户提供多种业务，其中语音业务、短消息业务(SMS)和通用分组数据业务(GPRS)较为流行[4-5]。此水厂DCS系统在通信方面，主要应用了GSM的SMS业务，它的可移动性和快速性可以使监测员及时地了解并处理现场设备的各种突发情况；同时GSM的GPRS业务永远在线、接入快捷、数据传输速度快、按流量收费等优点在此系统中也被展现的淋漓尽致。

本系统的通信部分可分为现场设备端、监控中心端和客户服务端三部分，它的重点之一就是解决监控中心与远程监控分站之间的通信问题。其中现场设备端和监控中心端均采用MC52i GSM/GPRS远程控制终端模块，客户服务端只要使用已正常开户的SIM卡及手机即可。未开通GPRS套餐服务及网络信号不稳定时，数据传输及控制通过GSM的SMS业务来完成，表1为与SMS有关的主要GSM的AT指令。

表1 GSM模块SMS相关AT命令

对GSM的SMS控制有3种实现途径。

①最初的Block Mode:它是一个二进制协议，它对远程设备的控制不完全可靠。

②基于AT命令的Text Mode:它是基于AT命令以字符为基础的界面，但它不支持中文，所以具有操作上的局限性。

③基于AT命令的PDU Mode:它具有基于字符的接口，可以二进制编码传送十六进制编码的消息块，可以不了解消息块的内容在终端之间传送信息，且支持中文。基于通用性与稳定性，本系统对SMS的控制采用PDU格式。

PDU串不仅包括要显示的消息，还包括目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等，而且接收和发送的PDU串结构是不相同的。表2为发送消息的PDU格式，表3为接收消息的PDU格式。

表2 发送消息的PDU格式

表3 接收消息的PDU格式

如将字符“Hi”发送到目的号码“+8618766969578”中去，其中发送方号码为“+8618766969579”，则发送的PDU字符串为：08 91 688167969675F9 1100 0D91 688167969675F8 0000 08 02 C834接收到的PDU字符串为：08 91 688167969675F9 04 A1 688167969675F8 00 08 20701190021520 02 C834(其中表4为接收短消息的PDU模式解析)。

表4 接收短消息的PDU模式解析

在已开通GPRS业务且网络稳定的前提下，可通过GSM的GPRS业务来进行数据传输与控制。用GPRS业务进行数据传输时，其网络通信模型如图2所示。

图2 GPRS网络通信模型

由于GPRS网络是一个基于IP协议的数据包网络，可以与Internet进行连接，故可将两终端节点抽象为两个GPRS网络，并将其内部协议抽象为网关协议[4]。这样，就可通过物理层将无线通信模块和Internet进行连接；在链路层通过PPP协议远程登陆Internet，可得到GPRS网关分配的IP协议；在网络层通过IP 协议将所有终端连接起来，用监控中心端的IP路由来选择要实现与接入Internet中的监控中心进行数据交换的终端无线模块；在传输层通过ICP/UDP进行数据的传输[6]。

3 基于PLC的水厂DCS系统

DCS系统的核心是可编程逻辑控制器(PLC)，PLC具有可靠性高、易操作和灵活性等特点,与传统的DCS系统相比，基于PLC的DCS系统具有系统配置灵活、造价低、稳定性好等特点[7]。图3为PLC与PC的通信流程图。

图3 PLC与PC的通信流程图

在远程监控过程中，通过PLC控制的电磁阀的得、失电来实现电动阀、深水井泵的启停，控制现场终端传感器对流量、压力、水深等信号的采集，控制设备终端GSM/GPRS模块与监控中心端及客户服务端的通信等。

本DCS系统的核心部分采用CPU224的SIMENS S7-200CN系列PLC,该机集成了14路输入/输出共24个数字量节点，168路数字量输入输出，35路模拟量输入输出，具有1个RS-485编程口，可采用PPI协议、MPI协议及自由协议的方式进行通信。为保证系统稳定运行，对PLC控制系统采用手动与自动两种模式予以操作。

图4为PLC的模式转换流程图。

图4 PLC的模式转换流程图

水厂DCS系统的设备层主要有四种功能模块：远程流量监测模块、远程水位监测模块、管网压力监测模块和PLC控制下的执行模块[8]。它们都是在现场PLC的控制下通过执行机构对传感器信号进行采集，并控制无线通信模块与上位机之间进行通信，通过中间控制的方式使上位机对生产一线的情况及时了解并有效控制。

3.1 远程流量监测模块

为了保证各工业单位正常取水，该水厂需要对各单位水供应流量进行实时监测。此模块对流量的监测采用超声波流量计。该ZRN-100型超声波流量计主要安装于大管径管道、水表不易安装、现场环境复杂的场所。上位机在软件的驱动下，每天会在七个整点对远程流量进行实时刷新采集，并将PLC采集到的瞬时流量进行在线曲线趋势统计。统计图如图5所示，此图中只涉及到三家企业某一天的测点流量信息。PLC采集的瞬时流量计算公式如下：

(1)

式中：S为管道截面积；V为水流速度；L为安装距离；t为激光在L管段中水静止及水流动时的时间差；D为管道外壁；d为管道内壁。由于管网压力、水流速度不稳定，计算累积流量时，可对瞬时流量在一定时间内进行积分。

图5 企业用水瞬时流量统计图

从图5可以看到，在早晚6点左右各企业的用水流量都较小，8点和16点左右用水流量都较大，中午休息期间也较小，上位机操作员可以对统计图进行分析及时进行水资源的合理调配，并可以对数据进行保存，预计下一期用水情况，提高了工作效率。企业用水统计如表5所示。

表5 企业用水统计表

由表5可知，DCS在线监测系统可对采集到的数据进行分析，及时排除供水管网及企业中的漏水隐患，保证供水管网无泄漏，提高水资源的利用率。

3.2 远程水位监测模块

水厂需实时监测水库水位变化情况保证供水量，于是该水厂采用Mh7100分体式超声波液位计来对水库水位进行监测。该超声波液位计安装简单、分辨率高(1 mm)、可输出4～20 mA模拟量或通过RS485输出数字量。

超声波液位计安装如图6所示。工作时，由垂直安装在水面上的超声波液位计(如图6)中的换能器向水面发射超声波脉冲，声波经液面反射后被传感器接收，通过电晶体或磁致收缩器件转换成电信号，由超声波液位计发射与接收脉冲的时间差来计算液位高度，其计算公式如下：

(2)

式中：c为声波在空气中的传播速度；t为声波从发射到接受所用的时间；H为水库总深度。

图6 超声波液位计安装图

3.3 管网压力监测模块

为满足各单位对供水压力的要求，水厂需要对各单位进水口处压力进行实时监测。此DCS系统设备终端对管网压力的监测采用了PT500-501型传感器，该水压力传感器采用电阻应变片做传感器的感应芯片，为了减少非线性误差，其内部采用了恒流源电桥的电路结构来确保压力与电压的对应。当水压改变P时，即管网压力改变引起第一桥臂电阻R1变为R1+ΔR1时，其电桥输出电压为：

(3)

由于管网压力P与电桥输出电压U0相对应，故只要将0～5 V的电压模拟量经过PLC内部的A/D转换，即可供上位机及手机客户端使用，如图7为企业用水瞬时压力统计图。由压力统计图可以看出,管网压力在上午10点和下午14点左右比较低，说明此时用水企业多、用水量大，供水厂应通过加压泵来提高管网压力，在早晚6点左右管网压力较高，水厂可以切换至自动控制模式。

图7 企业用水瞬时压力统计图

3.4 PLC控制下的执行模块

执行模块是水厂DCS系统现场终端设备的关键，是PLC发布指令后的执行者。执行模块是由PLC内部的继电器和接触器等电器控件构成的自锁电路[9]，可用来控制超声波流量计、超声波液位计和管网压力传感器的供电状态，以及电动阀、加压泵、深水井泵等的开关状态。现场数据的计算和处理以及指令的发布由PLC完成，但数据的采集及反馈却需要由执行模块控制完成。PLC可以发布指令通过执行模块来控制对现场瞬时流量、累积流量、水位、压力等的数据采集，也可以指令的形式通过执行模块对电动阀、加压泵、深水井泵、加料泵的开关予以控制。

当系统正常运行时，执行模块可根据PLC的指令在规定的周期内控制现场设备对各项参数进行采集，并将采集到的参数经PLC的处理、计算后与已烧写在PLC中的程序、参数作对比，若发现有不妥之处，则由PLC发布指令、由执行模块控制完成，并将完成后的现场情况予以反馈，如此循环，完成对终端设备的控制[10]。

4 远程在线监控软件

基于GSM/GPRS和PLC的DCS系统在线监控的上位机远程监控软件采用Visual Basic进行设计。系统正常运行后，操作员可通过操作上位机在线监控软件，经由GSM/GPRS网络，以串口通信的方式对PLC中状态寄存器的相应参数进行改写，实现上位机的在线控制功能。此远程在线监控可通过手动与自动两种模式进行实现，但不可同时工作于两种模式下，其远程在线监控系统软件工作流程如图8所示。

图8 远程在线监控系统软件工作流程图

5 结束语

组建基于GSM/GPRS和PLC的DCS系统，并将它应用在水厂远程供水监控中。系统具有以下优点：① 稳定性好、组态灵活、易于维护、通信速度快的优点；② 能够进行远程流量、水位、管网压力的在线监测，并对获得的数据进行及时有效地分析；③ 可以对电动阀、加压泵、深水井泵、加料泵等的开关状态进行相应控制，还可根据现场信号反馈，使控制达到最优化，克服了传统控制系统故障率高、维护成本高、移植性差的不足。

[10]谭威.基于PLC的工业控制系统的设计与实现[D].武汉：华中科技大学,2007.

Application of DCS in Remote Monitoring of Waterworks

To overcome the disadvantages of traditional control system in water treatment plant,e.g.,poor real time performance,difficulty of choosing and cabling,and small data throughput,the wireless GSM/GPRS technology is selected for effective on-site data transmission.Considering the harsh field conditions,completely effective control of the terminals cannot be well conducted by the host computer,while low failure rate and high reliability are requested by the entire system,thus the DCS based on PLC control is proposed.The experimental results have verified the correctness and reliability of the system applied in remote monitoring for waterworks; this indicates that the remote monitoring of water supply in waterworks can be realized by the DCS based on GSM/GPRS and PLC.

GSM/GPRS PLC DCS Remote monitoring Configuration software

山东省自然基金资助项目(编号：ZR2013FM005);

山东省高等学校科技计划基金资助项目(编号：J10LG22)。

王营博(1990-)，男，现为山东理工大学仪器科学与技术专业在读硕士研究生；主要从事智能测试技术及仪器方面的研究。

TH7;TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601013

修改稿收到日期：2015-05-21。