基于5G网络的加压泵站远程控制系统研究

郑云龙

【摘要】    本文提出了一种基于5G网络的远程控制应用。通过PLC实现加压泵站的本地控制，再利用工业无线路由器的透传功能实现PLC与上位机的远程通讯，最终实现上位机对加压泵站内设备的远程控制。其特点是将通讯技术与自动控制技术相结合，实现对水泵运行、阀门开关的远程控制以及对设备相关运行参数的实时监测，从而达到提高工作效率，减少维护人员，节约车辆费用的目的。

【关键字】    加压泵站    PLC    工业无线路由器    调度    远程控制

引言

近年来，工业4.0的概念引起了业界对未来工业发展广泛深入的讨论。作为继以蒸汽机、大规模流水线生产、电气自动化为标志的三次工业革命之后的第四次工业革命，工业4.0以数字化制造为核心理念，将推动互联网技术深度参与生产过程，优化生产成本，缩短产品上市时间，提高生产灵活性，继而全面提升制造业的竞争力。中国制造2025如何对接德国工业4.0，在国内供水行业，就体现为智慧水务平台的建设。

随着现代化水厂建设的不断深入以及智慧水务建设的不断发展，各级水厂、水司对生产、调度的智能化需求也不断提高。不仅要对水厂内部的生产设备设施能够进行实时监控，对供水管网上配套的泵站也提出了实时执行调度指令的要求。鉴于加压泵站一般都距离水厂较远，且无人值守，因此研发一种在水厂、水司的调度室就能够远程监控泵站运行的自控系统，就成为提高调度工作效率，减少维护人员，节约车辆费用的最佳选择。

一、系统设计思路

当输水管线较长、中途需进行增加以及从管网抽水向边远地区或地势较高地区供水时，采用加压泵站。加压泵站的主要功能就是为供水管道提供二次加压，根据供水量的变化，不断调整供水压力，使终端用户的供水压力尽可能保持恒定，满足生产、生活用水需求。根据加压技术分类，加压泵站可以分为设有水塔加压泵站、气压给水加压泵站和變频调速给水加压泵站。本文讨论的是变频调速给水加压泵站的远程控制系统。

加压泵站远程控制系统就是为了解决操作人员距离泵站较远，无法进行及时调度的需求而设计的，主要设计思路如下：

1）上位机组态软件通过5G网络远程给下位机发送调度操作指令，期间经过工业路由器进行透传转发;

2）PLC负责接收指令，并控制泵、阀门等设备执行指令;

3）PLC采集设备运行参数并上传给上位机组态软件。

加压泵站远程控制系统采用三层架构实现，分别为：数据感知（指令执行）层、控制逻辑层和展示层。

1）数据感知（指令执行）层：负责执行上位机的操作指令，并反馈设备运行状态给PLC。可以通过加压泵、电动阀门等供水设备实现管网内供水压力的提升;通过压力变送器监测管网供水压力;通过多功能电量表监测电流、电压、功率等设备运行参数;通过摄像头实现对泵房的实时视频监控。

2）控制逻辑层：通过PLC来控制加压泵的启停以及运行频率，阀门的开关;采集设备运行参数、报警信号等。通过浮球开关来自动控制潜水泵的启停。

3）展示层：通过工业路由器的透传功能，实现下位机数据的远传，并通过组态软件进行展示。同时，上位机的控制指令也可以通过组态软件下发到PLC执行。

二、下位机控制逻辑设计

下位机的控制逻辑主要依靠S7-200Smart PLC来实现。作为二种典型的自动化控制器，PLC 在工业自动化领域有着非常广泛的应用。S7-200Smart是西门子公司针对中国小型自动化OEM（Original Equipment Manufacture，原始设备制造商）客户需求进行本地化研发、本地化生产、本地化服务的战略性产品，是新一代小型自动化体系的核心。同时，SMART也代表了经济型自动化解决方案，它的富意在于简单（Simple）、易维护（Maintenance-friendly）、高性价比（Affordable）、可靠（Reliable），以及上市时间（Time to market）短。下位机的控制逻辑主要包括4个方面：

1）加压泵控制

分为就地和远程两种控制方式。就地控制不经过PLC，直接用按钮控制泵的启停，用电位器调节变频器的频率。远程控制则通过上位机给PLC下发指令，再由PLC控制变频器实现对泵的操作。加压泵调节的效果通过压力变送器的压力变化进行反馈。

2）电动阀门控制

分为就地和远程两种控制方式。就地控制不经过PLC，直接用按钮实现阀门上电，用智能光柱调节阀门的开度。远程控制则通过上位机给定阀门开度，电动阀门故障时，PLC采集故障信号并上传。

3）潜水泵控制

分为就地手动、就地自动和远程三种控制方式。就地手动控制不经过PLC，直接用按钮控制泵的启停。就地自动控制则需要通过PLC来采集浮球开关信号，进而控制泵的启停。远程控制则通过上位机给PLC下发指令，再由PLC控制泵的启停。

4）设备运行电参数采集与视频监控

通过多功能电量表采集ABC三相电流、电压以及设备运行总功率。在需要的时候，打开摄像头随时查看现场情况。

三、下位机与上位机通讯

1）Modbus RTU通讯

系统以PLC为从站，组态软件为主站，采用Modbus协议的RTU模式通讯。Modbus是工业自动化领域使用最广泛的通信协议之一，随着电子、计算机和通讯技术的不断发展，特别是物联网以及“互联网+”等概念的兴起，Modbus通讯技术也从串行总线发展到了Modbus TCP。Modbus RTU+无线透传就是为了适应远程操作终端设备的需求而设计的。

2）工业路由器的透传转发

由于PLC的数据需要通过5G网络无线传输，因此PLC本身没有固定IP地址，需要通过工业路由器的透传功能实现数据的转发。数据转发到工控机的固定IP地址后，由组态软件负责接收和展示。同理，组态软件下发的指令也由工业路由器转发给PLC执行。工业路由器的COM服务参数设置中，主机ID是上位机识别下位机身份的识别码;重启时间、TCP/UDP无数据重启服务、TCP/UDP无数据重启路由等项目是为了保证设备正常运行设置的系统重启时间间隔;客户机模式需要指定上位机的IP地址和端口号;COM配置要求与PLC的串口通讯参数设置保持一致。

四、上位机设备运行监控

上位机的工控机要求专线接入互联网，并配置固定IP地址。上位机的操作界面通过通用组态软件实现（如ForceControl）。

1）IO设备组态

组态软件与PLC通过Modbus RTU协议通讯。由于是通过5G网络无线传输，可通过组态软件自带的网桥通讯方式实现数据的上传与下发。

2）数据库组态

基于已建立的IO连接，创建与PLC程序中的寄存器相匹配的点位表。

3）生产工艺流程组态

按照实际生产工艺流程搭建上位机操控界面，并将界面上所有的数据、动作与点位表中的点名绑定。通过点的数值的变化控制界面上设备状态的颜色变化。

五、安全保障

为了保证泵站的运行安全，在系统设计阶段就要全面的考虑各种可能出现问题的应对方法，并在技术方案中加以体现。比如：

1）接地：良好的“地”是处理EMC问题的基础，需要保证接地系统是经过严格检测的，并满足国家标准，这样所有的屏蔽、设备保护接地等可能连接到“地”，才能保证接地不会对系统产生负面影响。

2）防浪涌：控制柜要求加装防浪涌模块，并保证接地良好。降低电源或恶劣天气引起的电压不稳，进而烧坏设备的可能性。

3）热保护：加压泵前要求加装热保护模块，防止水泵运行异常造成电流过大烧毁设备。

4）布线：规范的布线需将控制柜内分隔为不同的EMC区域。设计控制柜体时要注意EMC的区域原则，把不同的设备规划在不同的区域中，每个区域对抗干扰度有不同的要求，区域在空间上最好用金属壳或在柜体内用接地隔板隔离。

5）控制柜如果露天放置，要求柜體材料为304不锈钢，并配置双层柜门。

6）加装视频摄像头，通过5G网络能够随时查看现场情况。

六、结语

本系统基于5G网络，通过数据转发技术，按照生产工艺流程，实现了对泵站的远程控制，使供水调度人员能够及时的操控水泵的起停、调节泵的运行频率，控制电动阀门的开关。在泵房被水淹时还可以自动启动潜水泵排水，达到节省人力和时间的目的，从而为泵房的安全生产运行提供有力的支撑。

参  考  文  献

[1] 西门子（中国）有限公司编著，《深入浅出西门子S7-200SmartPLC》，北京航空航天大学出版社;

[2] 李亚峰、尹士君、蒋白懿编著，《水泵及泵站设计计算》，化学工业出版社;

[3] 杨更更著，《Modbus软件开发实战指南》，清华大学出版社。