供水管网远程监控系统的设计与应用

吴明永，吴明亮，张 锐

（1.兰州城市学院 培黎石油工程学院，兰州 730070；2.兰州理工大学 机电工程学院，兰州 730050；3.兰州城市学院 数学学院，兰州 730070）

随着我国经济建设的高速发展，市区规模将越来越大，对工业和生活用水需求量也会日益增加，从而导致城市供水管网的覆盖面积不断扩大。为了确保供水管网压力平衡、流量稳定，及时发现和预测爆管事故的发生，提高供水质量，需要供水企业对整个供水管网进行实时、准确地远程监控[1]。由于供水管网存在管线复杂、各监测点分布广泛、区域跨度大等诸多特点。若采用电缆布线通信方式与远程供水调度监控中心相连，不但布线难度大、维护不方便、运营成本较高，而且长距离造成的信号干扰、衰减等通信不稳定性的问题就会大大增加。尤其在高度分散性的城市供水管网系统，取而代之的无线远程通信方式，让传统布线方式所带来的问题迎刃而解。可见，网络化、无线化、远程监控是当前供水管网监控系统发展的主要方向。

目前4G 无线通讯方式具有传输速度快、网络覆盖面广、通讯信号强、维护成本低、不受距离限制、性价比高等优势，得到广泛使用，可以为供水管网的远程监控提供便捷、可靠的通讯网络平台[2]。因此设计开发集诊断、监测、控制、管理于一体的供水管网远程监控和维护管理系统，可以提高供水管网各区域监测点的数据传输速率和增大监控数据容量，为供水企业的生产调度、决策分析提供强有力的科学依据。

1 总体方案设计

根据城市供水管网测控特点，综合考虑系统的可靠性、实时性、安全性、开发性、经济性等方面因素后，按照分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便的设计原则，设计开发了供水管网无线远程监控系统。整个系统主要由各个供水管网现场测控站、远程监控中心、4G 无线通信网络构成[3]，其系统结构如图1 所示。现场测控站的下位PLC 通过RJ45 以太网接口与4G 无线通讯模块（4G-DTU）相连，利用4G 无线通讯方式，无需固定IP 或绑定域名即可将各测控站的数据远传至监控中心，实现系统压力、流量、浊度、余氯等参数监测，完成电动阀门启停等控制任务。

图1 系统构成Fig.1 System composition

远程监控中心通过Internet 互联网和4G 无线网络接收管道压力、流量等数据，进行管道数据分析、显示、查询、统计、报表打印等功能[4]，同时支持手机、平板等移动设备访问各测控站数据，实现各测控站的无人值守、远程监控。

在远程监控中心的计算机上安装4G-DTU 客户端软件和虚拟网卡驱动。通过客户端软件对4G-DTU的相关参数设置（主要设置账号和密码）后，并将虚拟网卡与现场PLC 的IP 地址设置在同一个网段上，相当于一根无限长的网线把远程计算机和现场PLC 连接起来，使得远程计算机和现场PLC 同处在一个虚拟局域网内，这样可以远程对PLC 的用户程序进行上传、下载和调试[5]。

2 系统硬件设计

每一个供水管网现场测控站都配置了结构紧凑、功能强大的西门子S7-1200 系列PLC，中央处理单元采用CPU1214C，该CPU 集成了一个PROFINET通信接口，支持基于TCP/IP 通信协议的工业以太网，通过交叉网线将4G-DTU 互连到以太网RJ45 接口上，将各测控站的现场运行工况数据通过4G 网络远传到调度监控中心，并等待监控中心的数据处理和命令下发，实现远程监控及综合调度[6]。利用CPU1214C集成的数子量通道和模拟量采集模块SM1234 完成现场测控设备的数据采集和控制任务，如图2 所示。触摸屏通过RS485 模块CM1214 进行串口通信，实现对管网中的压力、流量、浊度和余氯等过程参数实时监测与处理，完成电动阀门实时控制、故障诊断、报警等功能。

图2 供水管网现场测控站硬件构成Fig.2 Hardware composition of field monitoring station of water supply pipe network

3 系统软件设计

3.1 现场测控站程序设计

系统采用西门子博图软件（TIA）作为供水管网现场测控站的软件开发平台，完成网络和硬件组态、编写程序、在线测试和诊断等任务。

在博图软件的项目视图中依次添加PM1207 电源模块、CPU1214C 处理器模块、SM1234 信号模块和CM1241 RS485 通信模块，并设置相应模块参数。在CPU 的属性中，设置S7-1200 的IP 地址，便可建立远程计算机与S7-1200 的TCP/IP 通信连接，远程计算机便在前面配置的虚拟局域网内直接执行PLC项目的下载、上传、监控和故障诊断等任务[7]。

现场PLC 除了实时监测供水管网的瞬时流量外，还需要对管网流量进行累积运算，方便企业进行数据分析和成本核算，为管理决策提供依据，实现经济调度。

3.1.1 采集瞬时流量

首先将流量计输出4～20 mA 对应的瞬时流量（m3/h）电流信号接入S7-1200 PLC 的模拟量输入模块，经13 位模数（A/D）转换后，转换为5530～27648数字量，然后在博图软件中按照流量计所对应的量程对该值进行工程换算，得到瞬时流量值。

3.1.2 计算累积流量

累积流量的程序设计是在S7-1200 的周期循环中断组织块OB200 中完成。通常情况下中断周期越短，累积误差就越小，经综合考虑精度和响应速度后，设置OB200 的中断周期为100 ms 作为流量累积的采样时间间隔。首先将瞬时流量（m3/h）除以36000，得到以中断周期（100 ms）为单位的瞬时流量（m3/100 ms）值，然后根据时间间隔法（即积分运算法），将每个100 ms 时间段内这些瞬时流量累加起来，从而得到累积流量值。同时系统还设置了最大数值和手动触发2 种方法对累加器进行复位清零操作，其程序设计如图3 所示。

图3 累积流量程序设计Fig.3 Cumulative flow program design

3.2 远程人机界面设计

本系统使用西门子监控软件WinCC 作为远程监控中心的开发平台，完成供水管网流量、压力等运行参数的采集、处理、分析、管理、统计、故障报警及报表打印等功能，操作人员可以通过导航界面进入到各个管网测控站的监控界面，进行动态参数查询和远程控制现场设备。

系统采用WinCC/WebUX 软件实现智能手机对供水管网无线远程监控功能，WebUX 设计过程大致如下：

（1）利用WebUX 组态器创建网站，并在Internet信息服务（IIS）管理器中绑定该网站的IP 地址[8]；

（2）在WinCC 图形编辑器中创建监控画面，并将画面属性设置为Web 浏览器可访问；

（3）在WinCC 用户管理器中创建或设置WebUX的用户。在用户属性中激活“WebUX”选项，然后选择要发布的WebUX 起始画面；

（4）在激活WinCC 项目后，智能手机打开Web浏览器（支持HTML5），输入WebUX 站点的地址，然后在弹出的登录界面中输入相应的用户名和密码，就可以浏览到所发布的监控画面，其监控画面如图4 所示。

图4 智能手机监控界面Fig.4 Smartphone monitoring interface

3.3 管网泄漏监测

鉴于管道进、出口都装有压力变送器和流量计，综合运用压力波动和流量平衡法进行管网泄漏监测是较为可行的方案[9]。

系统首先根据管道内压力变化曲线，找出压力波动时发生管道泄漏的临界值δ，然后将1 min 之前的压力值Pi与1 min 后的压力值Pi+1作周期性差值运算（即每分钟都执行1 次压力差值运算），进而取绝对值：。当时，即可定位出管道泄漏点的大致位置；当时，可能出现泄漏量微小，存在压力变化不敏感的情况，系统再根据管道两端的流量差值与泄漏门槛值比较。如果在一定的时间内流量差值超出了门槛值，将发出泄漏报警，同时将泄漏信息上传至WinCC 报警系统，报告此段内可能存在泄漏点，指导工作人员去巡查。

4 系统测试

为了验证系统的稳定性和测量精度，选取现场压力变送器和流量变送器的显示值作为理论真值，从远程人机界面上的压力和流量显示值作为实际测量值，其实验数据如表1 所示。

表1 实验数据Tab.1 Experimental data

由表1 进行计算可知，压力的最大示值误差为0.01 MPa，最大相对误差为1.5%，流量的最大示值误差为-1.3 m3/h，最大相对误差为-1.6%，监控系统所要求的最大相对误差为±2.5%，故满足系统稳定性和测量精度要求。

5 结语

本文针对供水管网跨区域特点，设计开发了供水管网远程监控系统，利用4G 无线网络不受时间、距离以及地理位置的限制，克服由于测控站分布广泛而带来的数据无法统一监测和管理的缺点，实现供水管网的远程、多点、同步、实时的现场数据传输和设备监控，为供水管网的经济调度提供了科学依据。