GPRS在自来水厂深水井生产管理中的应用

【摘要】GPRS在自来水远程地下水源井计算机生产调度检测控制管理系统中的应用，采用分布式控制方案，针对系统特点，介绍系统的组成和功能，重点介绍用PLC完成数据采集处理、设备监控、控制和终端数据通讯的软件设计方法和GPRS的应用。

【关键词】自来水厂；GPRS；数据采集及处理；控制

0.概述

水厂座落在哈尔滨市松北区东面，占地42907m2，其10眼水源井，距离厂区最远半径达10公里。设计取水量为5.02万吨/日地下水进水厂，日生产水4.0万吨。自来水厂计算机生产调度监测管理系统实质上是一个“四摇”系统，PLC利用服务器软件通过GPRS将数据终端单元（DTU）的数据上传，处理后存储到数据库；服务器软件也可以反向传输各种指令到DTU，控制DTU的运行。完全满足24小时全天候运行、无人值守、自动断信重新连接运行、环境恶劣、干扰源多的要求。

1.系统组成与实现功能

1.1系统结构和配置

水厂四摇控系统总体结构方框图如图1所示。

系统采用两级监控，上位机和下位机之间通过GPRS数据模块通讯，采用固定IP点对点通讯方式。在监控中心采用P42.8 PC机构成双机冷备份控制系统，Win2000操作系统，组态软件采用英国Wonder ware Intouch 9.0版本；主数据传输采用无线数据数字卡，数字解调方式，终端机采用力创 LQ8110 GPRS数据模块，每个模入模块可提供3个AI输入通道，对应地址由低到高排列，其A/D转换位数为12位。相关的I/O点分类统计表如表1所示

图1系统总体结构方框图

1.2系统特点及功能

系统的自身特点是在各水源井建立监测点，由传感器和就地监控设备将监测点的信号收集整理，用GPRS数据模块SIM通讯卡，通过固定IP将数据传到送到水厂监控中心，中心计算机对各监测点的数据进行分析，然后对各水源井运行情况进行合理的调度，使水厂生产安全可靠运行。

系统实现主要功能有：

数据处理功能：实时显示功能；遥测功能：方式有定时巡测，人工召唤巡测和人工选址巡测；遥控功能：方式为选址遥控；遥信功能；遥调功能：方式为选址遥调；报警输出功能；终端故障报警功能；校时、对时功能。其中PLC完成的具体任务为：现场信号采集与处理；数据统计；累计日流量和月流量；统计日运行时间；状态监测：对电源有无水泵启停、合闸分闸、数传是否中断和工作不工作、手控/自控、遥控、闭控等开关量进行监测；自动控制水泵启停；系统故障输出控制报警端；具有日历、时间和校时功能；设置水压、水位预警限和水位上下限、水压低限；超限和故障自动处理并上报，数据按指定时间段存储。

表1I/O点分类统计

2.数据采集处理及控制

2.1模拟量信号处理

开关量信号在采集时采用延迟时间再确认的方法实现软件滤波，延迟时间为PLC的一个扫描周期，编程简单。模拟量信号处理时，采用定时采样、有效性检查、线性化处理、数字滤波、过程值整定、数据各位BCD码分离等。模拟量电信号量程为：电压为1～5伏，电流为4～20mA。其过程值整定按以下表达式进行：

YN=En+Yn*kn/212

参数定义：Y模拟量过程值：Yn采样信号数字量，En系统偏移量；Kn过程量测量范围。各模拟量实际过程值的测量范围如表2所示：

2.2状态监测

表2模拟量信号测量范围表

系统运行时，PLC的I／O点的状态和各继电器的辅助触点的状态上报给中心计算机，由中心计算机实时监测、显示各种状态，以便操作人员及时了解各设备工况，迅速查找故障点，保证系统能够安全运行。

编程时，根据开关量输入点数设置三个状态寄存器，每个状态寄存器的各位定义如下：

状态1（VB118）：

MSBLSB

故障手控闭控遥控水泵启/停自控/手控通话合闸/分闸

状态2（VB119）：

MSBLSB

短路水泵3水泵3水泵2 水泵2 水泵1水泵1通讯

故障 启/停故障启/停 故障启/停状态

状态2（VB120）：

MSBLSB

水位水位水位 水压 过载 过载 电压异电压异

上限下限 预警限 预警限跳闸 报警 常跳闸常报警

2.3数据统计和查阅

系统运行时，要统计水泵的日运行时间、当前时刻水流量、每天日流量、每月月流量。分别设置时、分、秒递增计数器即可完成日运行时间的统计，采用每秒内流量累积的方法即实现流量的统计；要求日流量、日运行时间和月流量保存到当前月份结束、月流量保存到当前年份结束，然后再进行存储区刷新处理。需要用到判断当前天结束（零点到）、闰年、闰二月、平二月及大小月等子程序。统计数据通过GPRS上报给监控中心，中心计算机可在限定时间段内查阅各种遥测遥信数据和遥调遥控记录。在Wonder ware Intouch9.0的STAT图上可随时查看记录数据。

2.4水泵故障处理

用PLC编程实现对电动机的继电保护功能的软件设计思想是：实现具有反时限特性的过负荷保护；定时限和速断配合的过电压保护；速断欠电压保护；电流速断短路保护。

2.4.1反时限过载保护

设电动机额定电流为Ie，采样实际电流Id,则把实际电流分为以下区间及每个区间所做相应处理说明如下：

Ie＜Id＜1.5Ie：电机允许过载电流，PLC不进行处理。

1.5Ie≤Id＜2Ie：电流过载报警，允许电机运行20秒。

2 Ie≤Id＜2.5Ie：电流过载报警，允许电机运行10秒。

2.5Ie≤Id＜3Ie：电流过载报警，允许电机运行5秒。

3Ie≤Id＜3.5Ie：电流过载报警，允许电机运行1秒。

Id≥3.5Ie：电流过载严重故障，应立即断开电源，停止电机运行。

说明：报警通知维护人员及时查找并排除故障，若在允许运行时间内不能排除故障，PLC则进行拉闸处理。

2.4.2欠电压和过电压故障管理

电源电压过高或过低，均会使电机运行时温升过高或冒烟。电压过高且空载时，电机转速增大，易产生飞速故障；电压过低时，电机可能不能启动或带负载运行时转速低于额定值。

设电机额定电压为Ve，实际采样电流为U，把电压值分为以下区间进行电压异常处理，说明如下：

（1）U＜0.9Ue:欠电压故障，立即进行拉闸处理。

（2）0.9Ue≤U＜ 1.15Ue：允许电压正常波动，PLC不进行处理。

（3）1.1Ue≤U＜ 1.15Ue：过电压报警，允许电机在此范围内运行10秒。报警通知值班人员查找和排除故障，若在10秒内不能排除故障，则电源开关自动跳闸。

（4）U≥1.15Ue：过电压严重故障，应立即进行分闸处理。

2.4.3短路故障处理

短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍，一旦出现短路故障，应立即切断系统电源，停止系统运行。

设电动机起动电流为Iq，电流速断保护动作电流为IdZ。电流速断保护动作电流应躲过电动机的起动电流，即IdZ＝KkIq。其中，Kk可靠系数，可取1.8～2或1.4～1.6,Iq＝(4～6) Ie。软件设计时取IdZ＝8Ie,当判断电机起动5秒后，一旦判断采样电流值大于8Ie，PLC立即用直接输出指令复位合闸／分闸线圈，切断系统电源。

3.终端数据通讯

终端通讯协议：

数据通讯时，PLC把采集的实时数据、设备工作状态和命令执行结果送入GPRS数据模块，指定的GPRS数据模块将当时的缓冲区数据送往上一级GPRS数据模块并同时将中心机下发的指令内容通过RS-232串口送入PLC。

力创 LQ8110 GPRS数据模块用于通讯功能时，由自由口通讯控制寄存器设置通讯控制字，指定PORT0为通讯口，选用自由口协议，PLC的串口由梯形图编程控制，以选定SIM卡号身份码（终端机地址），接口为标准RS-232接口协议。

PLC与无线力创 LQ8110 GPRS数据模块之间的通讯协议定义如下L

接收中机下发指令格式

24444802 00 00E1…E10…C

确认应答PLC报警信息格式

01XXXXB1B2B3…B10C

PLC主动上报信息格式

030000d1d2d3…d10C

PLC刷新数据模块数据缓冲区命令格式

040000d1d2d3…d10C

其中d1……d10是PLC上报的内容。C代表带报头累加校验和；E1、E2……是中心机下发控制指令的内容，字节数根据实际需要设定，指令以位置来区别；相应指令位置处为55H表示指令有效，非55H表示指令无效；B1、B2……是中心计算机下发的确认应答终端报警内容。

PLC接收指令及数据上报内容

PLC进行数据上报时，数据均以16进制形式传送，数据结构需事先定义。接收中心计算机下发控制指令的内容、确认应答终端报警指令内容、遥测遥信上报内容、统计数据上报内容及报警信息。指令内容：校时指令、年、月、日、时、分、秒、分闸指令、合闸指令、遥测遥信指令、统计指令、开机指令、工作指令、断信指令、断信自动重连指令、遥调指令、水位上限值、水位下限值、水压低限值；

4.结束语

本文主要介绍用PLC完成终端数据采集与处理、现场设备监控、数据通讯的全过程。

系统的技术可被推广应用到其它具有深水井的厂矿企业和城市自来水、煤气、下水道排水系统。PLC本身具有很强的抗干扰性、可靠性高；软件编程时采用了数字滤波、通讯累加校验和及纠错标志、安全连锁等措施进一步提高系统的抗干扰性，并且在现场对PLC运行情况进行了实验论证。系统建立后可实现在SIM卡信号覆盖范围内的远程通讯，节省了电缆，安装、维护方便，控制功能完善，安全可靠稳定，对于推动工厂自动化管理有重要意义。

【参考文献】

［１］R.G杰奎活特．现代数字控制系统，科学出版社，1985．

［２］陈春雨，李景学．可编程控制器应用软件设计方法与技巧，电子工业出版社，1992．

［３］常恒毅．可编程控制器，人民邮电出版社，1992．