【正文】 的遠(yuǎn)程控制 1 前 言 水對人類生存來說是非常重要的資 源，我國的淡水資源實(shí)際上是非常緊缺的，全國城鎮(zhèn)中有 1/2 甚至 2/3 的用水都要依賴地下水資源供給，有的城市用水甚至完全依賴地下水。由于水 資源 控制 利用 的相對滯后，特別是自動化控制設(shè)備方面 研究 的 落后 ，使水資源得不到充分的利用，從而進(jìn)一步 加劇了水資源的短缺。因此研制能滿足排放要求、處理效果好、運(yùn)行費(fèi)用低和國產(chǎn)化程度高，且具有先進(jìn)的自動控制系統(tǒng)的水 資源 控制處理 系統(tǒng) 設(shè)備隨在眉睫。 對于自來水公司供水系統(tǒng)的研究，國內(nèi)外自上個世紀(jì) 70年代以后，特別是變頻器技術(shù)的發(fā)展在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用以來，在恒壓變頻供水上國內(nèi)外做過大量的研究 和應(yīng)用，即便在國內(nèi)的自來水公司，越來越多的企業(yè)開始重視恒壓供水和遠(yuǎn)程監(jiān)控的作用，也做了大量的工作?；诠I(yè)以太網(wǎng)下的恒壓供水系統(tǒng)是目前自來水公司的一大熱點(diǎn)，也是未來自來水公司的一大發(fā)展趨勢。供水系統(tǒng)的總線技術(shù)上的遠(yuǎn)程控制，無線數(shù)據(jù)傳輸通訊，變頻控制等在國內(nèi)外的應(yīng)用也越來越普及。但國內(nèi)現(xiàn)有的自來水公司目前還幾乎沒有將水泵電機(jī)分時段按照用電谷段進(jìn)行自動遠(yuǎn)程變頻控制。 為了滿足日益增產(chǎn)的用水量的需求，本系統(tǒng) 根據(jù) 自來水廠 的實(shí)際情況 為此自來水廠安裝了 一套基于無線數(shù)字傳輸電臺的 自動控制 網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)以便于 能 及時迅速的了解 和 控 制遠(yuǎn)端管道及閥門。不同于一般的控制系統(tǒng)，這種新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅降低了故障率和檢修的時間，也降低了停水次數(shù)，提高了對系統(tǒng)的反應(yīng)時間。網(wǎng)絡(luò)安裝了遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸電臺 ND250A用于傳輸各點(diǎn)的實(shí)時管道壓力、水流量的數(shù)據(jù)與閥門的開關(guān)狀態(tài)到水廠的運(yùn)行中心。當(dāng)一個遠(yuǎn)端出現(xiàn)故障時，中心點(diǎn)會通過無線傳輸回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到出故障的地點(diǎn)，從而能在最短的時間內(nèi)解決問題，恢復(fù)供水，提高了整體的服務(wù)水平，從而實(shí)現(xiàn)了水廠的信息化、現(xiàn)代化。 本課題在廠區(qū) 的主 控室組建數(shù)據(jù)采集監(jiān)控控制系統(tǒng)，在各水源 地 傳送點(diǎn)組建分站，根據(jù) 管道壓力、水流量的數(shù)據(jù) 與閥門的開關(guān)狀態(tài)等情況 對水泵實(shí)現(xiàn)變頻控制，當(dāng)水資源不充分時低頻運(yùn)行或者自動停止電機(jī)。操作人員在主控室即根據(jù)系統(tǒng)的上位機(jī)所顯示的數(shù)據(jù)信息情況來監(jiān)測各水源地分站現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。同時，根據(jù)廠區(qū)蓄水池的蓄水量給出水源井深井泵的調(diào)度信號；當(dāng)出現(xiàn)現(xiàn)場故障時能及時停泵，并給出報警、保護(hù)信號，實(shí)現(xiàn)供水的統(tǒng)一調(diào)度。系統(tǒng)具有就地和遠(yuǎn)程兩種控制方式，各水源地深井泵通過電氣控制柜上的選擇開關(guān)，可以選擇就地控制方式或遠(yuǎn)程控制方式。遠(yuǎn)程控制是通過主控室的 PLC 主 操作站控制深井泵的啟停，就地控制是用控制柜上的按鈕控制泵的啟停。當(dāng) PLC 或無線數(shù)字傳輸電臺處于編程狀態(tài)或出現(xiàn)故障時可以采用就地控制方式。就地和遠(yuǎn)程控制方式相互切換不會影響深井泵的運(yùn)行。其控制優(yōu)先等級為：現(xiàn)場手動→中央手動→中央自動→現(xiàn)場自動。在每臺深井泵的出口都裝有壓力變送器測量水泵出水壓力，當(dāng)出水壓力過低時，說明深水井無水或深井泵故障，或現(xiàn)場電源系統(tǒng)出現(xiàn)缺相、過載的情況聯(lián)鎖自動停泵等原因。 主分自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 2 站 將通過巡檢把故障信號采集到主控室給出報警。 無線數(shù)據(jù)傳輸采集監(jiān)控系統(tǒng)可分為 “ 1+5” 個分站 的形式 ， 一個分 站設(shè)在廠區(qū)供水設(shè)施主控室， 另外五個 分站分別設(shè)在各水源地 的 泵房。 主分站 對各分 站進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù) 采集 的方式， 并 通過數(shù)據(jù)傳輸電臺 日精 ND250A將各水源地現(xiàn)場 PLC所檢測到的信號 送入 主分站 進(jìn)行相關(guān)的控制與管理 ；分站控制系統(tǒng)采用西門子 S7200系列 的相關(guān)產(chǎn)品 和 變頻器對水泵電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，同時 分站控制系統(tǒng) 也 通過數(shù)據(jù)傳輸電臺 日精 ND250A和主 分 站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，分站接收 主分站 發(fā)送過來的命令或者相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，分站的數(shù)據(jù)發(fā)往 主分站 控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn) 主分站 對各分站的監(jiān)控和記錄。 控制系統(tǒng)采用了由 PLC、數(shù)據(jù)傳輸電臺、天線和工控機(jī)等組成的二級分布式計算機(jī)集散控制系統(tǒng) ，其中： 1. 泵房： 各 個水源 地 設(shè)一套現(xiàn)場控制 柜 , 包括 西門子 S7200系列的 PLC、變頻器、ND250A數(shù)據(jù)傳輸電臺以及水源井出水流量、壓力 傳感器及變送器 和電機(jī)電流檢測儀表。 2. 操作站： 中心控制室由一臺工控機(jī)、一套 PLC 設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸電臺等組成 。系統(tǒng)通過對廠區(qū)蓄水池的水量及水源地的儲水量情況，對各個水源地發(fā)出相應(yīng)的調(diào)配信號。 工控機(jī)選用研華公司的工業(yè)控制計算機(jī)， PLC 選用西門子公司的 S7200 系列，監(jiān)控軟件選用 MCGS 組態(tài)軟件，上位機(jī)與 PLC 之間通過 自由端口 進(jìn)行通信，可通過上位機(jī)的控制界面實(shí)現(xiàn)對控制對象的實(shí)時監(jiān)控功能 , 實(shí)現(xiàn)了對水廠各個系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測，以及對歷史數(shù)據(jù)的記錄和對相關(guān)被控對象的報警等相關(guān)功能。調(diào)速變頻器采用西門子 MicroMaster430 型變頻器，該變頻器適用于各種變頻驅(qū)動裝置，由于其操作靈活，所以在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其適用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機(jī)。 自來水廠水 的 生產(chǎn)系統(tǒng)是一個多變量（如流量、溫度、壓力等）多任務(wù)（如水的輸送、投藥 /加氯控制、格柵與排泥控制 、濾池控制、出水泵起 /?？刂?、壓力控制、數(shù)據(jù)管理等）多設(shè)備（如電機(jī)、閥門、泵等）并具有時變性、耦合性和隨機(jī)性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。 本課題中的 自來水廠按功 能分為兩部分，一部分是水源地；另一部分是水廠區(qū)，二者分 散 分布，且相距較遠(yuǎn) 。水廠區(qū)的任務(wù)是對水池的水進(jìn)行消毒處理后，通過加壓泵向市區(qū)管路進(jìn)行恒壓供水；而水源地的任務(wù)是通過 五 個 深井泵 組 對水廠區(qū)的蓄水池進(jìn)行供水 ，這是本課題研究的主要內(nèi)容 。 本自來水公司的抽供水系統(tǒng)是在無線數(shù)字傳輸電臺 日精 ND250A的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)場儀器儀表數(shù)據(jù)信息的采集和監(jiān)控，運(yùn)用 PLC 控制系統(tǒng)及 變頻控制的方式 實(shí)現(xiàn)對該公司分散在幾公里范圍內(nèi)的五個水源地的 儲水量情況進(jìn)行監(jiān)測與控制，并通過廠區(qū) 主分站 的上位機(jī) 實(shí)時 地 顯示情況 ，并 對廠區(qū)蓄水池的蓄水量狀況 進(jìn)行水源地抽水量的調(diào)配控制。 其監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 01 所示： 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 3 圖 01 自來水廠的系統(tǒng)監(jiān)控圖 整個監(jiān)控系統(tǒng)由位于水廠區(qū)的上位 PC 機(jī)、 主分站 PLC 和 五 個 水源地的 五 個從站 PLC構(gòu)成（見圖 1）。上 位 PC機(jī)通過與 主分站 PLC 相連 完成 對 整個系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)處理及計量等工作。 主分站 PLC 完成兩方面任務(wù)，一是水廠區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集；二是與水源地的 五 個從站進(jìn)行通信，完成水源地現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與深井泵的控制 ；同時在系統(tǒng)抽供水的過程中，還要考慮本市用電時段的波峰波谷情況，從自來水公司的經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行考慮 （這主要通過 PLC 編 程來實(shí)現(xiàn)） 。 監(jiān)控系統(tǒng)的 主分站 和從站 PLC 都選用西門子 S7 系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是有較強(qiáng)的是有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力。 S7 系列 PLC 通常有四種組網(wǎng)方式：點(diǎn)對點(diǎn)、 MPI多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、 PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 4 第 1 章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 數(shù)傳電臺 日精 ND250A 在 本 系統(tǒng)中，由于各管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)具有分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)、個別地點(diǎn)地處偏僻、環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，所以選擇有線通信顯然不切合實(shí)際。與之相比，利用 SCADA 系統(tǒng) 則顯得非常靈活，它具有投資少、建設(shè)周期短、實(shí)時性 可靠性高、運(yùn)行維護(hù)簡單等特點(diǎn)，而且同其它傳輸設(shè)備相比具有非常高的性價比。 圖 11 日精 ND250A SCADA 系統(tǒng)主要傳輸途徑是無線數(shù)傳電臺 。 無線 數(shù)傳電臺是集 無線通訊技術(shù)、無線調(diào)制解調(diào)技術(shù) 和 計算機(jī)控制技術(shù)為一體 的 高技術(shù)產(chǎn)品 ， 作用是建立雙向無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路 ，特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量小、傳輸距離遠(yuǎn) 。其 工作頻率大多使用 220240MHz 或 400470MHz 頻段，具有數(shù)話兼容、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性好、專用數(shù)據(jù)傳輸通道、一次建設(shè)投資、沒有運(yùn)行使用費(fèi)、適用于惡劣環(huán)境、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。有效覆蓋半徑約有幾十公里，可以覆蓋一個城市或 一定區(qū)域。 綜合各方面的因素，我們在本課題的系統(tǒng)中采用 日精系列的 ND250A 產(chǎn)品 ，該產(chǎn)品采用微處理器和先進(jìn)的數(shù)字信號處理 DSP 芯片，借助 DSP 技術(shù)以軟件的方式實(shí)時地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的無線數(shù)字調(diào)制解調(diào)算法、快速自適應(yīng)均衡算法和前向糾錯算法，從而保證了在各種惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸性能的穩(wěn)定性和一致性，克服了傳統(tǒng)的用硬件實(shí)現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)器因溫度變化或是環(huán)境惡化帶來的性能下降的缺點(diǎn) 。如圖 11 所示： 日精 ND250A 等系列的數(shù)傳電臺是日本原裝產(chǎn)品，有國家信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局頒發(fā)的“型號核準(zhǔn)證”，出廠標(biāo)準(zhǔn)符合歐洲工 業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的，并且是環(huán)保產(chǎn)品（無鉛，符合歐洲 RoHS 環(huán)保指令），所有技術(shù)指標(biāo)完全符合甚至高于國家標(biāo)準(zhǔn)，日精的 ND889A、 ND886A、ND250A 系列數(shù)傳電臺是目前唯一通過中國國家電科院測試并允許在電力系統(tǒng)自動化系統(tǒng)中使用的超短波數(shù)傳電臺，因為電力部門涉及到用電控制問題，關(guān)系到用電安全，因此對電臺的可靠性及技術(shù)指標(biāo)要求高于相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，尤其是對高低溫環(huán)境特性及電磁兼容性（抗干擾）指標(biāo)的要求非常高。日精電臺特別適合于在非常嚴(yán)酷環(huán)境下穩(wěn)定工作，如強(qiáng)電自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 5 磁場（變壓器 及泵站旁）、高溫（如寶鋼的煉鋼車間的運(yùn)送鋼水的小火 車遙控遙測，克拉瑪依油田油井監(jiān)控）、低溫（如大慶油田、東三省的電力負(fù)監(jiān)控系統(tǒng)）、潮濕（如水利防汛自動化系統(tǒng)）。 另外，其通信配套產(chǎn)品，如天線、饋線、電源、避雷器、高頻接插件、串口連接線、防水膠帶等等也一應(yīng)俱全，與電臺的匹配非常好。日精電臺功耗非常小，守候電流是一般同類產(chǎn)品的產(chǎn)品的 1/3 不到，發(fā)射電流也要低 30%以上，因為完全是 FET 而不是晶體管產(chǎn)品。其 產(chǎn)品特點(diǎn) 為 ： 1. 信道速率具有自適應(yīng)功能 。能自動識別發(fā)送方所采用的信道速率 ,正確地解調(diào)各種速率的信號；因而通信網(wǎng)中的 主分站 或各個子站可以根據(jù)實(shí)際的通信環(huán)境或 遠(yuǎn)近采用不同的通信速率，整個通信網(wǎng)不需要統(tǒng)一采用同一速率，這樣同時兼顧了通信的可靠性和有效性 。 2. 采用高速數(shù)字信號處理 DSP 技術(shù) ， 在 常規(guī)的窄帶超短波 電臺 的有效 帶寬 內(nèi) 實(shí)現(xiàn)高速 (19200/9600/4800bps) 數(shù)字信號的傳輸 ，而且可以用常規(guī)的模擬中繼臺直接進(jìn)行中繼 ，擁有 EIA RS232C/RS485 的數(shù)據(jù)接口，與 PLC 可以通過特制的 數(shù)據(jù)線來通信 。 3. 采用快速自適應(yīng)均衡技術(shù)以消除在傳輸 過程 中由于多徑、（中繼）群延時引起的波形失真、混迭以獲得最佳的接收性能 ，解調(diào)靈敏度高， 誤碼率優(yōu)于 106 4. 超強(qiáng)的前向糾錯 GF(256)ReedSolomon 碼和交織算法的結(jié)合，在惡劣的通信環(huán)境中保障了通信的可靠性 ； 設(shè)計有 Watchdog 以防止在工業(yè)環(huán)境中的干擾造成意外死機(jī) ；環(huán)境溫度范圍達(dá)到 40℃～ +70℃ ， 滿足設(shè)備在野外惡劣環(huán)境中的可靠運(yùn)行 。 5. 支持 AT指令，用戶可用軟件對 數(shù)傳電臺 的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置 ； 高度集成化、智能化，采用 全透明數(shù)據(jù)流通信方式時，延時小，能夠與 PLC、 PC及其他 各種不同的數(shù)據(jù)終端 的通信協(xié)議無縫配合 ； 支持系統(tǒng)程序的現(xiàn)場升級， 數(shù)傳電臺的固件程序可以通過串口線升級。 P L C 控制 P L C 的概述 PLC 即可編程控制器（ Programmable logic Controller） ， 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 1. 開關(guān)量的邏輯控制 ： 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 6 電鍍流水線等。 2. 模擬量控制 ： 在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。 PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編 程控制器用于模擬量控制。 3. 運(yùn)動控制 ： PLC 可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動控制模塊。如可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。 4. 過程控制 ： 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機(jī)， PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用 得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC都有 PID 模塊，目前許多小型