摘要：针对传统水厂控制系统实时性差、布线困难、数据吞吐量小等问题，采用无线CSM/GPRS技术实现现场数据的有效传输，可以提高控制效果。考虑到环境恶劣，上位机不能完全控制终端，整个系统要求故障率低、可靠性高，因此提出了一种基于PLC控制的DCS系统。实验结果验证了该系统应用于自来水厂远程监控的正确性和可靠性。结果表明，基于CSM/GPRS和PLC的DCS系统可以实现供水系统的远程监控。
关键词：可编程控制器；监控系统；水厂送水泵房；应用分析
前言
DCS系统是一个多层次的计算机系统，它集过程控制和过程监控4C级计算机、控制、通信和显示于一体，可用于分散控制和集中管理各种网络设备。由于其高可靠性、高开放性、配置灵活、维护方便、控制功能完备等优点，它广泛应用于工业自动化领域。传统的远程监控系统，如单片机控制系统和集中控制系统，采用PLC控制现场设备控制单元，一旦PLC出现故障，整个系统就会瘫痪。第二，由于自动化程度的不断提高和系统的扩展，预计很快将对现场情况进行核查，随时随地提供及时有效的预警信息处理方法。鉴于此，基于GSM/GPRS无线通信和PLC控制的DCS系统能有效抑制上述问题，从而达到故障率低、数据吞吐量大、传输速度快、实时性好的目的，提高远程监控的自动化程度。
一、系统组成
泵站的主要控制装置是高压发动机、阀门和改进的电磁阀阀门。PLC通过控制柜、高压阀门等相关设备、仪表的微机保护系统，实时采集、分析、处理、输出控制设施，实时采集电流、电压、流量、余氯、浊度、水压、水等控制对象参数，并且分析、处理和输出实时的参数。采用PC机和WinCC组态软件，界面友好、灵活，便于对生产条件进行监控。PROFIBUS将PLC和PC机与其它领域连接起来、中央控制室和厂长室连接起来，形成工业控制网络。
二、系统功能
（1）生产设备操作及计算机监控过程，具有手动、单控、联控、自动控制功能；（2）远程设备的实时采集（如手动、自动、操作、故障等）；（3）对不同的数据和参数进行计算、分析和处理。（4）各功能模块的余量为10%，便于必要时对系统进行扩展；（5）总线工业现场总线用于监控计算机、可编程序控制器和变电站之间的网络通信，并可切换有限的变电站画面。（6）它可以与微机继电保护系统进行通信，实现不同的电气运行参数供系统使用。
三、硬件设计
（1）根据西门子对matics7-300 PLC的监控要求选择PLC模块及其模板配置如下图所示：
A：电源模块ps307 B：CPU模块CPU315-2DP C：通信模块cp343-5 D：数字输入模块s321 E：数字输出模块s322 F：模拟输出模块s331
（2）控制柜（PLC）设计
混凝土泵的工作条件和控制因素，如应用对象的重要性、净化设备供电回路的供电等，由于PLC电源容量小，仅有几百匹马力。为了满足继电器和中间设备的容量要求，PLC采集的所有数字信号与现场生产设备无直接关系，即：隔离措施构成一个单回路，既保证了系统的安全，又保证了所在地生产设备的安全。
四、系统软件设计
我们需要自己编写和开发三套系统应用软件。它们是：监控应用软件采用组态软件SIMATIC WinCC编程，该软件设计成基于标准PC硬件和windows98或操作系统的Windows控制中心，从而形成适合生产过程的优美流程图。
下位机软件使用。使用Simulate ctexp7工具软件进行编程。该系统可在个人计算机窗口下运行，界面友好、功能强大，具有调试和诊断功能。结构化功能块是通过图形组合程序实现的；通过阶梯和语言损失；重新编程语言。功能已调制，程序结构已准备就绪。有些程序可以通用化和标准化，以便于更改和错误检测。
根据监控系统的设计和要求，系统计算机与微机保护计算机之间的通信软件必须与微机保护系统进行数据交换，以保证：系统功能完善，功能正常。程序在Windows操作系统下用VI编程。
五、GSM / GPRS技术应用
在DCS移动通信系统中，由于其覆盖率高、保密性好、抗干扰性好、稳定性好、可靠性高、使用方便等特点，深受用户的喜爱。目前，中国已建成国家数字蜂窝移动通信网，可为用户提供语音、短信、通用分组数据业务等多种业务，非常受欢迎。在通信方面，水厂DCS系统主要采用GSM短消息业务。其机动性和快速性使监控人员能够及时了解和处理现场设备的各种紧急情况。同时，系统的GSM/GPRS业务始终在线，连接速度快，数据传输速度快，按流程收费也体现得淋漓尽致。系统的通信部分可分为三个部分：现场设备端、监控中心端和客户服务端。重点解决中心与远程监控分站之间的通信问题。现场设备端和监控中心端采用Mc52igsm/GPRS远程控制终端模块，客户服务端只需使用SIM卡和正常开户的手机即可。在GPRS分组业务未开通、网络信号不稳定的情况下，通过GSM/GPRS业务完成数据传输和控制。
六、基于PLC的水厂DCS系统
DCS的核心是可编程控制器（PLC）。PLC具有可靠性高、操作方便、灵活性强等特点。与传统的DCS系统相比，基于PLC的DCS系统具有系统配置灵活、成本低、稳定性好等特点。
在远程监控过程中，电磁阀由PLC控制，断电实现电动阀的启停。深井泵控制现场终端传感器流量、压力、水深等信号采集，控制设备终端的GSM/GPRS模块与监控中心终端和客服终端进行通信。
水厂DCS系统设备层有四个功能模块：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控制执行模块。它们是本领域PLC控制下的执行器传感器信号采集、控制和无线通信模块以及上位机与控制单元之间的通信，使中间控制上位机及时了解生产情况，有效地控制生产。
（1）远程流量监测模块
为了保证各工业单元的正常取水，水厂需要对各单元的供水流量进行实时监控。该模块采用超声波流量计进行流量监测。zrh-100型超声波流量计主要安装在大口径管道中，水表安装不易，现场环境复杂。上位机在软件的驱动下，每天7小时刷新采集远程流量，并对PLC采集的瞬时流量进行在线曲线趋势统计。
（2）远程水位监测模块
水厂需要实时监测水库水位的变化，以保证供水。因此，水厂采用mh7100分体式超声波液位计对水库水位进行监测。超声波液位计分辨率高（1毫米）。可通过RS485输出4-20mA模拟或数字信号。超声波液位计的安装如图6所示。该传感器工作垂直安装在水超声波液位计上，传感器发射超声波，声波反射液位传感器接收，仪器通过晶体管或磁收缩将其转换为电信号，通过发射和接收超声波液位计的脉冲时间来计算液位。
（3）网络压力监测模块
为了满足各机组的供水压力要求，水厂需要实时监测各机组的进水压力。DCS系统终端采用pt500-501传感器对管网压力进行监测。采用电阻应变计作为水压传感器的传感芯片。为减小非线性误差，应采用连续导电电桥结构。保证相应的压力和电压。
（4）PLC控制下的执行模块
解决方案模块是水厂DCS终端设备的关键，是PLC指令的执行者。执行模块是由PLC中的继电器、接触器等电气控制元件组成的自锁电路，用于控制超声波流量计、超声波液位计、管网压力传感器的供电状态，以及电动阀、压力泵、深井泵的开关状态。现场数据的计算、处理和指令的发布由PLC完成，数据的采集和反馈需要由执行模块控制。PLC可通过执行模块控制瞬时流量、累计流量、水位、压力等数据的采集，也可通过执行模块以指令的形式控制电动阀、压力泵、深井泵、给水泵的切换。
当系统正常运行时，执行模块根据指令控制现场设备在规定时间内采集的各种参数，并通过PLC对采集的参数进行处理，在PLC程序中进行计算和燃烧，并对参数进行比较。如果系统不满意，则表示发出的PLC和控制的可执行模块已完成。完成现场情况反馈，完成终端设备的周期性控制。
七、结束语
实践证明，水厂监控方案的建立，便于管理者及时掌握信息、历史数据和不同的水泵运行参数。为领导提供指导和决策依据分级，优化水厂调度运行管理，提供设备维护服务，有效提高水泵机组的自我保护功能，严格规范设备运行积累，防止误操作事故发生，确保安全经济运行得到了用户的高度评价。
参考文献：
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