礦山供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測系統(tǒng)研究

張宏飛， 司昌楠

（1.山西省煤炭運銷集團七一煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

引言

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)自動化的普及程度不斷提高，供水監(jiān)控系統(tǒng)的自動化程度也在不斷提高，供水監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是方便供水部門了解供水管網(wǎng)的整體運行情況，實現(xiàn)對供水管網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)測點數(shù)據(jù)實時采集。

傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，在管道結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在很多不足之處，供水管網(wǎng)布局不夠合理、管網(wǎng)分支數(shù)量多不易管理等現(xiàn)象，影響供水的集中管理和調(diào)度，建立完善的水源井與管網(wǎng)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)┧到y(tǒng)進行有效的管理，保障用戶的正常用水。

國內(nèi)外針對供水系統(tǒng)的研究發(fā)展了許多的成果，如文獻［1］設(shè)計應(yīng)用無線通信的GSM模塊，依托超聲流量傳感器技術(shù)來實現(xiàn)供水管網(wǎng)泄漏檢測，解決了供水泄露監(jiān)測問題；文獻［2］針對水源井群分布分散不易集中管理的技術(shù)難題，采用無線數(shù)傳技術(shù)，在覆蓋范圍內(nèi)將數(shù)據(jù)實現(xiàn)集中監(jiān)測，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程和就地控制；文獻［3］在供水監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用了泄漏識別技術(shù)，有效提高了供水系統(tǒng)的可靠性；文獻［4］針對城市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，提出采用GPRS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)了供水管網(wǎng)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。

1 總體技術(shù)方案

監(jiān)測分站單元進行數(shù)據(jù)采集，對現(xiàn)場管網(wǎng)流量參數(shù)、壓力參數(shù)、溫度參數(shù)、液位參數(shù)、電機電流參數(shù)等進行實時觀測，并通過模擬量輸入模塊輸送到采集控制分站。現(xiàn)場控制量信號通過開關(guān)量輸入模塊輸送到采集控制分站。控制分站發(fā)出的水泵電機開關(guān)信號和報警信號則通過開關(guān)量輸出模塊發(fā)出。現(xiàn)場還配備了觸摸屏實現(xiàn)對所有輸入?yún)?shù)信號及輸入?yún)⒘康娘@示。遠(yuǎn)程通信信號通過RS485信號與無線模塊連接，信號經(jīng)過空中傳輸以后，被監(jiān)控中心的無線模塊獲得，并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過RS232接口，通過GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)故障狀態(tài)的無線報警。監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)接口可實現(xiàn)與路由器的連接，借此連入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)供水監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖如下頁圖1所示。

2 硬件的設(shè)計與選型

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

供水系統(tǒng)主要由西門子S7－200型PLC、EM－231模擬量采集模塊、MCGS觸摸屏、以太網(wǎng)CP243－1模塊、華研工控機、數(shù)傳電臺、流量傳感器、電流傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、繼電器、12V和24V直流開關(guān)電源以及通訊線構(gòu)成。其核心部分為分站設(shè)計。分站PLC需要控制水源井水泵的啟停，需要采集傳感器發(fā)送給它的液位、流量、壓力、電流等參數(shù)。管網(wǎng)分站PLC需要控制管網(wǎng)閥門的旋轉(zhuǎn)角度，而且需要采集傳感器發(fā)送給它的液位、流量、壓力、電流等參數(shù)。壓力傳感器安裝在供水系統(tǒng)的特定管道上，電流傳感器安裝在水源井水泵供電的三相電上，液位傳感器安裝在水源井水泵的電機上，流量傳感器安裝在供水系統(tǒng)的特定管道上。通過傳感器檢測并采集數(shù)據(jù)，發(fā)送給分站PLC，PLC以無線數(shù)傳電臺的傳輸方式發(fā)送給主站PLC，然后通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，上位機對數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲。監(jiān)控中心只需要對現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送控制命令，控制現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)。每一臺供水管網(wǎng)分站，在分站PLC控制柜內(nèi)都裝有繼電器，能夠?qū)ΡO(jiān)測點的管道閥門進行旋轉(zhuǎn)控制，控制水量的大小，控制方式主要由手動和自動兩種，自動方式是監(jiān)控中心上位機軟件依據(jù)傳感器采集流量、壓力、累計流量等數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計，對供水需求的一種自動化響應(yīng)控制。每一個管網(wǎng)分站在硬件設(shè)計上安裝了兩個模擬量采集擴展模塊EM－231，能夠同時對8路模擬量進行數(shù)據(jù)采集，同時每個分站PLC都連接有8路繼電器，能夠?qū)?路監(jiān)測點進行實地控制。管網(wǎng)分站監(jiān)測點傳感器采集的數(shù)據(jù)信息主要包括：管道壓力、流量、計算累計流量等數(shù)據(jù)參數(shù)，所有數(shù)據(jù)采集功能都是擴展模塊EM－231實現(xiàn)的，控制功能則是通過PLC本身自帶的控制接口對繼電器進行控制實現(xiàn)的。控制分站PLC設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 分站硬件設(shè)計原理圖

管網(wǎng)分站在設(shè)計上結(jié)合實際需求，配有8路模擬量采集，每一路連接就地的傳感器，柜子里配有12V和24V直流電源來給數(shù)傳電臺和PLC模擬量模塊供電，柜子外接220V交流電源，在柜子內(nèi)配有浪涌保護器和空氣開關(guān)來保護整個系統(tǒng)正常運行。傳感器采集的信號為微弱電壓信號，通過傳輸保護線傳輸給PLC，PLC模擬量模塊對其進行處理，把采集到的信號轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號，PLC處理器把信號通過電臺發(fā)送出去。主站的結(jié)構(gòu)與分站基本類似，所不同的是設(shè)置了CP243－1以太網(wǎng)模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，工控機通過以太網(wǎng)連接主站，PLC通過CP243－1以太網(wǎng)通訊模塊與Internet網(wǎng)絡(luò)相連接，完成整個數(shù)據(jù)通信過程，獲得主站所有的數(shù)據(jù)信息，對主站數(shù)據(jù)信息進行Web發(fā)布。主站接受到數(shù)據(jù)，完成了整個處理過程。

流量測量選用的超聲波流量計，此種類型的傳感器不但可以監(jiān)測瞬時流量，而且可完成累計流量的測定，操作方便直接安裝在管壁上，就可以對流量進行監(jiān)測。本設(shè)計選用唐山大方匯中流量儀表有限公司的LCZ803超聲波流量計。

壓力傳感器采用PT401型號壓阻式傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、精度高、超低阻抗，過載能力大，具有靈敏度高、可靠性好等優(yōu)點。

上位機在選擇時考慮到連續(xù)工作時間長，需要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，散熱功能良好，存儲空間足夠大，運算處理速度快，我們選擇了華研工控機IPC－610／PCA－6010VG，配備22寸三星液晶顯示器。

數(shù)據(jù)采集部分選用了西門子EM－231模塊，該模塊是一款數(shù)據(jù)采集處理模塊。模塊內(nèi)部有著強大的處理功能，對采集的數(shù)據(jù)進行初次過濾，在超出數(shù)據(jù)處理誤差的數(shù)據(jù)進行濾除，而且能設(shè)置采樣頻率，對數(shù)據(jù)進行多次采樣，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該模塊是最長用的擴展模塊之一，實現(xiàn)了4路模擬量采集功能。

數(shù)據(jù)通訊硬件設(shè)備選擇上采用了數(shù)傳電臺，首先要考慮到它的硬件部分，硬件部分的設(shè)置關(guān)系到無線傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在使用之前要熟悉每個I／O口的意義，定義好每個I／O口，在數(shù)傳電臺使用前要對其進行寫頻設(shè)置，保證每一個電臺的頻率都在一個頻段內(nèi)，這樣才能確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)正常收發(fā)。本設(shè)計使用的是日精ND250型數(shù)傳電臺。

3 上位機監(jiān)控軟件

監(jiān)控中心的組態(tài)軟件在監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示、模塊化操作控制功能。操作人員在監(jiān)控中心可以直接查看現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，而且可以通過模塊化的控制對縣城設(shè)備進行操控。使用上位機組態(tài)軟件優(yōu)點是操作人員不需要編輯程序代碼，需要做的工作只是合理的配置參數(shù)，即可實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能。組態(tài)軟件可以讓操作人員對人機界面進行管理，設(shè)置輸出數(shù)據(jù)格式、采樣頻率、報表形式、曲線形式、報警形式等，而且允許在外網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)交互，使系統(tǒng)集成度更高。本系統(tǒng)的監(jiān)控中心配有一臺工控機，工控機內(nèi)嵌組態(tài)軟件為組態(tài)王軟件，該軟件人機交互功能強，能兼容市面上的多數(shù)硬件設(shè)備，內(nèi)置圖形庫豐富，而且能支持Web發(fā)布。本系統(tǒng)軟件設(shè)計包括對系統(tǒng)整體界面設(shè)計。系統(tǒng)報表顯示畫面，能夠動態(tài)地查看系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r顯示系統(tǒng)所有水源井的數(shù)據(jù)參數(shù)信息，每一個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)集中顯示，接收顯示PLC計算的累計流量，同時還能夠查看歷史數(shù)據(jù)報表，方便管理。利用組態(tài)王自帶的報表控件，在建立的畫面中拉出控件，選擇合適的窗口大小，在每一個參數(shù)框中對應(yīng)組態(tài)王中相應(yīng)的參數(shù)變量。

4 結(jié)語

本研究所設(shè)計系統(tǒng)集中了現(xiàn)場和遠(yuǎn)程配合的方式，對供水管網(wǎng)統(tǒng)一管理，在監(jiān)測點安裝測量傳感器，傳感器數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳電臺進行傳輸，數(shù)據(jù)被主站處理后通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C工控機，經(jīng)由組態(tài)軟件處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及Web發(fā)布，大大減輕了操作人員負(fù)擔(dān)，提高了供水系統(tǒng)效率。

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