基于5G網絡的加壓泵站遠程控制系統研究

鄭云龍

【摘要】? ? 本文提出了一種基于5G網絡的遠程控制應用。通過PLC實現加壓泵站的本地控制，再利用工業無線路由器的透傳功能實現PLC與上位機的遠程通訊，最終實現上位機對加壓泵站內設備的遠程控制。其特點是將通訊技術與自動控制技術相結合，實現對水泵運行、閥門開關的遠程控制以及對設備相關運行參數的實時監測，從而達到提高工作效率，減少維護人員，節約車輛費用的目的。

【關鍵字】? ? 加壓泵站? ? PLC? ? 工業無線路由器? ? 調度? ? 遠程控制

引言

近年來，工業4.0的概念引起了業界對未來工業發展廣泛深入的討論。作為繼以蒸汽機、大規模流水線生產、電氣自動化為標志的三次工業革命之后的第四次工業革命，工業4.0以數字化制造為核心理念，將推動互聯網技術深度參與生產過程，優化生產成本，縮短產品上市時間，提高生產靈活性，繼而全面提升制造業的競爭力。中國制造2025如何對接德國工業4.0，在國內供水行業，就體現為智慧水務平臺的建設。

隨著現代化水廠建設的不斷深入以及智慧水務建設的不斷發展，各級水廠、水司對生產、調度的智能化需求也不斷提高。不僅要對水廠內部的生產設備設施能夠進行實時監控，對供水管網上配套的泵站也提出了實時執行調度指令的要求。鑒于加壓泵站一般都距離水廠較遠，且無人值守，因此研發一種在水廠、水司的調度室就能夠遠程監控泵站運行的自控系統，就成為提高調度工作效率，減少維護人員，節約車輛費用的最佳選擇。

一、系統設計思路

當輸水管線較長、中途需進行增加以及從管網抽水向邊遠地區或地勢較高地區供水時，采用加壓泵站。加壓泵站的主要功能就是為供水管道提供二次加壓，根據供水量的變化，不斷調整供水壓力，使終端用戶的供水壓力盡可能保持恒定，滿足生產、生活用水需求。根據加壓技術分類，加壓泵站可以分為設有水塔加壓泵站、氣壓給水加壓泵站和變頻調速給水加壓泵站。本文討論的是變頻調速給水加壓泵站的遠程控制系統。

加壓泵站遠程控制系統就是為了解決操作人員距離泵站較遠，無法進行及時調度的需求而設計的，主要設計思路如下：

1）上位機組態軟件通過5G網絡遠程給下位機發送調度操作指令，期間經過工業路由器進行透傳轉發;

2）PLC負責接收指令，并控制泵、閥門等設備執行指令;

3）PLC采集設備運行參數并上傳給上位機組態軟件。

加壓泵站遠程控制系統采用三層架構實現，分別為：數據感知（指令執行）層、控制邏輯層和展示層。

1）數據感知（指令執行）層：負責執行上位機的操作指令，并反饋設備運行狀態給PLC。可以通過加壓泵、電動閥門等供水設備實現管網內供水壓力的提升;通過壓力變送器監測管網供水壓力;通過多功能電量表監測電流、電壓、功率等設備運行參數;通過攝像頭實現對泵房的實時視頻監控。

2）控制邏輯層：通過PLC來控制加壓泵的啟停以及運行頻率，閥門的開關;采集設備運行參數、報警信號等。通過浮球開關來自動控制潛水泵的啟停。

3）展示層：通過工業路由器的透傳功能，實現下位機數據的遠傳，并通過組態軟件進行展示。同時，上位機的控制指令也可以通過組態軟件下發到PLC執行。

二、下位機控制邏輯設計

下位機的控制邏輯主要依靠S7-200Smart PLC來實現。作為二種典型的自動化控制器，PLC 在工業自動化領域有著非常廣泛的應用。S7-200Smart是西門子公司針對中國小型自動化OEM（Original Equipment Manufacture，原始設備制造商）客戶需求進行本地化研發、本地化生產、本地化服務的戰略性產品，是新一代小型自動化體系的核心。同時，SMART也代表了經濟型自動化解決方案，它的富意在于簡單（Simple）、易維護（Maintenance-friendly）、高性價比（Affordable）、可靠（Reliable），以及上市時間（Time to market）短。下位機的控制邏輯主要包括4個方面：

1）加壓泵控制

分為就地和遠程兩種控制方式。就地控制不經過PLC，直接用按鈕控制泵的啟停，用電位器調節變頻器的頻率。遠程控制則通過上位機給PLC下發指令，再由PLC控制變頻器實現對泵的操作。加壓泵調節的效果通過壓力變送器的壓力變化進行反饋。

2）電動閥門控制

分為就地和遠程兩種控制方式。就地控制不經過PLC，直接用按鈕實現閥門上電，用智能光柱調節閥門的開度。遠程控制則通過上位機給定閥門開度，電動閥門故障時，PLC采集故障信號并上傳。

3）潛水泵控制

分為就地手動、就地自動和遠程三種控制方式。就地手動控制不經過PLC，直接用按鈕控制泵的啟停。就地自動控制則需要通過PLC來采集浮球開關信號，進而控制泵的啟停。遠程控制則通過上位機給PLC下發指令，再由PLC控制泵的啟停。

4）設備運行電參數采集與視頻監控

通過多功能電量表采集ABC三相電流、電壓以及設備運行總功率。在需要的時候，打開攝像頭隨時查看現場情況。

三、下位機與上位機通訊

1）Modbus RTU通訊

系統以PLC為從站，組態軟件為主站，采用Modbus協議的RTU模式通訊。Modbus是工業自動化領域使用最廣泛的通信協議之一，隨著電子、計算機和通訊技術的不斷發展，特別是物聯網以及“互聯網+”等概念的興起，Modbus通訊技術也從串行總線發展到了Modbus TCP。Modbus RTU+無線透傳就是為了適應遠程操作終端設備的需求而設計的。

2）工業路由器的透傳轉發

由于PLC的數據需要通過5G網絡無線傳輸，因此PLC本身沒有固定IP地址，需要通過工業路由器的透傳功能實現數據的轉發。數據轉發到工控機的固定IP地址后，由組態軟件負責接收和展示。同理，組態軟件下發的指令也由工業路由器轉發給PLC執行。工業路由器的COM服務參數設置中，主機ID是上位機識別下位機身份的識別碼;重啟時間、TCP/UDP無數據重啟服務、TCP/UDP無數據重啟路由等項目是為了保證設備正常運行設置的系統重啟時間間隔;客戶機模式需要指定上位機的IP地址和端口號;COM配置要求與PLC的串口通訊參數設置保持一致。

四、上位機設備運行監控

上位機的工控機要求專線接入互聯網，并配置固定IP地址。上位機的操作界面通過通用組態軟件實現（如ForceControl）。

1）IO設備組態

組態軟件與PLC通過Modbus RTU協議通訊。由于是通過5G網絡無線傳輸，可通過組態軟件自帶的網橋通訊方式實現數據的上傳與下發。

2）數據庫組態

基于已建立的IO連接，創建與PLC程序中的寄存器相匹配的點位表。

3）生產工藝流程組態

按照實際生產工藝流程搭建上位機操控界面，并將界面上所有的數據、動作與點位表中的點名綁定。通過點的數值的變化控制界面上設備狀態的顏色變化。

五、安全保障

為了保證泵站的運行安全，在系統設計階段就要全面的考慮各種可能出現問題的應對方法，并在技術方案中加以體現。比如：

1）接地：良好的“地”是處理EMC問題的基礎，需要保證接地系統是經過嚴格檢測的，并滿足國家標準，這樣所有的屏蔽、設備保護接地等可能連接到“地”，才能保證接地不會對系統產生負面影響。

2）防浪涌：控制柜要求加裝防浪涌模塊，并保證接地良好。降低電源或惡劣天氣引起的電壓不穩，進而燒壞設備的可能性。

3）熱保護：加壓泵前要求加裝熱保護模塊，防止水泵運行異常造成電流過大燒毀設備。

4）布線：規范的布線需將控制柜內分隔為不同的EMC區域。設計控制柜體時要注意EMC的區域原則，把不同的設備規劃在不同的區域中，每個區域對抗干擾度有不同的要求，區域在空間上最好用金屬殼或在柜體內用接地隔板隔離。

5）控制柜如果露天放置，要求柜體材料為304不銹鋼，并配置雙層柜門。

6）加裝視頻攝像頭，通過5G網絡能夠隨時查看現場情況。

六、結語

本系統基于5G網絡，通過數據轉發技術，按照生產工藝流程，實現了對泵站的遠程控制，使供水調度人員能夠及時的操控水泵的起停、調節泵的運行頻率，控制電動閥門的開關。在泵房被水淹時還可以自動啟動潛水泵排水，達到節省人力和時間的目的，從而為泵房的安全生產運行提供有力的支撐。

參? 考? 文? 獻

[1] 西門子（中國）有限公司編著，《深入淺出西門子S7-200SmartPLC》，北京航空航天大學出版社;

[2] 李亞峰、尹士君、蔣白懿編著，《水泵及泵站設計計算》，化學工業出版社;

[3] 楊更更著，《Modbus軟件開發實戰指南》，清華大學出版社。