供水管網遠程監控系統的設計與應用

吳明永，吳明亮，張 銳

（1.蘭州城市學院 培黎石油工程學院，蘭州 730070；2.蘭州理工大學 機電工程學院，蘭州 730050；3.蘭州城市學院 數學學院，蘭州 730070）

隨著我國經濟建設的高速發展，市區規模將越來越大，對工業和生活用水需求量也會日益增加，從而導致城市供水管網的覆蓋面積不斷擴大。為了確保供水管網壓力平衡、流量穩定，及時發現和預測爆管事故的發生，提高供水質量，需要供水企業對整個供水管網進行實時、準確地遠程監控[1]。由于供水管網存在管線復雜、各監測點分布廣泛、區域跨度大等諸多特點。若采用電纜布線通信方式與遠程供水調度監控中心相連，不但布線難度大、維護不方便、運營成本較高，而且長距離造成的信號干擾、衰減等通信不穩定性的問題就會大大增加。尤其在高度分散性的城市供水管網系統，取而代之的無線遠程通信方式，讓傳統布線方式所帶來的問題迎刃而解。可見，網絡化、無線化、遠程監控是當前供水管網監控系統發展的主要方向。

目前4G 無線通訊方式具有傳輸速度快、網絡覆蓋面廣、通訊信號強、維護成本低、不受距離限制、性價比高等優勢，得到廣泛使用，可以為供水管網的遠程監控提供便捷、可靠的通訊網絡平臺[2]。因此設計開發集診斷、監測、控制、管理于一體的供水管網遠程監控和維護管理系統，可以提高供水管網各區域監測點的數據傳輸速率和增大監控數據容量，為供水企業的生產調度、決策分析提供強有力的科學依據。

1 總體方案設計

根據城市供水管網測控特點，綜合考慮系統的可靠性、實時性、安全性、開發性、經濟性等方面因素后，按照分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便的設計原則，設計開發了供水管網無線遠程監控系統。整個系統主要由各個供水管網現場測控站、遠程監控中心、4G 無線通信網絡構成[3]，其系統結構如圖1 所示。現場測控站的下位PLC 通過RJ45 以太網接口與4G 無線通訊模塊（4G-DTU）相連，利用4G 無線通訊方式，無需固定IP 或綁定域名即可將各測控站的數據遠傳至監控中心，實現系統壓力、流量、濁度、余氯等參數監測，完成電動閥門啟停等控制任務。

圖1 系統構成Fig.1 System composition

遠程監控中心通過Internet 互聯網和4G 無線網絡接收管道壓力、流量等數據，進行管道數據分析、顯示、查詢、統計、報表打印等功能[4]，同時支持手機、平板等移動設備訪問各測控站數據，實現各測控站的無人值守、遠程監控。

在遠程監控中心的計算機上安裝4G-DTU 客戶端軟件和虛擬網卡驅動。通過客戶端軟件對4G-DTU的相關參數設置（主要設置賬號和密碼）后，并將虛擬網卡與現場PLC 的IP 地址設置在同一個網段上，相當于一根無限長的網線把遠程計算機和現場PLC 連接起來，使得遠程計算機和現場PLC 同處在一個虛擬局域網內，這樣可以遠程對PLC 的用戶程序進行上傳、下載和調試[5]。

2 系統硬件設計

每一個供水管網現場測控站都配置了結構緊湊、功能強大的西門子S7-1200 系列PLC，中央處理單元采用CPU1214C，該CPU 集成了一個PROFINET通信接口，支持基于TCP/IP 通信協議的工業以太網，通過交叉網線將4G-DTU 互連到以太網RJ45 接口上，將各測控站的現場運行工況數據通過4G 網絡遠傳到調度監控中心，并等待監控中心的數據處理和命令下發，實現遠程監控及綜合調度[6]。利用CPU1214C集成的數子量通道和模擬量采集模塊SM1234 完成現場測控設備的數據采集和控制任務，如圖2 所示。觸摸屏通過RS485 模塊CM1214 進行串口通信，實現對管網中的壓力、流量、濁度和余氯等過程參數實時監測與處理，完成電動閥門實時控制、故障診斷、報警等功能。

圖2 供水管網現場測控站硬件構成Fig.2 Hardware composition of field monitoring station of water supply pipe network

3 系統軟件設計

3.1 現場測控站程序設計

系統采用西門子博圖軟件（TIA）作為供水管網現場測控站的軟件開發平臺，完成網絡和硬件組態、編寫程序、在線測試和診斷等任務。

在博圖軟件的項目視圖中依次添加PM1207 電源模塊、CPU1214C 處理器模塊、SM1234 信號模塊和CM1241 RS485 通信模塊，并設置相應模塊參數。在CPU 的屬性中，設置S7-1200 的IP 地址，便可建立遠程計算機與S7-1200 的TCP/IP 通信連接，遠程計算機便在前面配置的虛擬局域網內直接執行PLC項目的下載、上傳、監控和故障診斷等任務[7]。

現場PLC 除了實時監測供水管網的瞬時流量外，還需要對管網流量進行累積運算，方便企業進行數據分析和成本核算，為管理決策提供依據，實現經濟調度。

3.1.1 采集瞬時流量

首先將流量計輸出4～20 mA 對應的瞬時流量（m3/h）電流信號接入S7-1200 PLC 的模擬量輸入模塊，經13 位模數（A/D）轉換后，轉換為5530～27648數字量，然后在博圖軟件中按照流量計所對應的量程對該值進行工程換算，得到瞬時流量值。

3.1.2 計算累積流量

累積流量的程序設計是在S7-1200 的周期循環中斷組織塊OB200 中完成。通常情況下中斷周期越短，累積誤差就越小，經綜合考慮精度和響應速度后，設置OB200 的中斷周期為100 ms 作為流量累積的采樣時間間隔。首先將瞬時流量（m3/h）除以36000，得到以中斷周期（100 ms）為單位的瞬時流量（m3/100 ms）值，然后根據時間間隔法（即積分運算法），將每個100 ms 時間段內這些瞬時流量累加起來，從而得到累積流量值。同時系統還設置了最大數值和手動觸發2 種方法對累加器進行復位清零操作，其程序設計如圖3 所示。

圖3 累積流量程序設計Fig.3 Cumulative flow program design

3.2 遠程人機界面設計

本系統使用西門子監控軟件WinCC 作為遠程監控中心的開發平臺，完成供水管網流量、壓力等運行參數的采集、處理、分析、管理、統計、故障報警及報表打印等功能，操作人員可以通過導航界面進入到各個管網測控站的監控界面，進行動態參數查詢和遠程控制現場設備。

系統采用WinCC/WebUX 軟件實現智能手機對供水管網無線遠程監控功能，WebUX 設計過程大致如下：

（1）利用WebUX 組態器創建網站，并在Internet信息服務（IIS）管理器中綁定該網站的IP 地址[8]；

（2）在WinCC 圖形編輯器中創建監控畫面，并將畫面屬性設置為Web 瀏覽器可訪問；

（3）在WinCC 用戶管理器中創建或設置WebUX的用戶。在用戶屬性中激活“WebUX”選項，然后選擇要發布的WebUX 起始畫面；

（4）在激活WinCC 項目后，智能手機打開Web瀏覽器（支持HTML5），輸入WebUX 站點的地址，然后在彈出的登錄界面中輸入相應的用戶名和密碼，就可以瀏覽到所發布的監控畫面，其監控畫面如圖4 所示。

圖4 智能手機監控界面Fig.4 Smartphone monitoring interface

3.3 管網泄漏監測

鑒于管道進、出口都裝有壓力變送器和流量計，綜合運用壓力波動和流量平衡法進行管網泄漏監測是較為可行的方案[9]。

系統首先根據管道內壓力變化曲線，找出壓力波動時發生管道泄漏的臨界值δ，然后將1 min 之前的壓力值Pi與1 min 后的壓力值Pi+1作周期性差值運算（即每分鐘都執行1 次壓力差值運算），進而取絕對值：。當時，即可定位出管道泄漏點的大致位置；當時，可能出現泄漏量微小，存在壓力變化不敏感的情況，系統再根據管道兩端的流量差值與泄漏門檻值比較。如果在一定的時間內流量差值超出了門檻值，將發出泄漏報警，同時將泄漏信息上傳至WinCC 報警系統，報告此段內可能存在泄漏點，指導工作人員去巡查。

4 系統測試

為了驗證系統的穩定性和測量精度，選取現場壓力變送器和流量變送器的顯示值作為理論真值，從遠程人機界面上的壓力和流量顯示值作為實際測量值，其實驗數據如表1 所示。

表1 實驗數據Tab.1 Experimental data

由表1 進行計算可知，壓力的最大示值誤差為0.01 MPa，最大相對誤差為1.5%，流量的最大示值誤差為-1.3 m3/h，最大相對誤差為-1.6%，監控系統所要求的最大相對誤差為±2.5%，故滿足系統穩定性和測量精度要求。

5 結語

本文針對供水管網跨區域特點，設計開發了供水管網遠程監控系統，利用4G 無線網絡不受時間、距離以及地理位置的限制，克服由于測控站分布廣泛而帶來的數據無法統一監測和管理的缺點，實現供水管網的遠程、多點、同步、實時的現場數據傳輸和設備監控，為供水管網的經濟調度提供了科學依據。