基于GPRS網(wǎng)絡的水源井控制器

北京安控科技股份有限公司 史衛(wèi)華

1 概述

目前中國北方大部分水廠采用水源井取水方式，即每個水廠有多口水源井抽取地下水，然后通過輸水管道把所抽取地下水送入水廠，經(jīng)處理后供給市民。

由于生產(chǎn)工藝落后，水源井的啟?？刂拼蟛糠诌€依靠人工完成。且水源井分布比較分散，遠離市中心，單純依靠人工定時啟停水源井，無法在關鍵時刻對水源井進行控制，并且無法實時了解水源井的工作狀態(tài)，經(jīng)常發(fā)生水源井燒泵的現(xiàn)象。

隨著技術水平的提高及GPRS網(wǎng)絡的普及，越來越多的水廠開始考慮采用基于GPRS的水源井控制器統(tǒng)一對各個水源井進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。水源井控制器采用RTU（Remote Terminal Unit 遠程終端控制器）加GPRS通訊模塊，并根據(jù)水源井的工作特點編寫相關的控制器程序即可實現(xiàn)以下功能：水源井水位測量、出水壓力測量、三相電參數(shù)測量、遠程啟?？刂啤缶C控制等功能。

它實現(xiàn)了工人在值班室（監(jiān)控中心）即可查看各個水源井的運行參數(shù)，啟停水源井，及時關停故障水源井，從而大大減小了工人的勞動強度，節(jié)約了水源井的維護成本，提高了工作效率。

2 水源井控制器的功能

水源井控制器是跟據(jù)中國北方水廠的生產(chǎn)需求提出的。它至少應滿足以下要求：

（1）可以適用于中國北方的大部分環(huán)境

中國北方的很多城市如大慶、哈爾濱在冬天時可以達到-40℃。因此要求水源井控制器可以適應北方的低溫環(huán)境。

（2）可以實現(xiàn)水源井的基本控制和測量功能

水源井控制器應至少具有以下功能：測量水井水位、測量水井出水壓力、測量水井出水流量（預留）、測量水泵的三相電壓、三相電流、可根據(jù)三相電參數(shù)對水泵進行保護、遠程控制水源井啟停。

（3）通訊設備選擇

由于GPRS通訊方式無需申請，無需架設天線塔架，因此水源井控制器從安裝成本上考慮采用GPRS通訊方式與調(diào)度中心進行通訊。

（4）通道的數(shù)量要求

控制器的I/O接口數(shù)量要滿足水源井的需求：至少具有4AI（采集常規(guī)儀表的4~20mA信號）、具有6個DI信號（測量水泵的運行狀態(tài)、泵房的門狀態(tài)、變頻器狀態(tài)信號、報警信號等。）、4個DO（可以控制兩個泵的啟停）、兩個RS232/485接口（一個與GPRS通訊，另一個和電量模塊通訊）。

（5）便于快速安裝

水源井控制器一般都是批量使用的，因此要便于用戶安裝。

3 水源井控制器選型

根據(jù)產(chǎn)品的功能分析，我對水源井控制器所采用的核心部件進行了選型和設計。

3.1 主控制器的選擇

目前的水源井控制器有小型PLC和一體化RTU兩種方案可以作為水源井控制器的主控制器。安控科技生產(chǎn)的Super32-L系列RTU非常適合于這種應用并且相對于PLC有以下優(yōu)勢：

（1）小型PLC主要用于機械生產(chǎn)領域，且主要用于室內(nèi)，一般的溫度范圍0℃~40℃，不適用于大慶、哈爾濱等北方的環(huán)境。而RTU主要、應用于野外獨立的場所溫度范圍可達-40℃~70℃（安控科技的Super32系列RTU）。

（2）PLC為了降低生產(chǎn)成本，接口較少，且只支持本公司的通訊協(xié)議。不便于接入監(jiān)控網(wǎng)絡。RTU一般接口較多，且支持標準的MODBUS協(xié)議，便于接入SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）系統(tǒng)。

水源井控制器采用Super32-L201 RTU作為水源井控制器的核心控制器。它具有6AI、8DI、4DO、1RS232、1RS232/RS485、1以太網(wǎng)接口。

3.2 DTU的選擇

作為水源井控制器的通訊部分，DTU的選擇關系水源井控制器是否能支持多種SCADA軟件。

首先，DTU要可以在東北使用。其次，可以接入大部分的國產(chǎn)SCADA軟件。綜合以上原因我們選擇了宏電科技的7110系列DTU，它有本種DTU，即華為芯片DTU（溫度范圍-10℃~45℃）MOTOROLA芯片DTU（-35℃~70℃）。在東北可根據(jù)地域不同選擇西門子芯片和MOTOROLA芯片的DTU。并且宏電和國內(nèi)多家組態(tài)軟件廠家有過合作關系，即在組態(tài)軟件內(nèi)嵌DTU的驅(qū)動程序，用戶無法開發(fā)驅(qū)動。因此我們選擇宏電的DTU。

3.3 其它硬件的選擇

水源井控制器除RTU及DTU外，還要有以下部件：電源、電量模塊、開關、端子等附件。它們的選擇原則先是可以在北方的大部分地區(qū)使用，其次滿足設計功能要求。

3.4 水源井控制器的硬件設計

根據(jù)對多個水源井現(xiàn)場的考查，水源井控制器的體積要盡可能的小，如有必要可以裝入水泵啟動箱。經(jīng)過多個水廠的考查水源井控制器的機箱外形尺寸最終定為300×450×180（mm）。這個尺寸可以放入大部分現(xiàn)有的強電控制箱，也可以直接安裝在水源井泵房。水源井控制箱底部開4個直徑30mm的接線孔。

考慮到很多水泵采用三相三線制供電，無法直接取得220V市電，因此有必要在水源井控制器內(nèi)部安裝一個380V轉(zhuǎn)220V變壓器。變壓器的功率要足夠整個設備的使用。RTU功耗大約2W、DTU最大功耗12W、電量模塊1W、儀表功耗2W，整體功耗大約17W，再加上儲備，選擇40W的變壓器。

RTU通過COM1口與電量模塊進行連接，并通過MODBUS協(xié)議讀取電量模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)。電量模塊選擇安控科技生產(chǎn)的E306電量模塊，它可以采集三相電壓、三相電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

水源井控制器的外接儀表部分，每個儀表通道單獨配置一個0.5A的保險。防止在更換儀表，或儀表接線時因意外短路損壞電源。

3.5 水源井控制器的軟件設計

軟件是水源井控制的核心部分。它決定了水源井控制器的控制水平。水源井控制器的軟件共有以下幾部分。

3.5.1 數(shù)據(jù)采集部分

水源井控制器采集的儀表信號為4~20mA電流信號。信號進入RTU后轉(zhuǎn)換為10000~50000的通道值數(shù)據(jù)。RTU根據(jù)以下公式把電流信號轉(zhuǎn)換為測量工程值。

工程值=（（通道值－10000）/40000）×（儀表量程上限－儀表量程下限）。

最終以實時數(shù)據(jù)形式存放于寄存器中。每個工程值占用兩個16位的寄存器地址。

3.5.2 電量采集部分

水源井控制器的電量采集由電量模塊完成。要測量三相電參數(shù)需要外部接入電量模塊10根線。測量結果存于電量模塊的寄存器中，并且電量模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)不能直接使用，要根據(jù)RTU設定的互感器變比K進行計算后才能得到最終的計算數(shù)據(jù)。

電量模塊所得的數(shù)據(jù)存放在40001~40040寄存器中。這些數(shù)據(jù)包括：各相電壓、各相電流、各相功率、功率因數(shù)、總功率、視在功率、有功功率、無功功率等參數(shù)。

要讀取這些數(shù)據(jù)，首先要在RTU中設置電量模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)地址、互感器的變比。然后讀取相關的數(shù)據(jù)，并把計算后的數(shù)據(jù)存放在Super32-L201中。

3.5.3 水源井控制器的控制部分

水源井控制器通過Super32-L201的COM2口與監(jiān)控中心通訊，接受監(jiān)控中心的命令。水源井控制器可以通過遠程指令啟停。

水源井的電機采用點起或點停的方式進行控制，即RTU檢測到中心啟動指令后控制啟動繼電器吸合，當檢測到電機已啟動或吸合時間超過3秒，啟動繼電器斷開。RTU檢測到中心停指令時，控制停繼電器吸合，當檢測到電機已停運或吸合時間超過3秒，控制停斷電器斷開。

水源井控制器除接受遠端控制，還可以進行本地保護控制。

（1）定時啟停

由于居民的用水量在各個時間段表現(xiàn)差異很大，水源井控制器可以根據(jù)設定的時間段進行啟停控制。一臺水源井控制器最多可以設定五個時間段。這樣部分低產(chǎn)水源井可只在用水高峰期開啟，其它時間段停機。

由于很多城市采用分時電價，定時啟停也可以控制水源井在低電價時工作，儲滿蓄水池，在高電價時停止工作。達到降低運行成本的目標。

（2）缺水停機保護

水源井控制器可以外接液位計。在控制器內(nèi)設低水位保護值，當檢測到水源井液位低于設定液位后，自動控制水泵停機，防止水泵空轉(zhuǎn)損壞水泵。

（3）缺相保護

水源井控制可以根據(jù)所測的三相電壓判斷三相電是否平衡。當出現(xiàn)三相電不平衡或缺相時自動控制水源井停機。起到保護水泵的做用。

（4）防盜檢測報警

水源井大部分位于比較偏僻的地方，容易發(fā)生失竊。水源井控制器可以檢測所在泵房的門是否被打開?？梢酝饨蛹t外報警器，檢測是否有人闖入。當檢測到有人闖入時，發(fā)出報警音阻嚇嫌疑人，并通知監(jiān)控中心。

4 水源井控制器的安裝

水源井控制器一般安裝在水源井泵房內(nèi)離電機啟動箱比較近的地方。一般有以下線連接電纜，如圖1所示。

啟動控制電纜：兩根，并聯(lián)在現(xiàn)場啟動箱的啟動按鈕上。

停止控制按鈕：兩根，串聯(lián)在現(xiàn)場啟動箱的停止按鈕上。

啟停狀態(tài)線：兩根，接在接觸器的常開輔助觸點上。

三相電參數(shù)：共10根線，4根接在接觸器下端，6根來自電流互感器。

現(xiàn)場儀表接線：根據(jù)現(xiàn)場實際安裝的儀表接線。

5 水源井控制器與中心的通訊

圖1 連接電纜示意圖

水源井控制器通過GPRS模塊與監(jiān)控中心進行通訊。并且水源井控制器支持標準的MODBUS通訊協(xié)議。因此國內(nèi)的大部分組態(tài)軟件都可以用來作為監(jiān)控中心軟件。目前常用的有三維力控、組態(tài)王。這些組態(tài)軟件只需要跟據(jù)水源井控制器內(nèi)部的寄存器地址表即可做出中心組態(tài)，不需要專門的編寫驅(qū)動程序。

由于采用GPRS通訊監(jiān)控中心還需要向中國電信或網(wǎng)通申請一個固定公網(wǎng)IP地址。每個水源井控制器需要辦理一張手機SIM卡，并開通GPRS業(yè)務。

6 水源井控制器的應用情況及意義

安控科技水源井控制器是因為中糧生化能源公主嶺項目提出的需求，后經(jīng)過多個水廠的考查后最終設計定型的。

目前水源井控制器已經(jīng)應用于東北及新疆的多個地方，至少20處有500臺水源井控制器在使用中。它的使用大大提高了自來水生產(chǎn)的自動化程度，提高了生產(chǎn)效率。以中糧生化能源為例。在使用前，他們管理28口水源井，水源井沿102國道分布，離水廠最遠40公里，需要3個班組巡視，每個班組需要4名巡井人員共12個人，兩部汽車。采用水源井控制器后，他們只需3名機動巡井人員和兩名中控室值班人員，一部汽車。每年直接節(jié)約運營費用大約15萬，間接減少生產(chǎn)維護費用達25萬以上。

水源井控制器的使用可大大提高水廠及相關企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低人工成本，減少生產(chǎn)設備的維護費用。同時可帶動相關行業(yè)整體的自動化水平。