基于數(shù)傳電臺與RTU及PLC的水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)

趙政寶，趙一博，張濤

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

0 引言

本文以沙特阿拉伯宰利姆地區(qū)金礦堆浸選礦工程中水源地水井泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計為例，介紹一種基于無線數(shù)傳電臺、RTU和PLC組建無線集中監(jiān)控系統(tǒng)方法[1]。該系統(tǒng)不僅解決了選礦廠水源地遠距離信號難于穩(wěn)定傳輸問題，并能根據(jù)主廠區(qū)生產(chǎn)消防水池液位變化實現(xiàn)水源地水井潛水泵自動變頻調節(jié)和限位啟停，滿足實時對水源地液位、壓力、流量、水井泵頻率等模擬量數(shù)據(jù)和泵機開關量數(shù)據(jù)的遠程采集要求。

1 系統(tǒng)設計目標

1.1 現(xiàn)場描述

沙特阿拉伯礦業(yè)公司金礦堆浸選礦工程位于沙特阿拉伯宰利姆東南20公里，該地區(qū)為沙漠、戈壁地質，遠離城市地廣人稀、交通通信等設施比較落后。選廠主廠區(qū)建在金礦區(qū)附近，而目前水源地有2個，各1口井，相聚距5000多米，與主廠區(qū)相距17000多米，通過埋地管路向主廠區(qū)生產(chǎn)消防水池供水，以滿足選廠生產(chǎn)和消防用水需要。如何實現(xiàn)對地理位置分散，空間距離遠的水源地水泵機、發(fā)電機及各種液位、壓力、流量、溫度等參數(shù)實時控制和監(jiān)視，是亟需解決的重要問題。

1.2 設計目標

1.2.1 廠區(qū)主站

1）實現(xiàn)對水源地柴油發(fā)電機組和水井潛水泵進行遠程手動啟停控制和運行頻率設定。

2）能夠實時監(jiān)測水源供水生產(chǎn)系統(tǒng)的液位、流量、壓力、泵機和發(fā)電機組運行狀態(tài)等主要工藝參數(shù)，并對部分重要的工藝參數(shù)進行越限報警。

3）提供企業(yè)生產(chǎn)管理所需的歷史數(shù)據(jù)查詢、趨勢曲線、數(shù)據(jù)報表、操作和報警記錄等功能。

1.2.2 水井分站

1）實現(xiàn)對本站內(nèi)的液位、流量、壓力等檢測儀表數(shù)據(jù)及泵機電壓、電流、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行就地采集和顯示。

2）就地運行時，能夠對本站內(nèi)水井潛水泵實施就地手動啟停和運行頻率控制。

3）遠程自動運行時，能夠根據(jù)生產(chǎn)消防水池液位控制水井潛水泵的自動起停及運行頻率。

2 系統(tǒng)設計

為滿足選礦廠水源地水井泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計要求，本系統(tǒng)采用主從式結構模式，運用RTU遠程控制、PLC集控、無線數(shù)傳電臺、Modbus總線協(xié)議以及組態(tài)軟件等技術，建立廠區(qū)主站管理和水井分站控制相結合的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)分為三層結構，分別為控制層，網(wǎng)絡層和監(jiān)控層，如圖1所示。

2.1 控制層設計及選型

控制層由兩個部分組成，分別為設在水源地水井泵房的水井分站和設在主廠區(qū)供水泵房的主站。水井分站內(nèi)設RTU過程控制器[2]，其主要功能如下：

1）實現(xiàn)就地控制水井潛水泵的啟動、停止，采集水井潛水泵電流、故障、遠程就地轉換信號以及就地儀表測量信號，并通過無線數(shù)傳電臺與廠區(qū)供水主站PLC控制器進行數(shù)據(jù)通信。

2）接收廠區(qū)供水主站命令實現(xiàn)泵的啟停，并能完成系統(tǒng)運行自檢、數(shù)據(jù)傳送、計算控制輸出等工作。

3）當系統(tǒng)切換就地自動控制時，RTU過程控制器能夠根據(jù)生產(chǎn)消防水池液位控制本站內(nèi)水井潛水泵的自動起停及運行頻率。

為了適應惡劣外部環(huán)境，本系統(tǒng)中，我們選擇北京安控推出的Super32系列RTU作為水井分站核心控制器，該系列RTU結構小巧，功能強大，通訊接口豐富，具有極高的性價比，在水廠，造紙廠等行業(yè)廣泛應用。并且該系列RTU過程控制器與相應配套顯示、操控模塊出廠后便集成于一個高防護等級控制箱內(nèi)，能更好的適應惡劣現(xiàn)場環(huán)境[3]。

廠區(qū)供水主站控制器，采用西門子公司S7 200系列224XP可編程控制器作為核心控制器，并配有CP243通訊模塊[4]。西門子S7 200系列PLC具有以下三部分作用：

1）實現(xiàn)對水井分站發(fā)電機組和水井潛水泵遠程手動啟停控制和運行頻率設定。

2）通過無線數(shù)傳電臺與水井分站RTU控制器通訊，實現(xiàn)水井分站數(shù)據(jù)的采集。

3）通過掛接的CP243模塊利用以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至上位機，并可實現(xiàn)信息的共享。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

2.2 網(wǎng)絡層設計及選型

由于本工程中廠區(qū)主站與水井分站距離遠，難以用電纜直連的方式實現(xiàn)通訊，因此為了滿足實時采集數(shù)據(jù)的要求，我們采用無線數(shù)傳電臺作為通訊媒介。無線數(shù)傳電臺具有數(shù)話兼容、傳輸性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，非常適合本工程所處惡劣環(huán)境的高質量數(shù)據(jù)傳輸要求。本系統(tǒng)中綜合考慮性價比我們采用深圳華夏盛WDS2710型無線數(shù)傳電臺作為分站與主站的通訊媒體。其具有發(fā)射功率連續(xù)可調，通訊距離遠，抗干擾能力強等優(yōu)點，并且其數(shù)傳頻段可編程設置，可實現(xiàn)與多種RTU、PLC等控制器直接連接，支持Modbus、Profibus等多種協(xié)議，最高速率可達19200bps，具有極高的擴展性和易用性。

在本工程中，我們在廠區(qū)供水泵房主站控制室和各水井分站泵房均放置一臺無線數(shù)傳電臺，采用數(shù)據(jù)線連接無線數(shù)傳電臺的9針I(yè)/O串口與其對應的PLC控制器或RTU控制器的RS-485串口。主站采用全向高增益玻璃鋼天線，分站采用定向高增益玻璃鋼天線，并均配備有低損耗饋線，在保證增強主站與分站傳輸信號的同時減少了信號的衰減，最大限度的保證了數(shù)據(jù)傳輸質量。

2.3 監(jiān)控層設計

本工程上位機畫面監(jiān)控，由供水泵房主站控制室內(nèi)工控機完成，PLC控制器的CP243模塊通過以太網(wǎng)線與工控機相連，采用OPC Server實現(xiàn)與上位機軟件以太網(wǎng)通信，并可通過以太網(wǎng)交換機連接到其它各站上位機，完成信息的共享，使得其它各站上位機均可實現(xiàn)對水源井供水工藝流程畫面及數(shù)據(jù)、曲線、報警信號進行實時顯示和記錄。

3 主站和分站的通訊協(xié)議

廠區(qū)供水泵站主站PLC與各水源井泵站分站RTU采用Modbus通訊協(xié)議的RTU通信模式。Modbus-RTU協(xié)議是基于數(shù)字型數(shù)據(jù)傳輸通信模式，信息傳輸為異步方式，并以字節(jié)為單位。在PLC主站和RTU從站之間傳遞的通訊報文的信息幀格式，如表1所示。設備地址用于標識站號，功能碼使用有03、06，數(shù)據(jù)碼為寄存器地址，校驗碼根據(jù)前三種數(shù)據(jù)自動生成。

表1 Modbus-RTU信息幀格式

本系統(tǒng)中，廠區(qū)供水泵站PLC作為Modbus主站，水源井RTU作為Modbus從站，PLC主站采用輪詢方式，依次向各RTU從站發(fā)起詢問，RTU從站接收到詢問信號，判斷信號里的站號與本站號相同時，接收通訊命令，并根據(jù)功能碼讀寫信息，若CRC校驗無誤，則執(zhí)行相應的任務，把響應結果返送給PLC主站；否則不返回信息。

4 軟件設計

4.1 RTU從站軟件設計

RTU從站程序使用Open PCS集成開發(fā)環(huán)境編程，主要有數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和控制模塊。程序為循環(huán)程序結構，如圖2所示。

圖2 RTU從站程序流程圖

RTU分站程序啟動后，首先進行程序初始化，判斷為就地操作還是遠程操作，若為就地操作，RTU分站只負責數(shù)據(jù)采集和存儲，由水源井泵站現(xiàn)場操作人員進行操作控制；若為遠程操作，判斷為自動控制還是手動控制，若為手動控制，RTU分站除負責數(shù)據(jù)的采集和存儲外，還接收PLC主站的控制命令進行控制；若為自動控制，則RTU分站根據(jù)PLC主站傳送的監(jiān)測信號和給定信號，自動進行控制。

4.2 RLC主站軟件設計

PLC主站程序采用STEP7 MicroWIN V4.0 SP9編程，采用結構化編程方式，以梯形圖語言形式編寫。主程序通過調用子程序模塊，實現(xiàn)與RTU分站基于Modbus RTU協(xié)議通信，完成對RTU分站數(shù)據(jù)的采集、轉化存儲，并將上位機設置狀態(tài)、監(jiān)測、控制數(shù)據(jù)發(fā)送給RTU分站進行判斷操作[5]。如圖3所示。

圖3 PLC主站程序結構圖

4.3 上位機軟件設計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)由西門子公司的WinCC組態(tài)軟件開發(fā)實現(xiàn)。WinCC具有良好的開放性和靈活性，集生產(chǎn)自動化和過程自動化于一體，實現(xiàn)相互間的整合，憑其高水平的創(chuàng)新和基于標準的長期產(chǎn)品策略，已發(fā)展成為市場中的領導者和業(yè)界遵循的標準。因此選擇WinCC作為上位機組態(tài)軟件可以最大程度地提高工廠的可用性和生產(chǎn)效率，優(yōu)化設備運行和生產(chǎn)流程。

綜合考慮水源井及整個選廠流程控制需要和客戶建議，我們編寫了相應的監(jiān)控操作畫面，如圖所4示。包括水源地水井遠程監(jiān)視畫面、檢測儀表實時數(shù)據(jù)顯示、各水井潛水泵和柴油發(fā)電機組的運行控制界面，以及各種操作記錄、報警記錄以及通訊狀態(tài)監(jiān)視等畫面[6]。具體實現(xiàn)了以下功能：

1）能夠實時監(jiān)測水源供水生產(chǎn)系統(tǒng)的液位、流量、壓力等主要工藝參數(shù)，并對重要的工藝參數(shù)進行越限報警。

2）實現(xiàn)對水源地柴油發(fā)電機組的運行進行選擇和遠程手動啟?？刂疲@示其運行狀態(tài)。

3）實時顯示各水井潛水泵的運行參數(shù)，以及是否受自動控制；并能遠程手動設定泵機的運行頻率和控制啟停。

4）提供生產(chǎn)管理所需的歷史數(shù)據(jù)查詢、趨勢曲線、數(shù)據(jù)報表、操作和報警記錄等功能。

5）自動監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊連接狀況，并能在故障發(fā)生時及時報警提示。

圖4 上位機監(jiān)控主畫面

5 結束語

本方案設計中，我們運用RTU、PLC和組態(tài)軟件，通過無線數(shù)傳電臺完成遠程數(shù)據(jù)通信，使用較少的成本，在地勢、環(huán)境復雜的沙漠地區(qū)實現(xiàn)了遠距離水源地信號的采集和傳輸，使得堆浸選礦工程中遠距離水源供水系統(tǒng)實時監(jiān)視、操作變?yōu)楝F(xiàn)實，極大地提高了工作人員的工作效率。本系統(tǒng)自2013年7月底投運以來至今，在野外惡劣的工作環(huán)境下，運行狀態(tài)良好，性能穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)信號通訊異常或主從站無法通訊的現(xiàn)象，得到客戶管理及操作人員的一致好評。

同時，本系統(tǒng)基于Modbus-RTU通訊協(xié)議，采用了模塊化程序設計的編程思路，并預留了豐富的軟硬件接口，使得選礦廠水源供水系統(tǒng)日后擴充及維護更加方便靈活?！?/p>

[1] 吳永祥,曹珍貫,吳攀. 基于無線電臺的風井綜合參數(shù)安全監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 煤礦安全,2006,(12):37-38.

[2] 董明明,孫萬蓉,陳梓馥,等. 基于RTU油井遠程測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸層軟件設計[J]. 2012,(2):25-30.

[3] 史衛(wèi)華. Super32-L303 RTU在城市燃氣項目中的應用[J]. 自動化博覽,2012,(5):52-54.

[4] 西門子有限公司自動化驅動集團. 深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京;北京航空航天大學出版社,2007.

[5] 賈德勝. PLC應用開發(fā)使用子程序[M]. 北京;人民郵電出版社,2006.

[6] 甄立東.西門子WinCC V7基礎與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.