基于RTU的兩主一備水泵控制系統(tǒng)設(shè)計

徐高志，景波云

（南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京210003）

基于RTU的兩主一備水泵控制系統(tǒng)設(shè)計

徐高志，景波云

（南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京210003）

該文根據(jù)水利泵站的控制要求，詳細(xì)介紹了基于RTU的兩主一備水泵控制系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測到的水位數(shù)據(jù)以及預(yù)設(shè)的閾值輸出水泵控制信號，實現(xiàn)無人值守條件下水泵的自動控制。

泵站；遠(yuǎn)程終端設(shè)備；控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程終端設(shè)備RTU[1]是一種能夠在現(xiàn)場安裝并可以集成多種傳感器的遠(yuǎn)程測控裝置，一般負(fù)責(zé)現(xiàn)場傳感器信號的采集并通過遠(yuǎn)程信道傳輸至中心站數(shù)據(jù)平臺。隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，RTU的功能也越來越強(qiáng)大，從以往簡單的遙測終端發(fā)展為具有遙測、遙信、遙調(diào)、遙控功能的綜合裝置，已經(jīng)能夠在一些中小型閘泵站監(jiān)控系統(tǒng)中代替PLC[2-3]。本文以水利泵站為研究對象，基于RTU開發(fā)了一套無人值守的泵站控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由以RTU為核心的泵站控制系統(tǒng)和中心站數(shù)據(jù)平臺兩部分組成。其中以RTU為核心的泵站控制系統(tǒng)將所采集到的水位數(shù)據(jù)信息與所設(shè)置的水位閾值進(jìn)行比較后，實現(xiàn)現(xiàn)地控制水泵啟停。同時將所采集的水位數(shù)據(jù)按照預(yù)定數(shù)據(jù)格式進(jìn)行打包處理，通過RS232串口傳送給GPRS通信模塊，最后由因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至中心站數(shù)據(jù)平臺。中心站數(shù)據(jù)平臺接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解包處理，最終將所得到的水位數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示以及存儲。中心站數(shù)據(jù)平臺可以遠(yuǎn)程下發(fā)命令控制水泵啟停。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件組成

為實現(xiàn)對泵站中各種設(shè)備的自動數(shù)據(jù)采集與控制[4-6]，構(gòu)建了一套基于RTU為核心的泵站控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)包括水位檢測單元、RTU單元、電源單元以及遠(yuǎn)程通信單元。其中，水位檢測單元主要實現(xiàn)對水位信號的采集和轉(zhuǎn)換；RTU單元主要實現(xiàn)對水位信號的實時采集與處理，與所設(shè)定的水位閾值相比較后作出判斷，RTU單元可以輸出控制對應(yīng)于第一上限水位的水泵、第二上限水位的水泵以及備用水泵的啟停命令，實現(xiàn)對水泵的自動控制；電源單元主要為RTU進(jìn)行供電；遠(yuǎn)程通信單元主要接收RTU所發(fā)送的水位數(shù)據(jù)信息，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至中心站數(shù)據(jù)平臺?；赗TU的泵站控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of water pump remote control system

圖2 基于RTU的泵站控制系統(tǒng)Fig.2 Pump station control system based on RTU

2.1.1 水位檢測單元

水位檢測單元主要采用超聲波傳感器進(jìn)行水位測量，其測量精度較高且性能穩(wěn)定。該水位檢測單元的原理是將超聲波傳感器安裝在水泵的進(jìn)水端，超聲波傳感器探頭垂直于水面，利用超聲波測出超聲波傳感器到水面的距離，然后根據(jù)超聲波傳感器到池底的高度，間接測量出水位高度。設(shè)超聲波傳感器安裝位置距離池底高度為H，超聲波傳感器工作時，測得的值為h1，也就是其到水面的高度，那么就可以得到測量的水位高度h2=H-h1。

2.1.2 RTU單元

RTU單元主要采用NARI公司研制的ACS300-MM作為主控制模塊，其具有寬工作溫度范圍、極低的靜態(tài)功耗、強(qiáng)大的遠(yuǎn)程通信等功能，配有1個RS485通訊編程接口，4個RS232串行口（用于遠(yuǎn)程通信、本地顯示或參數(shù)設(shè)置），支持遠(yuǎn)程/本地程序下載，供電電壓為10.8 Vdc～16 Vdc，具有電源極性防反接保護(hù)功能。

RTU單元采用RS485通信協(xié)議與超聲波傳感器進(jìn)行通信并實時采集水位信息，與設(shè)定的水位閾值相比較后作出判斷。如果所采集到的水位信息大于第一上限水位閾值，則RTU單元輸出對應(yīng)于第一上限水位的水泵啟動命令；為了解決由于水位上漲過快而造成不必要的損失，RTU單元設(shè)定了第二上限水位閾值，如果所采集的水位信息大于第二上限水位閾值，則RTU單元輸出對應(yīng)于第二上限水位的水泵啟動命令；如果RTU單元沒有接收到對應(yīng)于第一上限水位的水泵或者第二上限水位的水泵啟動的反饋信號，即出現(xiàn)故障，RTU單元可以輸出備用水泵啟動命令；所采集的水位信息與設(shè)定的停機(jī)水位閾值相比較，RTU單元可以輸出對所有水泵的停機(jī)命令，從而實現(xiàn)對水泵的自動控制。

2.1.3 電源單元

電源單元主要通過蓄電池和太陽能電池板給系統(tǒng)供電，蓄電池采用12 V標(biāo)準(zhǔn)電壓，通過供電電路為RTU供電。當(dāng)蓄電池電壓較低時，太陽能電池板可以通過充電電路給蓄電池充電，從而保證蓄電池能夠有效地處于工作狀態(tài)，極大地延長了蓄電池的供電時間。同時由于RTU具有極低的靜態(tài)功耗，工作時所消耗的電能遠(yuǎn)低于PLC，因此在無人值守的條件下，解決了系統(tǒng)的長時間供電問題，相比較于PLC具有極大的優(yōu)勢。

2.1.4 遠(yuǎn)程通信單元

遠(yuǎn)程通信單元主要采用宏電公司自主研發(fā)的H7210型號遠(yuǎn)程通信模塊。其支持多數(shù)據(jù)中心、純透明模式傳輸?shù)裙δ?，配?個RS232串行口，波特率范圍為300～115200 b/s，工作溫度范圍為-30℃～+75℃，供電電壓為5 Vdc～36 Vdc。遠(yuǎn)程通信單元采用串行口接收RTU單元發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，然后通過GPRS將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到中心站數(shù)據(jù)平臺。同時也可以接收中心站數(shù)據(jù)平臺下發(fā)的遠(yuǎn)程命令，由串行口發(fā)送給RTU單元執(zhí)行相應(yīng)的命令。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計的實現(xiàn)

2.2.1 RTU單元軟件設(shè)計實現(xiàn)

根據(jù)水利泵站的控制要求，實現(xiàn)對不同水位進(jìn)行相應(yīng)的水泵控制。當(dāng)水位達(dá)到第一上限水位閾值時，通過RTU單元自動控制一臺對應(yīng)于第一上限水位的水泵啟動；當(dāng)水位達(dá)到第二上限水位閾值時，通過RTU單元自動控制另一臺對應(yīng)于第二上限水位的水泵啟動；當(dāng)其中有一臺水泵出現(xiàn)故障時，自動切換到備用水泵，控制備用水泵啟動；當(dāng)水位降到停機(jī)水位時，RTU單元自動控制所有水泵停止運(yùn)行。RTU單元軟件設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 RTU單元軟件設(shè)計工作流程Fig.3 Flow chart of software design for RTU unit

2.2.2 遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計實現(xiàn)

中心站數(shù)據(jù)平臺實時接收到水位數(shù)據(jù)后進(jìn)行顯示，人工可以根據(jù)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果需要啟動對應(yīng)于第一上限水位的水泵，則可以發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令進(jìn)行啟動；如果需要關(guān)閉，則可以發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令進(jìn)行停止。對應(yīng)于第二上限水位的水泵的啟動和停止都可以分別通過發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令進(jìn)行操作。同時，為了保證水泵的正常啟動和停止，遠(yuǎn)程控制的優(yōu)先級小于RTU單元的軟件控制優(yōu)先級。圖4為遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計工作流程。

2.2.3 上位機(jī)軟件界面設(shè)計

中心站數(shù)據(jù)平臺主要采用NARI公司自主研發(fā)的ACSCOMM上位機(jī)軟件，其具有完善的功能、操作簡單方便、維護(hù)性強(qiáng)等特點，通過遠(yuǎn)程通信實時接收遙測站發(fā)送的水位數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示并存儲?？梢酝ㄟ^上位機(jī)軟件界面進(jìn)行操作，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制水泵運(yùn)行與停止。上位機(jī)軟件界面設(shè)計如圖5所示。

3 工程應(yīng)用實現(xiàn)

基于RTU為核心的泵站控制系統(tǒng)在現(xiàn)場實際投運(yùn)，現(xiàn)場通信良好，RTU單元以及遠(yuǎn)程通信單元都配有指示燈來顯示工作狀態(tài)，使現(xiàn)場工作情況一目了然，極大地方便后期維護(hù)。系統(tǒng)上電工作時，RTU定時采集水位數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)閾值判斷，控制水泵啟停。同時遠(yuǎn)程傳輸水位數(shù)據(jù)信息至中心站數(shù)據(jù)平臺。其系統(tǒng)接線圖如圖6所示。

圖4 遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計工作流程Fig.4 Working flow chart of remote control software design

圖5 上位機(jī)軟件界面設(shè)計Fig.5 Upper computer software interface design

圖6 基于RTU的泵站控制系統(tǒng)現(xiàn)場接線圖Fig.6 Field wiring diagram of pumping station control system based on RTU

中心站數(shù)據(jù)平臺接收GPRS數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將得到的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲，水位數(shù)據(jù)記錄如圖7所示。

圖7 水位數(shù)據(jù)記錄Fig.7 Record of water level data

4 結(jié)語

基于RTU的兩主一備水泵控制系統(tǒng)能夠根據(jù)水位數(shù)據(jù)的變化，通過與設(shè)定的水位閾值相比較，實現(xiàn)對第一上限水位的水泵、第二上限水位的水泵以及備用水泵啟停的精準(zhǔn)控制，以及在無人值守條件下，針對第一上限水位的水泵、第二上限水位的水泵出現(xiàn)故障時，也能夠控制備用水泵進(jìn)行工作，極大地保證了水泵控制系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行。同時系統(tǒng)采用蓄電池和太陽能電池板供電，解決了長時間供電問題，相比較于PLC具有很大優(yōu)勢。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，滿足實際的工程應(yīng)用需求。

[1] 仵俊偉，李為田，張焱.RTU在遠(yuǎn)程監(jiān)控液量自動計量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表 2009，30（10）：64-65.

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Design of Pump Control System with Two Master One Reserve Based on RTU

XU Gao-zhi，JING Bo-yun
（NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 210003，China）

According to the control requirements of hydraulic pump station，the design scheme of pump control system with two master one reserve based on RTU is introduced in detail and the system can export pump control signal depending on the detected water level data and the preset threshold，realizing the unattended water pump under the condition of automatic control.

pump station；remote terminal unit（RTU）；control system

TP391

B

1001-9944（2017）08-0065-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.016

2017-03-07；

2017-05-18

徐高志（1988—），男，碩士，助理工程師，研究方向為水利水電自動化、水文自動測報、水文自動化；景波云（1981—），男，碩士，研發(fā)工程師，研究方向為水利水電自動化、水文自動測報、水文自動化。