VPN網(wǎng)絡(luò)在水廠井群控制和水池調(diào)蓄中的閉環(huán)應(yīng)用

孔 生 趙 勝 于祥周

（濟寧金水科技有限公司，山東濟寧 272000）

1.搭建VPN網(wǎng)絡(luò)的必要性

VPN（Virtual Private Network,虛擬專用網(wǎng)）是在公用網(wǎng)絡(luò)（如Internet）基礎(chǔ)上擴展出來的專用局域網(wǎng)絡(luò)。VPN通過隧道技術(shù)在公共網(wǎng)絡(luò)上仿真一條點到點的專線,從而達到安全的數(shù)據(jù)傳輸目的,基于Internet的VPN也稱為IP-VPN。所以從本質(zhì)上說,虛擬專用網(wǎng)（VPN）是一種能夠通過公用網(wǎng)絡(luò)安全的對內(nèi)部專用網(wǎng)進行遠程訪問的技術(shù)。其要點是在遠程用戶和VPN服務(wù)器之間建立一條加密隧道,將原始數(shù)據(jù)包加密,并在外面封裝新的協(xié)議包頭。這樣只有知道密鑰的通信雙方能夠解開數(shù)據(jù)包,保證了數(shù)據(jù)包在公共媒質(zhì)上傳送的時候，不會被非VPN用戶截取，信息安全可靠。

基于有線VPN網(wǎng)絡(luò)和無線VPN網(wǎng)絡(luò)匯聚融合，搭建混合型的VPN專有網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同客觀應(yīng)用場景的需求，同時在關(guān)鍵的應(yīng)用場合，根據(jù)有線VPN和無線VPN各自的特點：有線VPN網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，偶爾有物理線路斷網(wǎng)的可能；無線VPN網(wǎng)絡(luò)不用布線，配置網(wǎng)絡(luò)靈活，但受天氣的影響較大，惡劣天氣下信號強度減弱。所以搭建以有線VPN網(wǎng)絡(luò)傳輸為主，無線VPN網(wǎng)絡(luò)傳輸為輔相融合的VPN網(wǎng)絡(luò)，充分確保系統(tǒng)的安全可靠，適用于保證民生供水高安全級別的場合。

2.改造的背景

濟寧中山水務(wù)在濟寧城區(qū)內(nèi)有五座運營的水廠，供水模式采用從單井提水到二級泵站蓄水池，經(jīng)二級加壓輸送到用戶，水源地有100多眼單井分散在不同角落，井群分散且間距較遠。目前這五座水廠均是20多年前建設(shè)，建設(shè)之初受客觀條件限制，水廠和井群通訊網(wǎng)絡(luò)空缺。隨著無線通訊技術(shù)的逐步發(fā)展，單井和水廠之間數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)歷了從無線電臺傳輸、2G傳輸、4G傳輸?shù)母脑爝^程。

在數(shù)據(jù)傳輸通道沒有布置前，井群和水廠的操控均采用人工操作，使得工作過程中勞動量大，及時性差，效率低下。當單井和水廠間采用了電臺、2G或4G的數(shù)據(jù)傳輸方式時，可以實現(xiàn)人工在控制室遠程點選操作，克服了值班人員到現(xiàn)場操作耗費勞動力的弊端，提高了效率。

電臺或者2G傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性差，尤其是在惡劣天氣下，信號傳輸延時較長，以致于單井井群的控制沒有實現(xiàn)全自動化控制，還必須依賴人工在上位機上對泵組進行點選操控，系統(tǒng)自動化程度低，控制準確性差。

基于以上原因，現(xiàn)我們對其中一個南水廠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和自動化系統(tǒng)進行升級改造。

3.南水廠現(xiàn)狀

3.1 水廠

南水廠現(xiàn)有二級泵站一座，設(shè)置有3.8米深清水池，水廠控制核心為西門子s7-300系列PLC，采用有線VPN以太網(wǎng)通信（近期改造已完成），與調(diào)度中心聯(lián)網(wǎng)。水廠PC客戶端和調(diào)度中心分別配置有獨立的操作系統(tǒng)，平時以調(diào)度中心操作為主，水廠操作為輔。

3.2 單井井群

南水廠周邊無線單井8眼，為水廠清水池注水，其中5眼單井配置s7-200 SMART PLC，3眼單井配置s7-200 PLC；單井GPRS傳輸模塊與PLC之間采用RS485通訊，通過中國移動GPRS 2G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，通訊實時性差，個別單井常有通訊延遲和中斷現(xiàn)象。

3.3 調(diào)度系統(tǒng)

所有水廠均在調(diào)度中心統(tǒng)一調(diào)度，調(diào)度系統(tǒng)設(shè)置兩臺系統(tǒng)服務(wù)器，其中一臺服務(wù)器托管在移動公司機房，與調(diào)度中心的系統(tǒng)服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)互為備用。目前單井操控必須由人工根據(jù)水池液位高低狀態(tài)在調(diào)度中心上位機上進行點選啟停，要求操控人員注意力高度集中，操作存在不及時的可能，且人為控制精準度較低。南水廠本地組態(tài)王系統(tǒng)在調(diào)度中心系統(tǒng)正常情況下與無線單井通訊斷開，在不更改GPRS通訊主站參數(shù)（RS485通訊狀態(tài)下，GPRS單中心定向傳輸）的情況下無法靈活控制無線單井。

4.改造方案

4.1 改造后系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖

圖1 系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖

4.2 設(shè)備改造

南水廠控制柜添置一個西門子S7-1500PLC，通過S7-1500根據(jù)蓄水池液位自動控制水廠對應(yīng)的單井啟停，同時添加一個無線4G路由器作為備用傳輸網(wǎng)絡(luò)，可確保水廠在有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時（南水廠有線網(wǎng)絡(luò)曾多次出現(xiàn)斷網(wǎng)問題），備用網(wǎng)絡(luò)仍然可以使得設(shè)備（水廠二級泵設(shè)備）正常通訊。水廠組態(tài)網(wǎng)系統(tǒng)添加實時單井通訊，水廠對應(yīng)的無線單井真正實現(xiàn)包括調(diào)度中心和和水廠本地在內(nèi)的多中心操控，不需要額外配置參數(shù)，提高運行效率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.3 單井改造

在配置S7-200PLC的單井控制柜內(nèi)另增加一個s7-200 SMART PLC和一個無線4G路由器，采用VPN流量卡，配置無線VPN專網(wǎng)，建立基于無線連接方式的以太網(wǎng)通訊。由移動運營商配合，把現(xiàn)有有線VPN網(wǎng)絡(luò)和后增加的無線VPN網(wǎng)絡(luò)在移動機房內(nèi)進行匯聚，構(gòu)建有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)相融合的VPN一張網(wǎng)，利用南水廠1500PLC與對應(yīng)的無線單井通訊，另編寫控制程序，根據(jù)南水廠水池液位對單井進行啟?？刂疲到y(tǒng)自動調(diào)節(jié)水廠水池液位，無需再人為對泵啟停干預。

4.4 調(diào)度中心服務(wù)器

在服務(wù)器端將原單井的串口通訊協(xié)議改為以太網(wǎng)通訊協(xié)議，重新添加變量，編制有線和無線雙鏈路的數(shù)據(jù)傳輸機制，系統(tǒng)自動辨識信息傳輸?shù)淖钣欣ǖ?，確保信息傳輸?shù)幕パa性、及時性和準確性。

5.控制策略

在南水廠實現(xiàn)根據(jù)廠水池液位自動啟停單井，降低人工成本，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

5.1 設(shè)置方式

根據(jù)南水廠1500PLC實時讀取當前液位值，由工作人員選擇是否開啟自動控制，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)選擇有效的投運單井參與自動控制（防止有故障、檢修及其他原因存在造成的不能正常運行的單井接入系統(tǒng)），設(shè)置需要控制的液位區(qū)間范圍。系統(tǒng)設(shè)置最多同時運行單井數(shù)量和最少運行數(shù)量值，超過設(shè)置值系統(tǒng)自動預警，當出現(xiàn)斷網(wǎng)、斷電或投運單井不能滿足調(diào)控時，液位達到事先預設(shè)值會產(chǎn)生報警。

5.2 構(gòu)建水廠自動控制模型

根據(jù)水廠日常運行經(jīng)驗，一級供水、二級供水的流量，以及單井和水廠的供需水關(guān)系，利用比例積分PI算法和模糊控制算法相結(jié)合，建立個性化且易操作的自動控制模型，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制?？刂颇Ｐ椭饕獓@兩個調(diào)控機制：液位調(diào)控機制和趨勢微調(diào)機制。兩種調(diào)控機制同步參與調(diào)控，以確保系統(tǒng)自動調(diào)控的實時性和精準性。

5.2.1 液位調(diào)控機制

程序運行過程中當實時液位低于低液位線時，開啟一個單井，十分鐘后仍在低液位線下，則根據(jù)當前液位值與低液位線的差值，通過系數(shù)積分來確定還需要開啟單井數(shù)量，以此類推，直到液位高于低液位線；當實時液位高于高液位線時，同理關(guān)閉一個單井，十分鐘后仍高于此線，則根據(jù)當前液位值與高液位線的差值，通過系數(shù)積分來確定還需關(guān)閉單井的數(shù)量，以此類推，直到液位低于高液位線。

5.2.2 趨勢微調(diào)機制

程序運行過程中，每隔十分鐘記錄一次當前液位值，當當前液位值與上一次液位差距較大的時候，進行一次微調(diào)，即當實時液位值大于或小于上一次記錄的液位值時，用兩液位值的差值積分，來確定當前需要開啟或關(guān)閉單井數(shù)量，在不改變液位變化趨勢的情況下，盡可能的來減少液位變化的幅度。

5.2.3 增減泵機制

系統(tǒng)對所有正常投運的單井采取循環(huán)投切，采取先啟先停的控制原則，有效延長單井水泵使用壽命。

5.2.4 雙信道通訊策略

采用雙信道通訊控制方式，即有線VPN和無線VPN通信相結(jié)合，正常情況下調(diào)度中心服務(wù)器與水廠PLC通過有線VPN通訊，與無線單井通過無線VPN通訊，水廠PLC與無線單井也同樣采用無線VPN的通訊方式，當水廠有線線路損壞故障或有線VPN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓時，調(diào)度中心服務(wù)器可利用無線網(wǎng)絡(luò)和水廠或單井進行通訊。

雙信道采取有線優(yōu)先的原則，在有線通道故障的情況下，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)切無線通道，既確保系統(tǒng)高通訊速率，又盡量減少無線VPN流量消耗。

6.結(jié)論

分散水廠的自動化控制系統(tǒng)，必須基于穩(wěn)定的通訊網(wǎng)絡(luò)，移動通訊的發(fā)展為傳統(tǒng)的老舊水廠的改造帶來機會和方便，并且這些老舊水廠都完全可以實現(xiàn)無人操控，少人值守模式，大大提高水廠的現(xiàn)代化運營水平。水廠應(yīng)用VPN網(wǎng)絡(luò)改造，優(yōu)點明顯。

（1）VPN雙信道通訊策略下當水廠有線或無線單一線路出現(xiàn)故障時，仍然可以通過另外通道正常傳輸數(shù)據(jù)，充分保證水廠的正常運行。

（2）單井通訊方式通過公網(wǎng)進入系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)存在安全隱患，將無線單井改為無線VPN專線，可避免與公網(wǎng)接觸，盡可能減少網(wǎng)絡(luò)安全隱患。

（3）改造后水廠內(nèi)的PLC直接對接單井交互數(shù)據(jù)，避免了現(xiàn)2G/4G網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下PLC接收單井數(shù)據(jù)需經(jīng)過組態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的中間環(huán)節(jié)，使得PLC控制單井更靈活、更穩(wěn)定。

系統(tǒng)根據(jù)水廠水池液位的變化情況，利用模糊控制模型實現(xiàn)液位的精確控制，通過系統(tǒng)科學調(diào)配，盡可能延長設(shè)備的使用壽命。

改造后，水廠全自動化運行穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟社會效益明顯，有很高的推廣使用價值。