供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳明永，吳明亮，張 銳

（1.蘭州城市學(xué)院 培黎石油工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050；3.蘭州城市學(xué)院 數(shù)學(xué)學(xué)院，蘭州 730070）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，市區(qū)規(guī)模將越來(lái)越大，對(duì)工業(yè)和生活用水需求量也會(huì)日益增加，從而導(dǎo)致城市供水管網(wǎng)的覆蓋面積不斷擴(kuò)大。為了確保供水管網(wǎng)壓力平衡、流量穩(wěn)定，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)爆管事故的發(fā)生，提高供水質(zhì)量，需要供水企業(yè)對(duì)整個(gè)供水管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。由于供水管網(wǎng)存在管線復(fù)雜、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布廣泛、區(qū)域跨度大等諸多特點(diǎn)。若采用電纜布線通信方式與遠(yuǎn)程供水調(diào)度監(jiān)控中心相連，不但布線難度大、維護(hù)不方便、運(yùn)營(yíng)成本較高，而且長(zhǎng)距離造成的信號(hào)干擾、衰減等通信不穩(wěn)定性的問(wèn)題就會(huì)大大增加。尤其在高度分散性的城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)，取而代之的無(wú)線遠(yuǎn)程通信方式，讓傳統(tǒng)布線方式所帶來(lái)的問(wèn)題迎刃而解?？梢?jiàn)，網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)線化、遠(yuǎn)程監(jiān)控是當(dāng)前供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。

目前4G 無(wú)線通訊方式具有傳輸速度快、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、通訊信號(hào)強(qiáng)、維護(hù)成本低、不受距離限制、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛使用，可以為供水管網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供便捷、可靠的通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[2]。因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)集診斷、監(jiān)測(cè)、控制、管理于一體的供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)管理系統(tǒng)，可以提高供水管網(wǎng)各區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率和增大監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)容量，為供水企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度、決策分析提供強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)城市供水管網(wǎng)測(cè)控特點(diǎn)，綜合考慮系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性、開(kāi)發(fā)性、經(jīng)濟(jì)性等方面因素后，按照分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了供水管網(wǎng)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要由各個(gè)供水管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、4G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[3]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站的下位PLC 通過(guò)RJ45 以太網(wǎng)接口與4G 無(wú)線通訊模塊（4G-DTU）相連，利用4G 無(wú)線通訊方式，無(wú)需固定IP 或綁定域名即可將各測(cè)控站的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力、流量、濁度、余氯等參數(shù)監(jiān)測(cè)，完成電動(dòng)閥門啟停等控制任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 System composition

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)Internet 互聯(lián)網(wǎng)和4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收管道壓力、流量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行管道數(shù)據(jù)分析、顯示、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表打印等功能[4]，同時(shí)支持手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備訪問(wèn)各測(cè)控站數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各測(cè)控站的無(wú)人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上安裝4G-DTU 客戶端軟件和虛擬網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。通過(guò)客戶端軟件對(duì)4G-DTU的相關(guān)參數(shù)設(shè)置（主要設(shè)置賬號(hào)和密碼）后，并將虛擬網(wǎng)卡與現(xiàn)場(chǎng)PLC 的IP 地址設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段上，相當(dāng)于一根無(wú)限長(zhǎng)的網(wǎng)線把遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)PLC 連接起來(lái)，使得遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)PLC 同處在一個(gè)虛擬局域網(wǎng)內(nèi)，這樣可以遠(yuǎn)程對(duì)PLC 的用戶程序進(jìn)行上傳、下載和調(diào)試[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

每一個(gè)供水管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站都配置了結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)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(gè)PROFINET通信接口，支持基于TCP/IP 通信協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)，通過(guò)交叉網(wǎng)線將4G-DTU 互連到以太網(wǎng)RJ45 接口上，將各測(cè)控站的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳到調(diào)度監(jiān)控中心，并等待監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理和命令下發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及綜合調(diào)度[6]。利用CPU1214C集成的數(shù)子量通道和模擬量采集模塊SM1234 完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)，如圖2 所示。觸摸屏通過(guò)RS485 模塊CM1214 進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)中的壓力、流量、濁度和余氯等過(guò)程參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與處理，完成電動(dòng)閥門實(shí)時(shí)控制、故障診斷、報(bào)警等功能。

圖2 供水管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站硬件構(gòu)成Fig.2 Hardware composition of field monitoring station of water supply pipe network

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用西門子博圖軟件（TIA）作為供水管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成網(wǎng)絡(luò)和硬件組態(tài)、編寫程序、在線測(cè)試和診斷等任務(wù)。

在博圖軟件的項(xiàng)目視圖中依次添加PM1207 電源模塊、CPU1214C 處理器模塊、SM1234 信號(hào)模塊和CM1241 RS485 通信模塊，并設(shè)置相應(yīng)模塊參數(shù)。在CPU 的屬性中，設(shè)置S7-1200 的IP 地址，便可建立遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)與S7-1200 的TCP/IP 通信連接，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)便在前面配置的虛擬局域網(wǎng)內(nèi)直接執(zhí)行PLC項(xiàng)目的下載、上傳、監(jiān)控和故障診斷等任務(wù)[7]。

現(xiàn)場(chǎng)PLC 除了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水管網(wǎng)的瞬時(shí)流量外，還需要對(duì)管網(wǎng)流量進(jìn)行累積運(yùn)算，方便企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和成本核算，為管理決策提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

3.1.1 采集瞬時(shí)流量

首先將流量計(jì)輸出4～20 mA 對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)流量（m3/h）電流信號(hào)接入S7-1200 PLC 的模擬量輸入模塊，經(jīng)13 位模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換為5530～27648數(shù)字量，然后在博圖軟件中按照流量計(jì)所對(duì)應(yīng)的量程對(duì)該值進(jìn)行工程換算，得到瞬時(shí)流量值。

3.1.2 計(jì)算累積流量

累積流量的程序設(shè)計(jì)是在S7-1200 的周期循環(huán)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(jīng)綜合考慮精度和響應(yīng)速度后，設(shè)置OB200 的中斷周期為100 ms 作為流量累積的采樣時(shí)間間隔。首先將瞬時(shí)流量（m3/h）除以36000，得到以中斷周期（100 ms）為單位的瞬時(shí)流量（m3/100 ms）值，然后根據(jù)時(shí)間間隔法（即積分運(yùn)算法），將每個(gè)100 ms 時(shí)間段內(nèi)這些瞬時(shí)流量累加起來(lái)，從而得到累積流量值。同時(shí)系統(tǒng)還設(shè)置了最大數(shù)值和手動(dòng)觸發(fā)2 種方法對(duì)累加器進(jìn)行復(fù)位清零操作，其程序設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 累積流量程序設(shè)計(jì)Fig.3 Cumulative flow program design

3.2 遠(yuǎn)程人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用西門子監(jiān)控軟件WinCC 作為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成供水管網(wǎng)流量、壓力等運(yùn)行參數(shù)的采集、處理、分析、管理、統(tǒng)計(jì)、故障報(bào)警及報(bào)表打印等功能，操作人員可以通過(guò)導(dǎo)航界面進(jìn)入到各個(gè)管網(wǎng)測(cè)控站的監(jiān)控界面，進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)查詢和遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

系統(tǒng)采用WinCC/WebUX 軟件實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)對(duì)供水管網(wǎng)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，WebUX 設(shè)計(jì)過(guò)程大致如下：

（1）利用WebUX 組態(tài)器創(chuàng)建網(wǎng)站，并在Internet信息服務(wù)（IIS）管理器中綁定該網(wǎng)站的IP 地址[8]；

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

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

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

圖4 智能手機(jī)監(jiān)控界面Fig.4 Smartphone monitoring interface

3.3 管網(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)

鑒于管道進(jìn)、出口都裝有壓力變送器和流量計(jì)，綜合運(yùn)用壓力波動(dòng)和流量平衡法進(jìn)行管網(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)是較為可行的方案[9]。

系統(tǒng)首先根據(jù)管道內(nèi)壓力變化曲線，找出壓力波動(dòng)時(shí)發(fā)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(yùn)算（即每分鐘都執(zhí)行1 次壓力差值運(yùn)算），進(jìn)而取絕對(duì)值：。當(dāng)時(shí)，即可定位出管道泄漏點(diǎn)的大致位置；當(dāng)時(shí)，可能出現(xiàn)泄漏量微小，存在壓力變化不敏感的情況，系統(tǒng)再根據(jù)管道兩端的流量差值與泄漏門檻值比較。如果在一定的時(shí)間內(nèi)流量差值超出了門檻值，將發(fā)出泄漏報(bào)警，同時(shí)將泄漏信息上傳至WinCC 報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)告此段內(nèi)可能存在泄漏點(diǎn)，指導(dǎo)工作人員去巡查。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，選取現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器和流量變送器的顯示值作為理論真值，從遠(yuǎn)程人機(jī)界面上的壓力和流量顯示值作為實(shí)際測(cè)量值，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

由表1 進(jìn)行計(jì)算可知，壓力的最大示值誤差為0.01 MPa，最大相對(duì)誤差為1.5%，流量的最大示值誤差為-1.3 m3/h，最大相對(duì)誤差為-1.6%，監(jiān)控系統(tǒng)所要求的最大相對(duì)誤差為±2.5%，故滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和測(cè)量精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)供水管網(wǎng)跨區(qū)域特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不受時(shí)間、距離以及地理位置的限制，克服由于測(cè)控站分布廣泛而帶來(lái)的數(shù)據(jù)無(wú)法統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和管理的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)的遠(yuǎn)程、多點(diǎn)、同步、實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備監(jiān)控，為供水管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度提供了科學(xué)依據(jù)。