供水系统中无线通讯的实现
摘要
本文从实际问题出发，为聊城水利局设计了一套远程供水控制系统方案，着重介绍了无线通讯方式在系统中的应用情况。我们主要采用世界上技术先进的德国西门子产品（可编程序控制器PLC、变频器、上位监控软件WinCC等），设计完成了水源地泵站控制系统、泵站群集中控制中心、水厂控制系统。
1、 引言
随着现代城市的发展，水资源的供应和调度显得十分重要，为了实现水资源的合理统配和调度，通讯系统显得十分重要，针对本系统的通讯的一些问题，我们开拓思维，大胆改造，提出了利用无线通讯系统实现供水的具体方案而且付诸实施。
2、工程简介
2.1 东阿供水工程的系统简介
东阿供水工程是聊城市水利局交给我公司负责的一个项目，目的是解决聊城市供水紧张的问题。
东阿供水工程水源地共布设深井12眼，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#井用变频器控制深井泵电机，7#、 8#、9#、10#、11#、12#井用软起动器控制深井泵电机。所有井分布在方圆几公里范围，经输水道汇总送水至聊城市水厂蓄水池，距离达四十公里。
有两个控制室：
一个主控室在水源地，离泵井比较近，约两公里左右，为水源地主控室，统一协调各泵站的运行，进行实地的监测和调度；
一个主控室在聊城水利局下属水厂，距离水源地几十公里，目的是监控蓄水情况，同时进行统一供水协调。
由于水源地的井分布比较分散，而且距离水源地主控室较远，所以需要建立一套比较先进的中心自动控制系统，对分散的各个井进行集中控制和管理。
2.2实际控制要求和依据：
系统设计能力为6万吨/24小时，平均供水2500立方米/小时；水源地有12眼井供水，其中6台120kw,6台75kw；水厂有2个5000立方米的蓄水池，共计10000立方米；水源地与自来水厂蓄水池的距离为43.5公里，每个泵站的运行要求有手动、自动和远程控制三种方式；所有泵站群设一集中控制室，统一协调各泵站的运行，实现泵群的联网运行；聊城水厂设一远程监控站点，实现远程调度。根据聊城水利局的技术要求，共有12个井位纳入该监控系统，每台泵站井位要对压力信号、流量信号、液位信号、电机电流信号以及电机状态进行检测和控制，水厂储水量为最终被控信号，即在现场泵站合理调度，使其运行在最合理情况下，来保障水厂储水量的正常稳定。
3、系统设计及产品选型
3.1几种设计方案比较
1.无线通讯方式和有线通讯方式的选择
1）有线通讯方式是大多数工程普遍采取的通讯方式。它要求在12个井之间铺设长达几十千米的通讯电缆，通讯信号通过通讯电缆进行传送。这种通讯方式技术已经比较成熟，而且通讯信号不易受到外部的干扰，但是它自身也有缺点：
通讯电缆的铺设十分繁杂，它需要重新架线或挖沟铺设电缆，而且几十千米的通讯电缆也需要购进，这必将耗费大量的财力物力，使施工周期延长。
2）无线通讯方式是比较先进的通讯方式，目前尚没有成熟的经验供我们借鉴，因此我们也是在摸索、研究，但是它的潜力十分巨大。
与有线通讯相比，它具有很多自身的优点：
无线通讯是PLC将信号通过数字式电台发射，远方的PLC通过数字式电台进行接收，它不用架设任何通讯电缆，而且数字电台的价格完全可以接受，与有线通讯相比既省财力又省物力。
无线通讯可以很方便地进行扩展
我们完成的水源地的工程只是东阿一期供水工程今后还要不断地建立新井，若采用无线通讯，新井只需要安装一数字电台，便可以完成与水源地控制室的无线通讯连接，系统的拓展十分的方便、简单。
覆盖范围广
我们选择的数字电台通讯能力可达周围几十公里，通讯几乎可以不受空间的限制。
虽然有线通讯方式已比较成熟稳定，但通过仔细论证，我们决定采用无线通讯方式。
2.通讯处理器的选择
我们原来准备在水源地控制室采用S7-224 PLC控制器，但在实验阶段发现它在面对繁重的通讯任务时显得力不从心，因此我们决定采用S7-300系列的PLC S7-315，附加专用的通讯模块CP-340实现通讯任务。更换后，发现通讯处理速度明显加快，原来完成12个井的收发通讯操作需要大约1分钟，现在只需要12秒。
3.是否用微波通讯
水源地主控室和水厂主控室距离40公里，两地传送的数据量不是很大，实时性要求不高，我们选择大功率的数字电台，而没有选择价格较高的微波方式进行通讯。水源地主控室和聊城水厂主控室各放置一个大功率电台。
3.2 产品选型
根据上述技术要求，在保证完成供水工程工艺技术要求的前提下，控制装置的选择及监控系统的构成应以技术先进、运行可靠、操作简单方便、画面美观逼真为出发点。变频器选择西门子MMEco系列的75KW变频器6台；在12个分散泵井上，每个泵井选择1个S7-224 PLC控制器。理由是：单一泵井的通讯任务不多只需要在一定时间内循环接收主站的信号，然后返回一个信号，每个泵井现场的控制任务不多。此外每个泵井还需要1个EM231，1个EM235；水源地控制室选择一个S7-315 PLC控制器，1个CP-340通讯处理器，它是整个水源地的控制中心，通过软件编程可接受来自12个泵站、水厂的各个信号；水厂控制室选择1个S7-315 PLC控制器，3个32输入的SM321，1个32输出的SM322，2个8输入的SM331，1个8输出的SM332；组态监控软件为西门子的WINCC；无线通讯电台选用Friendcom的模块式数传电台。（供水工程系统几何拓扑结构见图1）
系统的信息传输采用两种网络，水源地控制室和水厂控制室内采用MPI有线网络；在水源地12个泵站和水源地控制室以及水源地控制室和聊城水厂控制室之间采用快速的无线传输网络。
4、软件设计
4.1 水源地操作站S7-315的通讯程序
1）具体的通讯任务
水源地控制室必须不断地保持与12个井的通讯联系，要求速度尽量的快。通过无线电台接收分散的12个井的液位、压力、流量、电机状态及电磁阀信息，传送给上位机，通过无线电台发送至水源地主控室，主控室操作员设置对12个井的控制信号，包括电机的开关、调速等信息，通过无线电台发送至各个泵站，实现远程无线遥控。主站向每个井发送20个字节，从每个井接收20个字节。
水源地主控室间隔1分钟向聊城水厂通过大功率无线电台传送水源地的水量情况及井的运行信息，20个字节，以便于上级单位的统一调控和调度；同时从聊城水厂接受上级控制站的控制信息，20个字节。
2）主程序流程图：
中断程序流程图：
4）程序说明启动一个定时器，进行循环不间断的12秒的定时，对每一个井的收发操作以一秒为单位。
调用FC1功能块，FC1中主要完成对一些量的初始化
在每一秒的时间内产生0.8秒的使能信号；
将发送数据区对某个井发送的数据地址进行传递；
将井号置入发送数据的首字节。 启动2秒定时器
次定时器的作用为当用户想对某一个井单独操作时，立即产生两秒的控制信号，中断对原来12个井的循环收发信息操作2秒，计时结束后，控制信号失效，自动恢复原来大循环操作。 在两秒信号起作用的情况下，调用FC2功能块。然后将传送到特定井的数据缓冲区的地址分配好。
调用FC4功能块
此功能块的作用是产生一个数字校验字节，为S7-214接收时作准备。 发送数据模块FB3
此功能块为与CP-340配合使用的功能块，它的作用是将指定发送缓冲区的数据通过CP-340一次性发送出去。 接收数据模块FB2
此功能块也是与CP-340配合使用的，它的作用是将数频电台接收的数据信息存入指定的接收缓冲。 调用FC3功能块。
此功能块的作用是将数频电台接收的信息经过校验后传送到指定的数据接收区域。 调用1分钟循环定时器
发送传到聊城上位站的数据
中断接收来自聊城上位站的信息
调用FC5功能块
此功能块的作用是将数频电台接收来的信息经过校验，传送到指定的数据接收区。
4.2 泵井的S7-224的通讯程序流程
1）
2）程序说明 开始的程序是现场泵井的操作指令，包括开启泵井电机、开启电磁阀、各种模拟量的引入和检测及流量的累积。
调用SB0：SB0中主要是中断控制字，开中断，将接收事件与INT-11相连。
如果数字电台接收到主站发送的控制信息，便调用INT-11。INT-11为接收事件的中断发送子程序，在INT-11中比较第一位接受来的字节是否与此泵井的井号相一致，然后调用INT-12
INT-12中，循环接收6位主站发来的信息，放到一个数据缓冲区中，然后按一定的算法进行校验，调用INT-13
INT-13中若检测验证接收的数据无误，则将这些数据放到另外一个数据缓冲区中去，同时将此泵井的状态信息发送回主站。
4.3聊城水厂的通讯流程图
本文从实际问题出发，为聊城水利局设计了一套远程供水控制系统方案，着重介绍了无线通讯方式在系统中的应用情况。我们主要采用世界上技术先进的德国西门子产品（可编程序控制器PLC、变频器、上位监控软件WinCC等），设计完成了水源地泵站控制系统、泵站群集中控制中心、水厂控制系统。
1、 引言
随着现代城市的发展，水资源的供应和调度显得十分重要，为了实现水资源的合理统配和调度，通讯系统显得十分重要，针对本系统的通讯的一些问题，我们开拓思维，大胆改造，提出了利用无线通讯系统实现供水的具体方案而且付诸实施。
2、工程简介
2.1 东阿供水工程的系统简介
东阿供水工程是聊城市水利局交给我公司负责的一个项目，目的是解决聊城市供水紧张的问题。
东阿供水工程水源地共布设深井12眼，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#井用变频器控制深井泵电机，7#、 8#、9#、10#、11#、12#井用软起动器控制深井泵电机。所有井分布在方圆几公里范围，经输水道汇总送水至聊城市水厂蓄水池，距离达四十公里。
有两个控制室：
一个主控室在水源地，离泵井比较近，约两公里左右，为水源地主控室，统一协调各泵站的运行，进行实地的监测和调度；
一个主控室在聊城水利局下属水厂，距离水源地几十公里，目的是监控蓄水情况，同时进行统一供水协调。
由于水源地的井分布比较分散，而且距离水源地主控室较远，所以需要建立一套比较先进的中心自动控制系统，对分散的各个井进行集中控制和管理。
2.2实际控制要求和依据：
系统设计能力为6万吨/24小时，平均供水2500立方米/小时；水源地有12眼井供水，其中6台120kw,6台75kw；水厂有2个5000立方米的蓄水池，共计10000立方米；水源地与自来水厂蓄水池的距离为43.5公里，每个泵站的运行要求有手动、自动和远程控制三种方式；所有泵站群设一集中控制室，统一协调各泵站的运行，实现泵群的联网运行；聊城水厂设一远程监控站点，实现远程调度。根据聊城水利局的技术要求，共有12个井位纳入该监控系统，每台泵站井位要对压力信号、流量信号、液位信号、电机电流信号以及电机状态进行检测和控制，水厂储水量为最终被控信号，即在现场泵站合理调度，使其运行在最合理情况下，来保障水厂储水量的正常稳定。
3、系统设计及产品选型
3.1几种设计方案比较
1.无线通讯方式和有线通讯方式的选择
1）有线通讯方式是大多数工程普遍采取的通讯方式。它要求在12个井之间铺设长达几十千米的通讯电缆，通讯信号通过通讯电缆进行传送。这种通讯方式技术已经比较成熟，而且通讯信号不易受到外部的干扰，但是它自身也有缺点：
通讯电缆的铺设十分繁杂，它需要重新架线或挖沟铺设电缆，而且几十千米的通讯电缆也需要购进，这必将耗费大量的财力物力，使施工周期延长。
2）无线通讯方式是比较先进的通讯方式，目前尚没有成熟的经验供我们借鉴，因此我们也是在摸索、研究，但是它的潜力十分巨大。
与有线通讯相比，它具有很多自身的优点：
无线通讯是PLC将信号通过数字式电台发射，远方的PLC通过数字式电台进行接收，它不用架设任何通讯电缆，而且数字电台的价格完全可以接受，与有线通讯相比既省财力又省物力。
无线通讯可以很方便地进行扩展
我们完成的水源地的工程只是东阿一期供水工程今后还要不断地建立新井，若采用无线通讯，新井只需要安装一数字电台，便可以完成与水源地控制室的无线通讯连接，系统的拓展十分的方便、简单。
覆盖范围广
我们选择的数字电台通讯能力可达周围几十公里，通讯几乎可以不受空间的限制。
虽然有线通讯方式已比较成熟稳定，但通过仔细论证，我们决定采用无线通讯方式。
2.通讯处理器的选择
我们原来准备在水源地控制室采用S7-224 PLC控制器，但在实验阶段发现它在面对繁重的通讯任务时显得力不从心，因此我们决定采用S7-300系列的PLC S7-315，附加专用的通讯模块CP-340实现通讯任务。更换后，发现通讯处理速度明显加快，原来完成12个井的收发通讯操作需要大约1分钟，现在只需要12秒。
3.是否用微波通讯
水源地主控室和水厂主控室距离40公里，两地传送的数据量不是很大，实时性要求不高，我们选择大功率的数字电台，而没有选择价格较高的微波方式进行通讯。水源地主控室和聊城水厂主控室各放置一个大功率电台。
3.2 产品选型
根据上述技术要求，在保证完成供水工程工艺技术要求的前提下，控制装置的选择及监控系统的构成应以技术先进、运行可靠、操作简单方便、画面美观逼真为出发点。变频器选择西门子MMEco系列的75KW变频器6台；在12个分散泵井上，每个泵井选择1个S7-224 PLC控制器。理由是：单一泵井的通讯任务不多只需要在一定时间内循环接收主站的信号，然后返回一个信号，每个泵井现场的控制任务不多。此外每个泵井还需要1个EM231，1个EM235；水源地控制室选择一个S7-315 PLC控制器，1个CP-340通讯处理器，它是整个水源地的控制中心，通过软件编程可接受来自12个泵站、水厂的各个信号；水厂控制室选择1个S7-315 PLC控制器，3个32输入的SM321，1个32输出的SM322，2个8输入的SM331，1个8输出的SM332；组态监控软件为西门子的WINCC；无线通讯电台选用Friendcom的模块式数传电台。（供水工程系统几何拓扑结构见图1）
系统的信息传输采用两种网络，水源地控制室和水厂控制室内采用MPI有线网络；在水源地12个泵站和水源地控制室以及水源地控制室和聊城水厂控制室之间采用快速的无线传输网络。
4、软件设计
4.1 水源地操作站S7-315的通讯程序
1）具体的通讯任务
水源地控制室必须不断地保持与12个井的通讯联系，要求速度尽量的快。通过无线电台接收分散的12个井的液位、压力、流量、电机状态及电磁阀信息，传送给上位机，通过无线电台发送至水源地主控室，主控室操作员设置对12个井的控制信号，包括电机的开关、调速等信息，通过无线电台发送至各个泵站，实现远程无线遥控。主站向每个井发送20个字节，从每个井接收20个字节。
水源地主控室间隔1分钟向聊城水厂通过大功率无线电台传送水源地的水量情况及井的运行信息，20个字节，以便于上级单位的统一调控和调度；同时从聊城水厂接受上级控制站的控制信息，20个字节。
2）主程序流程图：
中断程序流程图：
4）程序说明
在每一秒的时间内产生0.8秒的使能信号；
将发送数据区对某个井发送的数据地址进行传递；
将井号置入发送数据的首字节。
次定时器的作用为当用户想对某一个井单独操作时，立即产生两秒的控制信号，中断对原来12个井的循环收发信息操作2秒，计时结束后，控制信号失效，自动恢复原来大循环操作。
此功能块的作用是产生一个数字校验字节，为S7-214接收时作准备。
此功能块为与CP-340配合使用的功能块，它的作用是将指定发送缓冲区的数据通过CP-340一次性发送出去。
此功能块也是与CP-340配合使用的，它的作用是将数频电台接收的数据信息存入指定的接收缓冲。
此功能块的作用是将数频电台接收的信息经过校验后传送到指定的数据接收区域。
此功能块的作用是将数频电台接收来的信息经过校验，传送到指定的数据接收区。
4.2 泵井的S7-224的通讯程序流程
1）
2）程序说明
4.3聊城水厂的通讯流程图
5、控制系统完成的功能
1.东阿水源地完成的功能
在水源地主控室，操作员可以对12个泵井实施无线群控，监视其运行状态。同时主控室接受来自聊城水厂的上位信息，根据水厂的储水量情况，采取相应的控制算法如PID算法、经验值法（在这不详细介绍了）控制水源地各个泵井变频值，从而满足聊城水厂的水量要求。
2.聊城水厂完成的功能
水厂共有2个5000立方米的蓄水池，水厂主控室控制水厂的自来水生产、调度，实时监控蓄水池夜位、水厂的出水量，根据生产情况将控制信息无线传送给水源地，从而达到合理、有效、快捷的取水的目的。
6、应用体会
6.1 此次项目采用无线通讯的方式，可借鉴的经验不多，主要是靠在项目中边干便摸索。其中S7-315 PLC挂电台和S7-224 PLC挂电台的通讯试验了很长时间，经过反复修改电台的通讯参数和PLC的通讯程序才最终成功，其间西门子的技术支持给予了很大的帮助，在此表示衷心的感谢。
6.2 通讯模块CP340是点对点的串行通讯处理器，提供3种不同的传输接口：RS232C、20MA（TTY）、RS422/RS485，通讯方式十分灵活，在模块内部已经集成好了传输协议，直接在STEP7中进行必要的参数设置，便可实现S7-315和电台间的数据通讯。S7-200和电台连接直接通过S7-200的自由通讯口就可以了。
6.3 无线通讯的干扰很多，通讯系统的稳定性是至关重要的。曾经有一次在调试设备时，软启误动作，后来分析是通讯中串入了干扰信号，我们又重新设计了软件加密算法，增加了一个校验字节，发送时和有用数据一起发送，对方电台接收到数据后，先判断地址是否正确，然后进行解密运算，和收到的校验字节比较，看收到的数据是否准确。改进后的通讯系统可靠性大大提高。
6.4 这个项目水源地和聊城水厂的距离很远，PID的调节属于长距离大延迟的控制模式，因此在配置参数时比较困难，我们又根据经验的数据设计了几个经验控制方法，在控制要求不是很精确的情况下，控制效果还可以。
7、结束语
本系统于自试用运行以来，控制功能稳定，设备运行良好。其间根据用户的要求进行了多次的扩展，泵井数量由原来的8个扩展到12个，显示出了系统强大的扩展能力。现在整个系统已经通过验收，得到了聊城市水利局的好评。目前本工程已经成为聊城市生活供水的重要枢纽，每天稳定、充足的提供水资源，成为造福聊城人民的重要公益事业工程，切切实实关系着本地区的国计民生，经济和政治意义已经十分显著。
1.东阿水源地完成的功能
在水源地主控室，操作员可以对12个泵井实施无线群控，监视其运行状态。同时主控室接受来自聊城水厂的上位信息，根据水厂的储水量情况，采取相应的控制算法如PID算法、经验值法（在这不详细介绍了）控制水源地各个泵井变频值，从而满足聊城水厂的水量要求。
2.聊城水厂完成的功能
水厂共有2个5000立方米的蓄水池，水厂主控室控制水厂的自来水生产、调度，实时监控蓄水池夜位、水厂的出水量，根据生产情况将控制信息无线传送给水源地，从而达到合理、有效、快捷的取水的目的。
6、应用体会
6.1 此次项目采用无线通讯的方式，可借鉴的经验不多，主要是靠在项目中边干便摸索。其中S7-315 PLC挂电台和S7-224 PLC挂电台的通讯试验了很长时间，经过反复修改电台的通讯参数和PLC的通讯程序才最终成功，其间西门子的技术支持给予了很大的帮助，在此表示衷心的感谢。
6.2 通讯模块CP340是点对点的串行通讯处理器，提供3种不同的传输接口：RS232C、20MA（TTY）、RS422/RS485，通讯方式十分灵活，在模块内部已经集成好了传输协议，直接在STEP7中进行必要的参数设置，便可实现S7-315和电台间的数据通讯。S7-200和电台连接直接通过S7-200的自由通讯口就可以了。
6.3 无线通讯的干扰很多，通讯系统的稳定性是至关重要的。曾经有一次在调试设备时，软启误动作，后来分析是通讯中串入了干扰信号，我们又重新设计了软件加密算法，增加了一个校验字节，发送时和有用数据一起发送，对方电台接收到数据后，先判断地址是否正确，然后进行解密运算，和收到的校验字节比较，看收到的数据是否准确。改进后的通讯系统可靠性大大提高。
6.4 这个项目水源地和聊城水厂的距离很远，PID的调节属于长距离大延迟的控制模式，因此在配置参数时比较困难，我们又根据经验的数据设计了几个经验控制方法，在控制要求不是很精确的情况下，控制效果还可以。
7、结束语
本系统于自试用运行以来，控制功能稳定，设备运行良好。其间根据用户的要求进行了多次的扩展，泵井数量由原来的8个扩展到12个，显示出了系统强大的扩展能力。现在整个系统已经通过验收，得到了聊城市水利局的好评。目前本工程已经成为聊城市生活供水的重要枢纽，每天稳定、充足的提供水资源，成为造福聊城人民的重要公益事业工程，切切实实关系着本地区的国计民生，经济和政治意义已经十分显著。
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