基于5G網(wǎng)絡(luò)的加壓泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究

鄭云龍

【摘要】? ? 本文提出了一種基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制應(yīng)用。通過PLC實(shí)現(xiàn)加壓泵站的本地控制，再利用工業(yè)無線路由器的透?jìng)鞴δ軐?shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊，最終實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)加壓泵站內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。其特點(diǎn)是將通訊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行、閥門開關(guān)的遠(yuǎn)程控制以及對(duì)設(shè)備相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到提高工作效率，減少維護(hù)人員，節(jié)約車輛費(fèi)用的目的。

【關(guān)鍵字】? ? 加壓泵站? ? PLC? ? 工業(yè)無線路由器? ? 調(diào)度? ? 遠(yuǎn)程控制

引言

近年來，工業(yè)4.0的概念引起了業(yè)界對(duì)未來工業(yè)發(fā)展廣泛深入的討論。作為繼以蒸汽機(jī)、大規(guī)模流水線生產(chǎn)、電氣自動(dòng)化為標(biāo)志的三次工業(yè)革命之后的第四次工業(yè)革命，工業(yè)4.0以數(shù)字化制造為核心理念，將推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度參與生產(chǎn)過程，優(yōu)化生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，提高生產(chǎn)靈活性，繼而全面提升制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。中國制造2025如何對(duì)接德國工業(yè)4.0，在國內(nèi)供水行業(yè)，就體現(xiàn)為智慧水務(wù)平臺(tái)的建設(shè)。

隨著現(xiàn)代化水廠建設(shè)的不斷深入以及智慧水務(wù)建設(shè)的不斷發(fā)展，各級(jí)水廠、水司對(duì)生產(chǎn)、調(diào)度的智能化需求也不斷提高。不僅要對(duì)水廠內(nèi)部的生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)供水管網(wǎng)上配套的泵站也提出了實(shí)時(shí)執(zhí)行調(diào)度指令的要求。鑒于加壓泵站一般都距離水廠較遠(yuǎn)，且無人值守，因此研發(fā)一種在水廠、水司的調(diào)度室就能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控泵站運(yùn)行的自控系統(tǒng)，就成為提高調(diào)度工作效率，減少維護(hù)人員，節(jié)約車輛費(fèi)用的最佳選擇。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

當(dāng)輸水管線較長(zhǎng)、中途需進(jìn)行增加以及從管網(wǎng)抽水向邊遠(yuǎn)地區(qū)或地勢(shì)較高地區(qū)供水時(shí)，采用加壓泵站。加壓泵站的主要功能就是為供水管道提供二次加壓，根據(jù)供水量的變化，不斷調(diào)整供水壓力，使終端用戶的供水壓力盡可能保持恒定，滿足生產(chǎn)、生活用水需求。根據(jù)加壓技術(shù)分類，加壓泵站可以分為設(shè)有水塔加壓泵站、氣壓給水加壓泵站和變頻調(diào)速給水加壓泵站。本文討論的是變頻調(diào)速給水加壓泵站的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

加壓泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)就是為了解決操作人員距離泵站較遠(yuǎn)，無法進(jìn)行及時(shí)調(diào)度的需求而設(shè)計(jì)的，主要設(shè)計(jì)思路如下：

1）上位機(jī)組態(tài)軟件通過5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程給下位機(jī)發(fā)送調(diào)度操作指令，期間經(jīng)過工業(yè)路由器進(jìn)行透?jìng)鬓D(zhuǎn)發(fā);

2）PLC負(fù)責(zé)接收指令，并控制泵、閥門等設(shè)備執(zhí)行指令;

3）PLC采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)并上傳給上位機(jī)組態(tài)軟件。

加壓泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用三層架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，分別為：數(shù)據(jù)感知（指令執(zhí)行）層、控制邏輯層和展示層。

1）數(shù)據(jù)感知（指令執(zhí)行）層：負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)的操作指令，并反饋設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)給PLC?？梢酝ㄟ^加壓泵、電動(dòng)閥門等供水設(shè)備實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)供水壓力的提升;通過壓力變送器監(jiān)測(cè)管網(wǎng)供水壓力;通過多功能電量表監(jiān)測(cè)電流、電壓、功率等設(shè)備運(yùn)行參數(shù);通過攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)泵房的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

2）控制邏輯層：通過PLC來控制加壓泵的啟停以及運(yùn)行頻率，閥門的開關(guān);采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警信號(hào)等。通過浮球開關(guān)來自動(dòng)控制潛水泵的啟停。

3）展示層：通過工業(yè)路由器的透?jìng)鞴δ?，?shí)現(xiàn)下位機(jī)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳，并通過組態(tài)軟件進(jìn)行展示。同時(shí)，上位機(jī)的控制指令也可以通過組態(tài)軟件下發(fā)到PLC執(zhí)行。

二、下位機(jī)控制邏輯設(shè)計(jì)

下位機(jī)的控制邏輯主要依靠S7-200Smart PLC來實(shí)現(xiàn)。作為二種典型的自動(dòng)化控制器，PLC 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。S7-200Smart是西門子公司針對(duì)中國小型自動(dòng)化OEM（Original Equipment Manufacture，原始設(shè)備制造商）客戶需求進(jìn)行本地化研發(fā)、本地化生產(chǎn)、本地化服務(wù)的戰(zhàn)略性產(chǎn)品，是新一代小型自動(dòng)化體系的核心。同時(shí)，SMART也代表了經(jīng)濟(jì)型自動(dòng)化解決方案，它的富意在于簡(jiǎn)單（Simple）、易維護(hù)（Maintenance-friendly）、高性價(jià)比（Affordable）、可靠（Reliable），以及上市時(shí)間（Time to market）短。下位機(jī)的控制邏輯主要包括4個(gè)方面：

1）加壓泵控制

分為就地和遠(yuǎn)程兩種控制方式。就地控制不經(jīng)過PLC，直接用按鈕控制泵的啟停，用電位器調(diào)節(jié)變頻器的頻率。遠(yuǎn)程控制則通過上位機(jī)給PLC下發(fā)指令，再由PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)泵的操作。加壓泵調(diào)節(jié)的效果通過壓力變送器的壓力變化進(jìn)行反饋。

2）電動(dòng)閥門控制

分為就地和遠(yuǎn)程兩種控制方式。就地控制不經(jīng)過PLC，直接用按鈕實(shí)現(xiàn)閥門上電，用智能光柱調(diào)節(jié)閥門的開度。遠(yuǎn)程控制則通過上位機(jī)給定閥門開度，電動(dòng)閥門故障時(shí)，PLC采集故障信號(hào)并上傳。

3）潛水泵控制

分為就地手動(dòng)、就地自動(dòng)和遠(yuǎn)程三種控制方式。就地手動(dòng)控制不經(jīng)過PLC，直接用按鈕控制泵的啟停。就地自動(dòng)控制則需要通過PLC來采集浮球開關(guān)信號(hào)，進(jìn)而控制泵的啟停。遠(yuǎn)程控制則通過上位機(jī)給PLC下發(fā)指令，再由PLC控制泵的啟停。

4）設(shè)備運(yùn)行電參數(shù)采集與視頻監(jiān)控

通過多功能電量表采集ABC三相電流、電壓以及設(shè)備運(yùn)行總功率。在需要的時(shí)候，打開攝像頭隨時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

三、下位機(jī)與上位機(jī)通訊

1）Modbus RTU通訊

系統(tǒng)以PLC為從站，組態(tài)軟件為主站，采用Modbus協(xié)議的RTU模式通訊。Modbus是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域使用最廣泛的通信協(xié)議之一，隨著電子、計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)以及“互聯(lián)網(wǎng)+”等概念的興起，Modbus通訊技術(shù)也從串行總線發(fā)展到了Modbus TCP。Modbus RTU+無線透?jìng)骶褪菫榱诉m應(yīng)遠(yuǎn)程操作終端設(shè)備的需求而設(shè)計(jì)的。

2）工業(yè)路由器的透?jìng)鬓D(zhuǎn)發(fā)

由于PLC的數(shù)據(jù)需要通過5G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸，因此PLC本身沒有固定IP地址，需要通過工業(yè)路由器的透?jìng)鞴δ軐?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到工控機(jī)的固定IP地址后，由組態(tài)軟件負(fù)責(zé)接收和展示。同理，組態(tài)軟件下發(fā)的指令也由工業(yè)路由器轉(zhuǎn)發(fā)給PLC執(zhí)行。工業(yè)路由器的COM服務(wù)參數(shù)設(shè)置中，主機(jī)ID是上位機(jī)識(shí)別下位機(jī)身份的識(shí)別碼;重啟時(shí)間、TCP/UDP無數(shù)據(jù)重啟服務(wù)、TCP/UDP無數(shù)據(jù)重啟路由等項(xiàng)目是為了保證設(shè)備正常運(yùn)行設(shè)置的系統(tǒng)重啟時(shí)間間隔;客戶機(jī)模式需要指定上位機(jī)的IP地址和端口號(hào);COM配置要求與PLC的串口通訊參數(shù)設(shè)置保持一致。

四、上位機(jī)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控

上位機(jī)的工控機(jī)要求專線接入互聯(lián)網(wǎng)，并配置固定IP地址。上位機(jī)的操作界面通過通用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)（如ForceControl）。

1）IO設(shè)備組態(tài)

組態(tài)軟件與PLC通過Modbus RTU協(xié)議通訊。由于是通過5G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸，可通過組態(tài)軟件自帶的網(wǎng)橋通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與下發(fā)。

2）數(shù)據(jù)庫組態(tài)

基于已建立的IO連接，創(chuàng)建與PLC程序中的寄存器相匹配的點(diǎn)位表。

3）生產(chǎn)工藝流程組態(tài)

按照實(shí)際生產(chǎn)工藝流程搭建上位機(jī)操控界面，并將界面上所有的數(shù)據(jù)、動(dòng)作與點(diǎn)位表中的點(diǎn)名綁定。通過點(diǎn)的數(shù)值的變化控制界面上設(shè)備狀態(tài)的顏色變化。

五、安全保障

為了保證泵站的運(yùn)行安全，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就要全面的考慮各種可能出現(xiàn)問題的應(yīng)對(duì)方法，并在技術(shù)方案中加以體現(xiàn)。比如：

1）接地：良好的“地”是處理EMC問題的基礎(chǔ)，需要保證接地系統(tǒng)是經(jīng)過嚴(yán)格檢測(cè)的，并滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，這樣所有的屏蔽、設(shè)備保護(hù)接地等可能連接到“地”，才能保證接地不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。

2）防浪涌：控制柜要求加裝防浪涌模塊，并保證接地良好。降低電源或惡劣天氣引起的電壓不穩(wěn)，進(jìn)而燒壞設(shè)備的可能性。

3）熱保護(hù)：加壓泵前要求加裝熱保護(hù)模塊，防止水泵運(yùn)行異常造成電流過大燒毀設(shè)備。

4）布線：規(guī)范的布線需將控制柜內(nèi)分隔為不同的EMC區(qū)域。設(shè)計(jì)控制柜體時(shí)要注意EMC的區(qū)域原則，把不同的設(shè)備規(guī)劃在不同的區(qū)域中，每個(gè)區(qū)域?qū)垢蓴_度有不同的要求，區(qū)域在空間上最好用金屬殼或在柜體內(nèi)用接地隔板隔離。

5）控制柜如果露天放置，要求柜體材料為304不銹鋼，并配置雙層柜門。

6）加裝視頻攝像頭，通過5G網(wǎng)絡(luò)能夠隨時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

六、結(jié)語

本系統(tǒng)基于5G網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，按照生產(chǎn)工藝流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵站的遠(yuǎn)程控制，使供水調(diào)度人員能夠及時(shí)的操控水泵的起停、調(diào)節(jié)泵的運(yùn)行頻率，控制電動(dòng)閥門的開關(guān)。在泵房被水淹時(shí)還可以自動(dòng)啟動(dòng)潛水泵排水，達(dá)到節(jié)省人力和時(shí)間的目的，從而為泵房的安全生產(chǎn)運(yùn)行提供有力的支撐。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 西門子（中國）有限公司編著，《深入淺出西門子S7-200SmartPLC》，北京航空航天大學(xué)出版社;

[2] 李亞峰、尹士君、蔣白懿編著，《水泵及泵站設(shè)計(jì)計(jì)算》，化學(xué)工業(yè)出版社;

[3] 楊更更著，《Modbus軟件開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南》，清華大學(xué)出版社。