一、系統(tǒng)構(gòu)成及控制要求

1.系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用三臺泵，兩用一備的設(shè)計，用一臺變頻器分別控制三臺水泵，主要有控制中心、監(jiān)控中心、水源現(xiàn)場終端和無線通信系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的原理如圖1所示。

2.系統(tǒng)控制要求：

　　整個系統(tǒng)的控制分為手動和自動兩種運行方式。

　　當(dāng)系統(tǒng)處于手動控制運行時，可以在觸摸屏上隨意啟動系統(tǒng)中任何一臺水泵，采用按下啟動或停止按鈕使水泵運行，可根據(jù)需要增開水泵的啟停，但是，注意手動運行時，不允許水泵直接工頻啟動，只能由變頻器拖動水泵開始運行，在必要時，可以用變頻器啟動其他的水泵運行。該手動控制方式主要供設(shè)備調(diào)試、故障自動檢查和維修維護時使用。

　　當(dāng)系統(tǒng)處于自動控制運行時，首先由1號水泵電機變頻運行，此時變頻器輸出頻率從0Hz逐漸增加，同時PLC把接收到的壓力信號與給定壓力進行比較并運算結(jié)果后再送回變頻器。如果供水壓力不足，則變頻器頻率上升為50Hz，變頻器頻率輸出到達上限頻率，PLC經(jīng)過延時，1號水泵電機由變頻運行迅速切換為工頻運行，2號水泵電機變頻運行；如果供水壓力仍不能滿足用水要求，則說明該狀態(tài)已不能滿足當(dāng)前的用水量，此時應(yīng)將2號水泵電機由變頻切換成工頻，3號水泵電機變頻運行；如果流量變小，PLC先停止1號水泵電機，再停止2號水泵電機，以保證管網(wǎng)壓力恒定，滿足用水需求；如果電源瞬時停電，則系統(tǒng)停機不再運行，等電源恢復(fù)通電以后，系統(tǒng)將自動恢復(fù)到初始狀態(tài)開始重新運行。變頻自動控制是本系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有的最基本的一項功能，其能自動完成對3臺水泵的啟/停、循環(huán)變/工頻的切換工作。

二、GPRS通訊方式及模塊選擇

　　二十一世紀(jì)以來，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛躍發(fā)展，特別是無線通信技術(shù)的發(fā)展，促使水利/水電部門不斷提升自動化水平。GSM網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生就是一個例子，專業(yè)人員將GSM模塊嵌入到許多儀器儀表中以使它們具備通信功能，如故障測錄儀、多功能電能表等。通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service) 簡稱為GPRS，是在GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，支持TCP/IP協(xié)議，可以與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（Internet等）直接互通信息，充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源，具有登錄網(wǎng)絡(luò)快捷、數(shù)據(jù)以流量計費、實時在線、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點，尤其適合在突發(fā)性、小流量的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)中使用。

　　GPRS通信網(wǎng)絡(luò)所用的頻段、頻帶、跳頻規(guī)則、調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)以及TDMA幀結(jié)構(gòu)與GSM網(wǎng)絡(luò)是相同的。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時，GSM系統(tǒng)中的絕大部分硬件連接都沒有必要作改動，只需對軟件進行升級。構(gòu)成GPRS系統(tǒng)的方法是在GSM系統(tǒng)中引入3個主要功能實體：

1.GPRS服務(wù)支持節(jié)點(ServingGPRS Support Node ,SGSN)；

2.GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(GatewayGPRS Support Node ,GGSN)；

3.在BSC基礎(chǔ)上增加分組控制單元(Packet Control Unit，PCU)。

其中BSS由基站收發(fā)平臺(Base Transceiver Station，BTS)和基站控制器(Base Station Controller，BSC)組成。此外，移動臺(Mobile Station，MS)需要采用GPRS 終端來支持GPRS業(yè)務(wù)。

　　本系統(tǒng)采用S7-200 PLC專用的GPRS通信模塊MD720-3，該模塊由調(diào)制解調(diào)器、天線和GPRS通信管理軟件等組成，實現(xiàn)PLC的GPRS無線連接[22]。該模塊的功能如下：

（1）通過GPRS可以建立多達256個SIMATIC S7-200站點與控制中心的連接；

（2）基于IP與運行在PC上的 SINAUT MICRO SC應(yīng)用程序進行數(shù)據(jù)交換；

（3）用路由器能夠建立控制中心PLC與水源現(xiàn)場PLC各站點間的GPRS無線通訊；

（4）由GPRS模塊自動建立并保持與互聯(lián)網(wǎng)的在線連接。

（二）GPRS模塊選擇

　　系統(tǒng)用西門子公司推出的GPRS無線數(shù)據(jù)通訊模塊SINAUT MD720-3，該模塊是西門子S7-200系列PLC理想的GPRS通信模塊，主要應(yīng)用于供水及污水處理、石油、天然氣、供熱管網(wǎng)、交通運輸和自動化等行業(yè)，考慮到各個行業(yè)組網(wǎng)方面的需求，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺可以實現(xiàn)在數(shù)據(jù)信息方面透明傳輸，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)，特別適合點對多點、點多分散的中小數(shù)據(jù)量的傳輸。GPRS模塊SINAUT MD720-3的實物圖如圖2所示。

圖2  GPRS模塊SINAUT MD720-3

該模塊的特點及功能如下：

（1）通過GPRS可以建立多達256個SIMATIC S7-200站點與控制中心的連接；

（2）基于IP，與運行在PC上的 SINAUTMICRO SC應(yīng)用程序(路由服務(wù)器和OPC Server)進行數(shù)據(jù)交換；

（3）通過SINAUT MICRO SC的路由功能能夠建立控制中心PLC與水源現(xiàn)場PLC各站點間的GPRS無線通訊，且可與其它MD720-3調(diào)制解調(diào)器進行數(shù)據(jù)交換；

（4）由GPRS模塊自動建立并保持與互聯(lián)網(wǎng)的在線連接(基于IP)；

（5）工作過程中，在GPRS和CSD(調(diào)制解調(diào)器工作方式)間進行切換；

（6）使用AT命令可以控制CSD和GPRS連接；

（7）支持RS-232/485接口，數(shù)據(jù)終端能永遠(yuǎn)在線；　

（8）保護S7-200的數(shù)據(jù)訪問，同樣適用于通過手機供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)(此網(wǎng)絡(luò)沒有為調(diào)制解調(diào)器提供公共和固定IP地址)進行訪問時。

三、控制系統(tǒng)電路設(shè)計

1、主電路設(shè)計圖

圖中，M1、M2、M3 為三臺水泵電機，QF0為整個電路的三相電源控制開關(guān)，QF1-QF3分別為1號水泵到3號水泵的三相電源控制開關(guān)。KM0為變頻器的供電接觸器，接到變頻器L1、L2、L3端子上。KM1-KM3為1號水泵到3號水泵的工頻電源工作時的交流接觸器，主要控制三臺電機的運行，F(xiàn)R1-FR3 為1號水泵到3號水泵變頻電源工作時具有過載保護用的熱繼電器。KM4-KM6為1號水泵~到3號水泵變頻工作時的接觸器，來自變頻器的輸出端U、V、W。如圖3所示。

圖3   主電路圖

2.變頻器信號連接表

3.PLC輸入輸出信號分配表

(1)開關(guān)量信號表

(2)模擬量信號表

4.PLC控制回路

　　在設(shè)計PLC控制回路時，弱電與強電之間的隔離是首要考慮的問題。為維護PLC裝置，其輸出端口必須經(jīng)過中間繼電器去控制電機的運行，其端口不可以直接連接交流接觸器。設(shè)計在兩者之間引入中間繼電器，其目的就是為了解決強電與弱電之間隔離的問題，起到了保護系統(tǒng)、增強系統(tǒng)運行可靠性和延長系統(tǒng)使用壽命的目的PLC接線如圖3所示。

　　根據(jù)蓄水池的輸入、輸出點數(shù)，選用西門子S7-200系列PLC的CPU224模塊，該模塊的I/O點數(shù)為14入10出，采用24V直流輸入，繼電器輸出方式。另外，再接一個16輸入16輸出的數(shù)字量擴展模塊EM222。蓄水池還有7個模擬量輸入，一個模擬量輸出，因此要有一個EM231模擬量擴展模塊和一個EM235模擬量擴展模塊，EM231具有4個模擬量輸入通和2個模擬量輸出通道。

圖3 PLC控制回路圖

四、GPRS與PLC之間的通信

　　在對GPRS通信模塊MD720-3與S7-200PLC進行連接之前，一定要在MD720-3里面插入移動的SIM卡（向移動公司確認(rèn)已經(jīng)開通GPRS服務(wù)，且必須知道此SIM卡的PIN碼），GPRS通信模塊MD720-3與S7-200 PLC之間的硬件連接圖如圖4所示。

圖4  MD720-3與S7-200 PLC之間的連接

五、綜述

　　通過GPRS網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場進行實時監(jiān)控，使系統(tǒng)具有更高的實時性、可靠性。我們不難看出它的應(yīng)用給人們的生產(chǎn)和生活帶來了巨大變革，尤其在工控遠(yuǎn)程監(jiān)控中，它發(fā)揮了關(guān)鍵而重要的作用。

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