一、系統(tǒng)構成及控制要求

1.系統(tǒng)組成結構

本系統(tǒng)采用三臺泵，兩用一備的設計，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)?？刂葡到y(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備調試、故障自動檢查和維修維護時使用。

　　當系統(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)已不能滿足當前的用水量，此時應將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，等電源恢復通電以后，系統(tǒng)將自動恢復到初始狀態(tài)開始重新運行。變頻自動控制是本系統(tǒng)應當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

　　二十一世紀以來，隨著網絡和通信技術的飛躍發(fā)展，特別是無線通信技術的發(fā)展，促使水利/水電部門不斷提升自動化水平。GSM網絡的產生就是一個例子，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(General Packet Radio Service) 簡稱為GPRS，是在GSM系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的一種新型的數(shù)據(jù)承載業(yè)務，支持TCP/IP協(xié)議，可以與分組數(shù)據(jù)網（Internet等）直接互通信息，充分利用了網絡資源，具有登錄網絡快捷、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)務中使用。

　　GPRS通信網絡所用的頻段、頻帶、跳頻規(guī)則、調制標準以及TDMA幀結構與GSM網絡是相同的。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎上構建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服務支持節(jié)點(ServingGPRS Support Node ,SGSN)；

2.GPRS網關支持節(jié)點(GatewayGPRS Support Node ,GGSN)；

3.在BSC基礎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。

　　本系統(tǒng)采用S7-200 PLC專用的GPRS通信模塊MD720-3，該模塊由調制解調器、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，主要應用于供水及污水處理、石油、天然氣、供熱管網、交通運輸和自動化等行業(yè)，考慮到各個行業(yè)組網方面的需求，利用GPRS網絡平臺可以實現(xiàn)在數(shù)據(jù)信息方面透明傳輸，在網絡結構上可以實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)專用網，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應用程序(路由服務器和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調制解調器進行數(shù)據(jù)交換；

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

（5）工作過程中，在GPRS和CSD(調制解調器工作方式)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商網絡(此網絡沒有為調制解調器提供公共和固定IP地址)進行訪問時。

三、控制系統(tǒng)電路設計

1、主電路設計圖

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，QF1-QF3分別為1號水泵到3號水泵的三相電源控制開關。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)開關量信號表

(2)模擬量信號表

4.PLC控制回路

　　在設計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（向移動公司確認已經開通GPRS服務，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網絡對現(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用給人們的生產和生活帶來了巨大變革，尤其在工控遠程監(jiān)控中，它發(fā)揮了關鍵而重要的作用。

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