供水系統中無線通訊的實現
摘要
本文從實際問題出發，為聊城水利局設計了一套遠程供水控制系統方案，著重介紹了無線通訊方式在系統中的應用情況。我們主要采用世界上技術先進的德國西門子產品（可編程序控制器PLC、變頻器、上位監控軟件WinCC等），設計完成了水源地泵站控制系統、泵站群集中控制中心、水廠控制系統。
1、 引言
隨著現代城市的發展，水資源的供應和調度顯得十分重要，為了實現水資源的合理統配和調度，通訊系統顯得十分重要，針對本系統的通訊的一些問題，我們開拓思維，大膽改造，提出了利用無線通訊系統實現供水的具體方案而且付諸實施。
2、工程簡介
2.1 東阿供水工程的系統簡介
東阿供水工程是聊城市水利局交給我公司負責的一個項目，目的是解決聊城市供水緊張的問題。
東阿供水工程水源地共布設深井12眼，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#井用變頻器控制深井泵電機，7#、 8#、9#、10#、11#、12#井用軟起動器控制深井泵電機。所有井分布在方圓幾公里范圍，經輸水道匯總送水至聊城市水廠蓄水池，距離達四十公里。
有兩個控制室：
一個主控室在水源地，離泵井比較近，約兩公里左右，為水源地主控室，統一協調各泵站的運行，進行實地的監測和調度；
一個主控室在聊城水利局下屬水廠，距離水源地幾十公里，目的是監控蓄水情況，同時進行統一供水協調。
由于水源地的井分布比較分散，而且距離水源地主控室較遠，所以需要建立一套比較先進的中心自動控制系統，對分散的各個井進行集中控制和管理。
2.2實際控制要求和依據：
系統設計能力為6萬噸/24小時，平均供水2500立方米/小時；水源地有12眼井供水，其中6臺120kw,6臺75kw；水廠有2個5000立方米的蓄水池，共計10000立方米；水源地與自來水廠蓄水池的距離為43.5公里，每個泵站的運行要求有手動、自動和遠程控制三種方式；所有泵站群設一集中控制室，統一協調各泵站的運行，實現泵群的聯網運行；聊城水廠設一遠程監控站點，實現遠程調度。根據聊城水利局的技術要求，共有12個井位納入該監控系統，每臺泵站井位要對壓力信號、流量信號、液位信號、電機電流信號以及電機狀態進行檢測和控制，水廠儲水量為最終被控信號，即在現場泵站合理調度，使其運行在最合理情況下，來保障水廠儲水量的正常穩定。
3、系統設計及產品選型
3.1幾種設計方案比較
1.無線通訊方式和有線通訊方式的選擇
1）有線通訊方式是大多數工程普遍采取的通訊方式。它要求在12個井之間鋪設長達幾十千米的通訊電纜，通訊信號通過通訊電纜進行傳送。這種通訊方式技術已經比較成熟，而且通訊信號不易受到外部的干擾，但是它自身也有缺點：
通訊電纜的鋪設十分繁雜，它需要重新架線或挖溝鋪設電纜，而且幾十千米的通訊電纜也需要購進，這必將耗費大量的財力物力，使施工周期延長。
2）無線通訊方式是比較先進的通訊方式，目前尚沒有成熟的經驗供我們借鑒，因此我們也是在摸索、研究，但是它的潛力十分巨大。
與有線通訊相比，它具有很多自身的優點：
無線通訊是PLC將信號通過數字式電臺發射，遠方的PLC通過數字式電臺進行接收，它不用架設任何通訊電纜，而且數字電臺的價格完全可以接受，與有線通訊相比既省財力又省物力。
無線通訊可以很方便地進行擴展
我們完成的水源地的工程只是東阿一期供水工程今后還要不斷地建立新井，若采用無線通訊，新井只需要安裝一數字電臺，便可以完成與水源地控制室的無線通訊連接，系統的拓展十分的方便、簡單。
覆蓋范圍廣
我們選擇的數字電臺通訊能力可達周圍幾十公里，通訊幾乎可以不受空間的限制。
雖然有線通訊方式已比較成熟穩定，但通過仔細論證，我們決定采用無線通訊方式。
2.通訊處理器的選擇
我們原來準備在水源地控制室采用S7-224 PLC控制器，但在實驗階段發現它在面對繁重的通訊任務時顯得力不從心，因此我們決定采用S7-300系列的PLC S7-315，附加專用的通訊模塊CP-340實現通訊任務。更換后，發現通訊處理速度明顯加快，原來完成12個井的收發通訊操作需要大約1分鐘，現在只需要12秒。
3.是否用微波通訊
水源地主控室和水廠主控室距離40公里，兩地傳送的數據量不是很大，實時性要求不高，我們選擇大功率的數字電臺，而沒有選擇價格較高的微波方式進行通訊。水源地主控室和聊城水廠主控室各放置一個大功率電臺。
3.2 產品選型
根據上述技術要求，在保證完成供水工程工藝技術要求的前提下，控制裝置的選擇及監控系統的構成應以技術先進、運行可靠、操作簡單方便、畫面美觀逼真為出發點。變頻器選擇西門子MMEco系列的75KW變頻器6臺；在12個分散泵井上，每個泵井選擇1個S7-224 PLC控制器。理由是：單一泵井的通訊任務不多只需要在一定時間內循環接收主站的信號，然后返回一個信號，每個泵井現場的控制任務不多。此外每個泵井還需要1個EM231，1個EM235；水源地控制室選擇一個S7-315 PLC控制器，1個CP-340通訊處理器，它是整個水源地的控制中心，通過軟件編程可接受來自12個泵站、水廠的各個信號；水廠控制室選擇1個S7-315 PLC控制器，3個32輸入的SM321，1個32輸出的SM322，2個8輸入的SM331，1個8輸出的SM332；組態監控軟件為西門子的WINCC；無線通訊電臺選用Friendcom的模塊式數傳電臺。（供水工程系統幾何拓撲結構見圖1）
系統的信息傳輸采用兩種網絡，水源地控制室和水廠控制室內采用MPI有線網絡；在水源地12個泵站和水源地控制室以及水源地控制室和聊城水廠控制室之間采用快速的無線傳輸網絡。
4、軟件設計
4.1 水源地操作站S7-315的通訊程序
1）具體的通訊任務
水源地控制室必須不斷地保持與12個井的通訊聯系，要求速度盡量的快。通過無線電臺接收分散的12個井的液位、壓力、流量、電機狀態及電磁閥信息，傳送給上位機，通過無線電臺發送至水源地主控室，主控室操作員設置對12個井的控制信號，包括電機的開關、調速等信息，通過無線電臺發送至各個泵站，實現遠程無線遙控。主站向每個井發送20個字節，從每個井接收20個字節。
水源地主控室間隔1分鐘向聊城水廠通過大功率無線電臺傳送水源地的水量情況及井的運行信息，20個字節，以便于上級單位的統一調控和調度；同時從聊城水廠接受上級控制站的控制信息，20個字節。
2）主程序流程圖：
中斷程序流程圖：
4）程序說明啟動一個定時器，進行循環不間斷的12秒的定時，對每一個井的收發操作以一秒為單位。
調用FC1功能塊，FC1中主要完成對一些量的初始化
在每一秒的時間內產生0.8秒的使能信號；
將發送數據區對某個井發送的數據地址進行傳遞；
將井號置入發送數據的首字節。 啟動2秒定時器
次定時器的作用為當用戶想對某一個井單獨操作時，立即產生兩秒的控制信號，中斷對原來12個井的循環收發信息操作2秒，計時結束后，控制信號失效，自動恢復原來大循環操作。 在兩秒信號起作用的情況下，調用FC2功能塊。然后將傳送到特定井的數據緩沖區的地址分配好。
調用FC4功能塊
此功能塊的作用是產生一個數字校驗字節，為S7-214接收時作準備。 發送數據模塊FB3
此功能塊為與CP-340配合使用的功能塊，它的作用是將指定發送緩沖區的數據通過CP-340一次性發送出去。 接收數據模塊FB2
此功能塊也是與CP-340配合使用的，它的作用是將數頻電臺接收的數據信息存入指定的接收緩沖。 調用FC3功能塊。
此功能塊的作用是將數頻電臺接收的信息經過校驗后傳送到指定的數據接收區域。 調用1分鐘循環定時器
發送傳到聊城上位站的數據
中斷接收來自聊城上位站的信息
調用FC5功能塊
此功能塊的作用是將數頻電臺接收來的信息經過校驗，傳送到指定的數據接收區。
4.2 泵井的S7-224的通訊程序流程
1）
2）程序說明 開始的程序是現場泵井的操作指令，包括開啟泵井電機、開啟電磁閥、各種模擬量的引入和檢測及流量的累積。
調用SB0：SB0中主要是中斷控制字，開中斷，將接收事件與INT-11相連。
如果數字電臺接收到主站發送的控制信息，便調用INT-11。INT-11為接收事件的中斷發送子程序，在INT-11中比較第一位接受來的字節是否與此泵井的井號相一致，然后調用INT-12
INT-12中，循環接收6位主站發來的信息，放到一個數據緩沖區中，然后按一定的算法進行校驗，調用INT-13
INT-13中若檢測驗證接收的數據無誤，則將這些數據放到另外一個數據緩沖區中去，同時將此泵井的狀態信息發送回主站。
4.3聊城水廠的通訊流程圖
本文從實際問題出發，為聊城水利局設計了一套遠程供水控制系統方案，著重介紹了無線通訊方式在系統中的應用情況。我們主要采用世界上技術先進的德國西門子產品（可編程序控制器PLC、變頻器、上位監控軟件WinCC等），設計完成了水源地泵站控制系統、泵站群集中控制中心、水廠控制系統。
1、 引言
隨著現代城市的發展，水資源的供應和調度顯得十分重要，為了實現水資源的合理統配和調度，通訊系統顯得十分重要，針對本系統的通訊的一些問題，我們開拓思維，大膽改造，提出了利用無線通訊系統實現供水的具體方案而且付諸實施。
2、工程簡介
2.1 東阿供水工程的系統簡介
東阿供水工程是聊城市水利局交給我公司負責的一個項目，目的是解決聊城市供水緊張的問題。
東阿供水工程水源地共布設深井12眼，其中1#、2#、3#、4#、5#、6#井用變頻器控制深井泵電機，7#、 8#、9#、10#、11#、12#井用軟起動器控制深井泵電機。所有井分布在方圓幾公里范圍，經輸水道匯總送水至聊城市水廠蓄水池，距離達四十公里。
有兩個控制室：
一個主控室在水源地，離泵井比較近，約兩公里左右，為水源地主控室，統一協調各泵站的運行，進行實地的監測和調度；
一個主控室在聊城水利局下屬水廠，距離水源地幾十公里，目的是監控蓄水情況，同時進行統一供水協調。
由于水源地的井分布比較分散，而且距離水源地主控室較遠，所以需要建立一套比較先進的中心自動控制系統，對分散的各個井進行集中控制和管理。
2.2實際控制要求和依據：
系統設計能力為6萬噸/24小時，平均供水2500立方米/小時；水源地有12眼井供水，其中6臺120kw,6臺75kw；水廠有2個5000立方米的蓄水池，共計10000立方米；水源地與自來水廠蓄水池的距離為43.5公里，每個泵站的運行要求有手動、自動和遠程控制三種方式；所有泵站群設一集中控制室，統一協調各泵站的運行，實現泵群的聯網運行；聊城水廠設一遠程監控站點，實現遠程調度。根據聊城水利局的技術要求，共有12個井位納入該監控系統，每臺泵站井位要對壓力信號、流量信號、液位信號、電機電流信號以及電機狀態進行檢測和控制，水廠儲水量為最終被控信號，即在現場泵站合理調度，使其運行在最合理情況下，來保障水廠儲水量的正常穩定。
3、系統設計及產品選型
3.1幾種設計方案比較
1.無線通訊方式和有線通訊方式的選擇
1）有線通訊方式是大多數工程普遍采取的通訊方式。它要求在12個井之間鋪設長達幾十千米的通訊電纜，通訊信號通過通訊電纜進行傳送。這種通訊方式技術已經比較成熟，而且通訊信號不易受到外部的干擾，但是它自身也有缺點：
通訊電纜的鋪設十分繁雜，它需要重新架線或挖溝鋪設電纜，而且幾十千米的通訊電纜也需要購進，這必將耗費大量的財力物力，使施工周期延長。
2）無線通訊方式是比較先進的通訊方式，目前尚沒有成熟的經驗供我們借鑒，因此我們也是在摸索、研究，但是它的潛力十分巨大。
與有線通訊相比，它具有很多自身的優點：
無線通訊是PLC將信號通過數字式電臺發射，遠方的PLC通過數字式電臺進行接收，它不用架設任何通訊電纜，而且數字電臺的價格完全可以接受，與有線通訊相比既省財力又省物力。
無線通訊可以很方便地進行擴展
我們完成的水源地的工程只是東阿一期供水工程今后還要不斷地建立新井，若采用無線通訊，新井只需要安裝一數字電臺，便可以完成與水源地控制室的無線通訊連接，系統的拓展十分的方便、簡單。
覆蓋范圍廣
我們選擇的數字電臺通訊能力可達周圍幾十公里，通訊幾乎可以不受空間的限制。
雖然有線通訊方式已比較成熟穩定，但通過仔細論證，我們決定采用無線通訊方式。
2.通訊處理器的選擇
我們原來準備在水源地控制室采用S7-224 PLC控制器，但在實驗階段發現它在面對繁重的通訊任務時顯得力不從心，因此我們決定采用S7-300系列的PLC S7-315，附加專用的通訊模塊CP-340實現通訊任務。更換后，發現通訊處理速度明顯加快，原來完成12個井的收發通訊操作需要大約1分鐘，現在只需要12秒。
3.是否用微波通訊
水源地主控室和水廠主控室距離40公里，兩地傳送的數據量不是很大，實時性要求不高，我們選擇大功率的數字電臺，而沒有選擇價格較高的微波方式進行通訊。水源地主控室和聊城水廠主控室各放置一個大功率電臺。
3.2 產品選型
根據上述技術要求，在保證完成供水工程工藝技術要求的前提下，控制裝置的選擇及監控系統的構成應以技術先進、運行可靠、操作簡單方便、畫面美觀逼真為出發點。變頻器選擇西門子MMEco系列的75KW變頻器6臺；在12個分散泵井上，每個泵井選擇1個S7-224 PLC控制器。理由是：單一泵井的通訊任務不多只需要在一定時間內循環接收主站的信號，然后返回一個信號，每個泵井現場的控制任務不多。此外每個泵井還需要1個EM231，1個EM235；水源地控制室選擇一個S7-315 PLC控制器，1個CP-340通訊處理器，它是整個水源地的控制中心，通過軟件編程可接受來自12個泵站、水廠的各個信號；水廠控制室選擇1個S7-315 PLC控制器，3個32輸入的SM321，1個32輸出的SM322，2個8輸入的SM331，1個8輸出的SM332；組態監控軟件為西門子的WINCC；無線通訊電臺選用Friendcom的模塊式數傳電臺。（供水工程系統幾何拓撲結構見圖1）
系統的信息傳輸采用兩種網絡，水源地控制室和水廠控制室內采用MPI有線網絡；在水源地12個泵站和水源地控制室以及水源地控制室和聊城水廠控制室之間采用快速的無線傳輸網絡。
4、軟件設計
4.1 水源地操作站S7-315的通訊程序
1）具體的通訊任務
水源地控制室必須不斷地保持與12個井的通訊聯系，要求速度盡量的快。通過無線電臺接收分散的12個井的液位、壓力、流量、電機狀態及電磁閥信息，傳送給上位機，通過無線電臺發送至水源地主控室，主控室操作員設置對12個井的控制信號，包括電機的開關、調速等信息，通過無線電臺發送至各個泵站，實現遠程無線遙控。主站向每個井發送20個字節，從每個井接收20個字節。
水源地主控室間隔1分鐘向聊城水廠通過大功率無線電臺傳送水源地的水量情況及井的運行信息，20個字節，以便于上級單位的統一調控和調度；同時從聊城水廠接受上級控制站的控制信息，20個字節。
2）主程序流程圖：
中斷程序流程圖：
4）程序說明
在每一秒的時間內產生0.8秒的使能信號；
將發送數據區對某個井發送的數據地址進行傳遞；
將井號置入發送數據的首字節。
次定時器的作用為當用戶想對某一個井單獨操作時，立即產生兩秒的控制信號，中斷對原來12個井的循環收發信息操作2秒，計時結束后，控制信號失效，自動恢復原來大循環操作。
此功能塊的作用是產生一個數字校驗字節，為S7-214接收時作準備。
此功能塊為與CP-340配合使用的功能塊，它的作用是將指定發送緩沖區的數據通過CP-340一次性發送出去。
此功能塊也是與CP-340配合使用的，它的作用是將數頻電臺接收的數據信息存入指定的接收緩沖。
此功能塊的作用是將數頻電臺接收的信息經過校驗后傳送到指定的數據接收區域。
此功能塊的作用是將數頻電臺接收來的信息經過校驗，傳送到指定的數據接收區。
4.2 泵井的S7-224的通訊程序流程
1）
2）程序說明
4.3聊城水廠的通訊流程圖
5、控制系統完成的功能
1.東阿水源地完成的功能
在水源地主控室，操作員可以對12個泵井實施無線群控，監視其運行狀態。同時主控室接受來自聊城水廠的上位信息，根據水廠的儲水量情況，采取相應的控制算法如PID算法、經驗值法（在這不詳細介紹了）控制水源地各個泵井變頻值，從而滿足聊城水廠的水量要求。
2.聊城水廠完成的功能
水廠共有2個5000立方米的蓄水池，水廠主控室控制水廠的自來水生產、調度，實時監控蓄水池夜位、水廠的出水量，根據生產情況將控制信息無線傳送給水源地，從而達到合理、有效、快捷的取水的目的。
6、應用體會
6.1 此次項目采用無線通訊的方式，可借鑒的經驗不多，主要是靠在項目中邊干便摸索。其中S7-315 PLC掛電臺和S7-224 PLC掛電臺的通訊試驗了很長時間，經過反復修改電臺的通訊參數和PLC的通訊程序才最終成功，其間西門子的技術支持給予了很大的幫助，在此表示衷心的感謝。
6.2 通訊模塊CP340是點對點的串行通訊處理器，提供3種不同的傳輸接口：RS232C、20MA（TTY）、RS422/RS485，通訊方式十分靈活，在模塊內部已經集成好了傳輸協議，直接在STEP7中進行必要的參數設置，便可實現S7-315和電臺間的數據通訊。S7-200和電臺連接直接通過S7-200的自由通訊口就可以了。
6.3 無線通訊的干擾很多，通訊系統的穩定性是至關重要的。曾經有一次在調試設備時，軟啟誤動作，后來分析是通訊中串入了干擾信號，我們又重新設計了軟件加密算法，增加了一個校驗字節，發送時和有用數據一起發送，對方電臺接收到數據后，先判斷地址是否正確，然后進行解密運算，和收到的校驗字節比較，看收到的數據是否準確。改進后的通訊系統可靠性大大提高。
6.4 這個項目水源地和聊城水廠的距離很遠，PID的調節屬于長距離大延遲的控制模式，因此在配置參數時比較困難，我們又根據經驗的數據設計了幾個經驗控制方法，在控制要求不是很精確的情況下，控制效果還可以。
7、結束語
本系統于自試用運行以來，控制功能穩定，設備運行良好。其間根據用戶的要求進行了多次的擴展，泵井數量由原來的8個擴展到12個，顯示出了系統強大的擴展能力。現在整個系統已經通過驗收，得到了聊城市水利局的好評。目前本工程已經成為聊城市生活供水的重要樞紐，每天穩定、充足的提供水資源，成為造福聊城人民的重要公益事業工程，切切實實關系著本地區的國計民生，經濟和政治意義已經十分顯著。
1.東阿水源地完成的功能
在水源地主控室，操作員可以對12個泵井實施無線群控，監視其運行狀態。同時主控室接受來自聊城水廠的上位信息，根據水廠的儲水量情況，采取相應的控制算法如PID算法、經驗值法（在這不詳細介紹了）控制水源地各個泵井變頻值，從而滿足聊城水廠的水量要求。
2.聊城水廠完成的功能
水廠共有2個5000立方米的蓄水池，水廠主控室控制水廠的自來水生產、調度，實時監控蓄水池夜位、水廠的出水量，根據生產情況將控制信息無線傳送給水源地，從而達到合理、有效、快捷的取水的目的。
6、應用體會
6.1 此次項目采用無線通訊的方式，可借鑒的經驗不多，主要是靠在項目中邊干便摸索。其中S7-315 PLC掛電臺和S7-224 PLC掛電臺的通訊試驗了很長時間，經過反復修改電臺的通訊參數和PLC的通訊程序才最終成功，其間西門子的技術支持給予了很大的幫助，在此表示衷心的感謝。
6.2 通訊模塊CP340是點對點的串行通訊處理器，提供3種不同的傳輸接口：RS232C、20MA（TTY）、RS422/RS485，通訊方式十分靈活，在模塊內部已經集成好了傳輸協議，直接在STEP7中進行必要的參數設置，便可實現S7-315和電臺間的數據通訊。S7-200和電臺連接直接通過S7-200的自由通訊口就可以了。
6.3 無線通訊的干擾很多，通訊系統的穩定性是至關重要的。曾經有一次在調試設備時，軟啟誤動作，后來分析是通訊中串入了干擾信號，我們又重新設計了軟件加密算法，增加了一個校驗字節，發送時和有用數據一起發送，對方電臺接收到數據后，先判斷地址是否正確，然后進行解密運算，和收到的校驗字節比較，看收到的數據是否準確。改進后的通訊系統可靠性大大提高。
6.4 這個項目水源地和聊城水廠的距離很遠，PID的調節屬于長距離大延遲的控制模式，因此在配置參數時比較困難，我們又根據經驗的數據設計了幾個經驗控制方法，在控制要求不是很精確的情況下，控制效果還可以。
7、結束語
本系統于自試用運行以來，控制功能穩定，設備運行良好。其間根據用戶的要求進行了多次的擴展，泵井數量由原來的8個擴展到12個，顯示出了系統強大的擴展能力。現在整個系統已經通過驗收，得到了聊城市水利局的好評。目前本工程已經成為聊城市生活供水的重要樞紐，每天穩定、充足的提供水資源，成為造福聊城人民的重要公益事業工程，切切實實關系著本地區的國計民生，經濟和政治意義已經十分顯著。
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