GPRS无线数据通信技术在远程恒压供水系统中的应用

一、系统构成及控制要求

1.系统组成结构

本系统采用三台泵，两用一备的设计，用一台变频器分别控制三台水泵，主要有控制中心、监控中心、水源现场终端和无线通信系统。控制系统的原理如图1所示。

2.系统控制要求：

　　整个系统的控制分为手动和自动两种运行方式。

　　当系统处于手动控制运行时，可以在触摸屏上随意启动系统中任何一台水泵，采用按下启动或停止按钮使水泵运行，可根据需要增开水泵的启停，但是，注意手动运行时，不允许水泵直接工频启动，只能由变频器拖动水泵开始运行，在必要时，可以用变频器启动其他的水泵运行。该手动控制方式主要供设备调试、故障自动检查和维修维护时使用。

　　当系统处于自动控制运行时，首先由1号水泵电机变频运行，此时变频器输出频率从0Hz逐渐增加，同时PLC把接收到的压力信号与给定压力进行比较并运算结果后再送回变频器。如果供水压力不足，则变频器频率上升为50Hz，变频器频率输出到达上限频率，PLC经过延时，1号水泵电机由变频运行迅速切换为工频运行，2号水泵电机变频运行；如果供水压力仍不能满足用水要求，则说明该状态已不能满足当前的用水量，此时应将2号水泵电机由变频切换成工频，3号水泵电机变频运行；如果流量变小，PLC先停止1号水泵电机，再停止2号水泵电机，以保证管网压力恒定，满足用水需求；如果电源瞬时停电，则系统停机不再运行，等电源恢复通电以后，系统将自动恢复到初始状态开始重新运行。变频自动控制是本系统应当具有的最基本的一项功能，其能自动完成对3台水泵的启/停、循环变/工频的切换工作。

二、GPRS通讯方式及模块选择

　　二十一世纪以来，随着网络和通信技术的飞跃发展，特别是无线通信技术的发展，促使水利/水电部门不断提升自动化水平。GSM网络的产生就是一个例子，专业人员将GSM模块嵌入到许多仪器仪表中以使它们具备通信功能，如故障测录仪、多功能电能表等。通用分组无线业务(General Packet Radio Service) 简称为GPRS，是在GSM系统基础上发展起来的一种新型的数据承载业务，支持TCP/IP协议，可以与分组数据网（Internet等）直接互通信息，充分利用了网络资源，具有登录网络快捷、数据以流量计费、实时在线、数据传输速度快等优点，尤其适合在突发性、小流量的数据传输业务中使用。

　　GPRS通信网络所用的频段、频带、跳频规则、调制标准以及TDMA帧结构与GSM网络是相同的。因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统中的绝大部分硬件连接都没有必要作改动，只需对软件进行升级。构成GPRS系统的方法是在GSM系统中引入3个主要功能实体：

1.GPRS服务支持节点(ServingGPRS Support Node ,SGSN)；

2.GPRS网关支持节点(GatewayGPRS Support Node ,GGSN)；

3.在BSC基础上增加分组控制单元(Packet Control Unit，PCU)。

其中BSS由基站收发平台(Base Transceiver Station，BTS)和基站控制器(Base Station Controller，BSC)组成。此外，移动台(Mobile Station，MS)需要采用GPRS 终端来支持GPRS业务。

　　本系统采用S7-200 PLC专用的GPRS通信模块MD720-3，该模块由调制解调器、天线和GPRS通信管理软件等组成，实现PLC的GPRS无线连接[22]。该模块的功能如下：

（1）通过GPRS可以建立多达256个SIMATIC S7-200站点与控制中心的连接；

（2）基于IP与运行在PC上的 SINAUT MICRO SC应用程序进行数据交换；

（3）用路由器能够建立控制中心PLC与水源现场PLC各站点间的GPRS无线通讯；

（4）由GPRS模块自动建立并保持与互联网的在线连接。

（二）GPRS模块选择

　　系统用西门子公司推出的GPRS无线数据通讯模块SINAUT MD720-3，该模块是西门子S7-200系列PLC理想的GPRS通信模块，主要应用于供水及污水处理、石油、天然气、供热管网、交通运输和自动化等行业，考虑到各个行业组网方面的需求，利用GPRS网络平台可以实现在数据信息方面透明传输，在网络结构上可以实现虚拟数据专用网，特别适合点对多点、点多分散的中小数据量的传输。GPRS模块SINAUT MD720-3的实物图如图2所示。

图2  GPRS模块SINAUT MD720-3

该模块的特点及功能如下：

（1）通过GPRS可以建立多达256个SIMATIC S7-200站点与控制中心的连接；

（2）基于IP，与运行在PC上的 SINAUTMICRO SC应用程序(路由服务器和OPC Server)进行数据交换；

（3）通过SINAUT MICRO SC的路由功能能够建立控制中心PLC与水源现场PLC各站点间的GPRS无线通讯，且可与其它MD720-3调制解调器进行数据交换；

（4）由GPRS模块自动建立并保持与互联网的在线连接(基于IP)；

（5）工作过程中，在GPRS和CSD(调制解调器工作方式)间进行切换；

（6）使用AT命令可以控制CSD和GPRS连接；

（7）支持RS-232/485接口，数据终端能永远在线；　

（8）保护S7-200的数据访问，同样适用于通过手机供应商网络(此网络没有为调制解调器提供公共和固定IP地址)进行访问时。

三、控制系统电路设计

1、主电路设计图

图中，M1、M2、M3 为三台水泵电机，QF0为整个电路的三相电源控制开关，QF1-QF3分别为1号水泵到3号水泵的三相电源控制开关。KM0为变频器的供电接触器，接到变频器L1、L2、L3端子上。KM1-KM3为1号水泵到3号水泵的工频电源工作时的交流接触器，主要控制三台电机的运行，FR1-FR3 为1号水泵到3号水泵变频电源工作时具有过载保护用的热继电器。KM4-KM6为1号水泵~到3号水泵变频工作时的接触器，来自变频器的输出端U、V、W。如图3所示。

图3   主电路图

2.变频器信号连接表

3.PLC输入输出信号分配表

(1)开关量信号表

(2)模拟量信号表

4.PLC控制回路

　　在设计PLC控制回路时，弱电与强电之间的隔离是首要考虑的问题。为维护PLC装置，其输出端口必须经过中间继电器去控制电机的运行，其端口不可以直接连接交流接触器。设计在两者之间引入中间继电器，其目的就是为了解决强电与弱电之间隔离的问题，起到了保护系统、增强系统运行可靠性和延长系统使用寿命的目的PLC接线如图3所示。

　　根据蓄水池的输入、输出点数，选用西门子S7-200系列PLC的CPU224模块，该模块的I/O点数为14入10出，采用24V直流输入，继电器输出方式。另外，再接一个16输入16输出的数字量扩展模块EM222。蓄水池还有7个模拟量输入，一个模拟量输出，因此要有一个EM231模拟量扩展模块和一个EM235模拟量扩展模块，EM231具有4个模拟量输入通和2个模拟量输出通道。

图3 PLC控制回路图

四、GPRS与PLC之间的通信

　　在对GPRS通信模块MD720-3与S7-200PLC进行连接之前，一定要在MD720-3里面插入移动的SIM卡（向移动公司确认已经开通GPRS服务，且必须知道此SIM卡的PIN码），GPRS通信模块MD720-3与S7-200 PLC之间的硬件连接图如图4所示。

图4  MD720-3与S7-200 PLC之间的连接

五、综述

　　通过GPRS网络对现场进行实时监控，使系统具有更高的实时性、可靠性。我们不难看出它的应用给人们的生产和生活带来了巨大变革，尤其在工控远程监控中，它发挥了关键而重要的作用。

参考文献： 

[1]韩超 基于GPRS 的城市供热监控监测系统  

[2]刘燕 陈兴文 基于GPRS 实现供水管网远程自动监测系统

[3]微计算机信息，2010， 26(5)： 83-85 

[4]陈晓琴 基于GPRS 技术的远程船舶机舱监控系统的设计[J] 船电技术，2009， 29(7)： 57-59 

[5]郭小拓 基于GPRS 的远程环保监控系统的设计 [J] 浙江传媒学院学报，2009， 16(5)： 74-76 

[6]张春荣 范寒柏 基于 GPRS 远程监控系统数据终端的研究

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