摘 要：Profibus是過程控制及制造業自動化應用廣泛的現場總線，針對城市供水系統存在的監控點多、供水泵站分布零散、環境差異大等問題，使用Profibus現場總線技術、GPRS技術、傳感器檢測技術及PLC技術，設計了城市供水監控網絡系統，完成了多個分散供水泵站的集中管理和遠程控制，從而實現城市供水監控管理一體化。 關鍵詞：Profibus 城市供水系統 GPRS技術 1 前言 　　在城市供水系統中普遍存在數據采集點分散、現場工作環境千差萬別，圖1是某城市供水系統流程圖。源水取黃河水源;兩級沉淀池絮凝沉淀（各4座沉淀池），根據出水濁度、流量，自動控制添加絮凝劑。整個供水設計了五個泵房（10KV高壓泵）,經過三級加壓提升，揚程385米。 　　根據城市供水工藝，廠家要求建立自來水管網監控系統，主要針對分散的各個泵站中管道的流量、濁度、壓力等參數進行采集，通過數據通訊送往監控中心，便于監控人員對整個管網運行狀況實施監控、并及時對分析相關數據，找出水質不符合標準的原因，從而通過控制手段進行調整，以保證供水質量。為此，我們應用Profibus總線、GPRS技術、傳感器檢測技術、PLC設計了“基于Profibus總線的城市供水管網系統”，實現了各泵站設備運行情況的遠程監控，既保障了城市供水系統正常運行，又保證了低投入情況下的城市供水質量。 2 系統組成 　　城市監控管理系統如圖2所示。系統由三級網絡構成，最上級工業以太網Ethernet，使用通訊協議，負責傳送生產管理信息。中間一級現場總線Profibus，采用令牌和主從輪詢相結合的控制方式，實現現場、控制和監控3級通信。調度人員可以通過Siemens 工控機隨時遠程監控各泵站設備的運行情況。最低一級是執行器級總線AS-I，負責與現場傳感器、儀表和執行機構的通信[1]。 [align=center] 圖2 城市供水管網監控系統[/align] 　　2.1 S7-300及Profibus簡介 　　S7-300是西門子公司生產的可編程控制器[2]，具有強大運算處理功能，且自動集成了Profibus總線接口裝置，實時特性強、 可靠性高、運行速度快。本系統應用三套S7-300， 　　完成系統的實時控制。Profibus是一種開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡，按照ISO/OSI參考模型制定的現場總線標準EN50170, 采用令派牌和主從輪詢相結合的存取控制方式。 Profibus協議結構采用OSI參考模型的第一層、第二層和第七層。第一層物理層（physical layer），主要處理機械、電氣和過程接口，采用RS-485協議，可使用標準雙絞線或光纜兩種傳輸介質。第二層是現場總線數據鏈路FDL（data link layer ）,主要任務是加強物理層傳輸原始比特功能，使之對網絡層顯現為一條無錯線路。第七層是應用層（opplication layer）用來提供可靠的傳輸。Profibus總線上的設備包括主站和從站，主站在限定時間內對總線有控制權可以向從站發送數據或接收從站數據，從站僅響應主站的請求及確認主站發送的數據。根據應用特點Profibus可分為三個兼容版本，即Profibus_FMS（fieldbus message specification 現場總線報文規范）、Profibus_DP（decentralized periphery 分散型外圍設備）、Profibus_PA（process automation工程自動化）,可實現現場、控制、和監控3級通信。由于Profibus_DP用于分散設備間的高數據傳輸，根據系統監控特點，選用Profibus_DP，將調度主站與S7-300，及檢測裝置構成局域網絡，通信協議由Profibus協議完成，通信網絡使用RS-485標準雙絞線，實現了控制單元與監控主機的多主通信[3]。 　　2.2調度主站控制 　　操作系統為WINDOWS NT WORKSTATION Ver 4.0，KERNEL SP4。監控平臺使用美國InteLLution公司的FIXMMI工業控制軟件，直接嵌入NT操作系統內部。實現了生產現場的動態監控，調度主站的上位機具有監視、實時控制、數據記錄、報表打印功能。直觀的組態圖形可以使調度管理人員監視到現場工藝動態流程;重要設備的運行狀態;各工作站的工藝參數、機電參數、濾池反沖工藝參數;設備的啟停及閥門的動作情況;實時控制實現了對濾池反沖過程參數的設定與修改;包括水位的設定;報警上、下限的設定。數據記錄功能記錄了各測量點200天的數據，完全滿足了歷史查詢的需要。報表打印可打印過去有效時間的工作日志，也可即時打印，滿足了生產數據的存檔。調度主站操作系統設有操作員權限，即考慮到調度操作的方便，又有效地防止了無關人員的誤操作[4]。 　　2.3 V型濾池自控部分 　　我國于八十年代開始引進法國DEGREMONT（德利滿）公司開發的V型濾池，V型濾池過濾和濾料再生的自動控制是濾池正常生產運行的保障。我們采用了可編程序控制器和工業電腦（PLC+IPC）組成的實時多任務集散型控制系統，對濾池過濾和反沖洗實行自動控制。其功能是：實現六套系統恒水過濾;濾池反沖自動化、實現調度對工藝的實時監控。整個控制系統是基于西門子系列可編程控制器對六個濾池控制由兩套S7–300PLC實現。S7–300PLC1控制1#、2#、3#濾池，S7–300PLC2控制4#、5#、6#濾池，S7–200PLC3控制六個濾池的反沖泵和風機系統，完成對六個濾池反沖的自動控制。 　　濾池恒水位過程的控制主要通過調節濾后水調節閥實現水位的恒定，在濾池的相應部位安裝了水位傳感儀、水頭損失傳感器。濾池的過濾就是通過它們測出濾池的水位和水頭損失，將水位值及濾后水閥門的開啟度送入PLC，經PLC中PID模塊運算，調節濾后水調節閥實現水位的恒定，設計中應用PID模塊[2]，僅采用比例、積分控制，關閉微分回路，較好的實現了恒水位控制[5]。 　　2.4 濾池的反沖控制 　　一組濾池的反沖洗由S7-300來控制。當過濾達到過濾周期或濾池壓差（水頭）設定值時，濾池提出反沖洗請求，S7-300根據濾池的優先秩序，組成一個請求反沖洗隊列。一旦響應某格濾池的請求，PLC實施反沖洗的整個過程，在一組濾板中，不允許兩個濾池同時進行反沖洗，當一只濾池正在反沖洗時，其它濾池請求反沖洗的信號則存入公用的PLC中，然后再按存儲秩序，對濾池依次進行反沖洗。調度對濾池的監控通過PROFIBUS總線通信實現。 　　濾池反沖洗時，PLC的控制過程：打開反沖洗排水閥，當濾池水位下降到洗砂排水槽頂時，關閉濾后水控制閥;啟動鼓風機，5秒鐘后，打開濾池反沖洗氣閥，對濾池進行1分鐘氣預沖;打開反沖洗水閥，啟動反沖洗水泵，進行7分鐘的氣水同時反沖洗;關閉反沖洗氣閥，5秒鐘后，停鼓風機，打開空氣隔膜閥排氣，進行5分鐘清水反沖漂洗后，停反沖水泵。5秒鐘后，關閉水反沖洗閥，然后關閉反沖洗排水閥，打開待濾水進水閥，濾池恢復過濾。整個反沖洗過程歷時約25分鐘。 　　另外，PLC還能控制濾池的開啟個數，它根據濾池進水流量確定濾池的開啟個數，按先停先開的原則確定某格濾池的開、停。反沖過程執行時間可由監控微機改變或TD200現場操作。調度對濾池的監控通過PROFIBUS總線通信實現。V型濾池自控部分設計了自動與手動兩種功能，當自動部分出故障時，手動能控制生產，保證了生產的正常進行。 3 GPRS技術 　　現場應用中的一號泵站～六號泵站及加壓泵站分布距離遠，數據傳輸量少，建立專用的有線數據交換系統明顯性價比低，而使用無線傳輸方式由于地理位置的差異導致誤碼率高。隨著通訊技術的進步，GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線業務，已經成為中國移動主推的上網方式。GPRS為中國移動公司利用移動或聯通的網絡，不需用戶對網絡維護，網絡信號可靠具有身份認證和加密功能;其核心網絡層采用IP技術，低層可使用多種傳輸技術，可以很方便的與IP網絡無縫連接;由于城市供水工程已安裝上網工程，在數據接收端具有靜態IP地址，所以系統利用中國移動的GPRS公共網絡，安全實現對各監控點的數據傳送工作，不僅降低了設備價格，而且減少了設備安裝費后期維護工作。 [align=center] 圖3 遠程傳送數據流程[/align] 　　系統數據傳送流程如圖3所示：數據采集點通過RS232將采集的數據發送到GPRS模塊，GPRS模塊采用德國Funkanlagen Leipoldt OHC公司的Falcom TWIST工業級模塊，GPRS模塊將數據打包成PDU（分組數據單元），發送至基站控制器，PDU經SND層（子網依賴結合層）處理，成為SNDC數據單元，然后經過LLC層（邏輯鏈路控制層）處理成LLC幀，通過空中接口傳送至GSM網絡移動臺所處的SGSN（Serving GPRS Supporting Node）GPRS服務支持點，SGSN通過GSM主干網把數據送到GGSN（Gateway GPRS Support Node）GPRS網關支持結點，GGSN把收到的消息進行解碼處理，轉換為可在公用數據網中傳送的格式，最終送到公用數據網中的用戶處。服務器端接收到數據后，將數據送入監控程序，顯示監控點的數據并保存在數據庫中[6]。 4 結束語 　　上述系統已應用在某城市上水供水系統，日供水量10萬噸，共有36個采集點，4座沉淀池，5個加壓泵房，分布在方圓80平方公里，其中包括水源的源頭部分、郊區、市區。由于地理位置差異（水源到供水點揚程385米），水源源頭無法實現有線通訊，市區的高層建筑阻礙了短波通訊的設立，網絡工程的建設使得采用GPRS成為主要通訊的主要手段。該系統將微機監控系統、檢測與控制技術、高速網絡通訊技術結合起來，實現了供水系統管控一體化，為城市供水系統生產過程的優化決策和在線控制提供了正確依據。 　　本文創新點：應用Profibus總線技術成功實現了城市供水系統遠程管理監控網絡化，采用GPRS技術解決了供水系統的數據采集點分散、采集點之間距離跨度大、環境差異大等難題。由于GPRS為公用網絡信息平臺，網絡信號安全可靠，設備安裝調試方便（GSM網絡為移動公司建設，不需用戶關心），施工周期短，網絡維護簡單、通訊質量可靠。GPRS的計費以數據傳輸量為依據，特別適用于采集點多、分布地域廣、傳輸量小的非實時系統。 參考文獻 　　[1]鐘肇新等，可編程控制器原理及應用，華南工業出版社,2003年 　　[2]臺方，耿紅旗.可編程控制器應用教程.中國水利水電出版社,2002年 　　[3] 李曉東，孫鶴旭等PROFIBUS-DP在網絡化過程控制系統中的應用[J]微計算機信息，2005，21（5）:22-24 　　[4] 田紅芳,李穎宏.PROFIBUS總線技術在啤酒生產線中的應用.儀表技術與傳感器2006（11）：30-32 　　[5] 張維，祁偉，吳涓.城市供水工程管理控制一體化研制與應用 微計算機信息2005（8）:96、90 　　[6]朱之飛. GPRS技術在自來水管網監控中的應用. 電氣自動化,2004（6）:37-42