关键词：Profibus 城市供水系统 GPRS技术
1 前言
在城市供水系统中普遍存在数据采集点分散、现场工作环境千差万别，图1是某城市供水系统流程图。源水取黄河水源;两级沉淀池絮凝沉淀（各4座沉淀池），根据出水浊度、流量，自动控制添加絮凝剂。整个供水设计了五个泵房（10KV高压泵）,经过三级加压提升，扬程385米。
根据城市供水工艺，厂家要求建立自来水管网监控系统，主要针对分散的各个泵站中管道的流量、浊度、压力等参数进行采集，通过数据通讯送往监控中心，便于监控人员对整个管网运行状况实施监控、并及时对分析相关数据，找出水质不符合标准的原因，从而通过控制手段进行调整，以保证供水质量。为此，我们应用Profibus总线、GPRS技术、传感器检测技术、PLC设计了“基于Profibus总线的城市供水管网系统”，实现了各泵站设备运行情况的远程监控，既保障了城市供水系统正常运行，又保证了低投入情况下的城市供水质量。
2 系统组成
城市监控管理系统如图2所示。系统由三级网络构成，最上级工业以太网Ethernet，使用通讯协议，负责传送生产管理信息。中间一级现场总线Profibus，采用令牌和主从轮询相结合的控制方式，实现现场、控制和监控3级通信。调度人员可以通过Siemens 工控机随时远程监控各泵站设备的运行情况。最低一级是执行器级总线AS-I，负责与现场传感器、仪表和执行机构的通信[1]。
图2 城市供水管网监控系统
2.1 S7-300及Profibus简介
S7-300是西门子公司生产的可编程控制器[2]，具有强大运算处理功能，且自动集成了Profibus总线接口装置，实时特性强、 可靠性高、运行速度快。本系统应用三套S7-300，
完成系统的实时控制。Profibus是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，按照ISO/OSI参考模型制定的现场总线标准EN50170, 采用令派牌和主从轮询相结合的存取控制方式。 Profibus协议结构采用OSI参考模型的第一层、第二层和第七层。第一层物理层（physical layer），主要处理机械、电气和过程接口，采用RS-485协议，可使用标准双绞线或光缆两种传输介质。第二层是现场总线数据链路FDL（data link layer ）,主要任务是加强物理层传输原始比特功能，使之对网络层显现为一条无错线路。第七层是应用层（opplication layer）用来提供可靠的传输。Profibus总线上的设备包括主站和从站，主站在限定时间内对总线有控制权可以向从站发送数据或接收从站数据，从站仅响应主站的请求及确认主站发送的数据。根据应用特点Profibus可分为三个兼容版本，即Profibus_FMS（fieldbus message specification 现场总线报文规范）、Profibus_DP（decentralized periphery 分散型外围设备）、Profibus_PA（process automation工程自动化）,可实现现场、控制、和监控3级通信。由于Profibus_DP用于分散设备间的高数据传输，根据系统监控特点，选用Profibus_DP，将调度主站与S7-300，及检测装置构成局域网络，通信协议由Profibus协议完成，通信网络使用RS-485标准双绞线，实现了控制单元与监控主机的多主通信[3]。
2.2调度主站控制
操作系统为WINDOWS NT WORKSTATION Ver 4.0，KERNEL SP4。监控平台使用美国InteLLution公司的FIXMMI工业控制软件，直接嵌入NT操作系统内部。实现了生产现场的动态监控，调度主站的上位机具有监视、实时控制、数据记录、报表打印功能。直观的组态图形可以使调度管理人员监视到现场工艺动态流程;重要设备的运行状态;各工作站的工艺参数、机电参数、滤池反冲工艺参数;设备的启停及阀门的动作情况;实时控制实现了对滤池反冲过程参数的设定与修改;包括水位的设定;报警上、下限的设定。数据记录功能记录了各测量点200天的数据，完全满足了历史查询的需要。报表打印可打印过去有效时间的工作日志，也可即时打印，满足了生产数据的存档。调度主站操作系统设有操作员权限，即考虑到调度操作的方便，又有效地防止了无关人员的误操作[4]。
2.3 V型滤池自控部分
我国于八十年代开始引进法国DEGREMONT（德利满）公司开发的V型滤池，V型滤池过滤和滤料再生的自动控制是滤池正常生产运行的保障。我们采用了可编程序控制器和工业电脑（PLC+IPC）组成的实时多任务集散型控制系统，对滤池过滤和反冲洗实行自动控制。其功能是：实现六套系统恒水过滤;滤池反冲自动化、实现调度对工艺的实时监控。整个控制系统是基于西门子系列可编程控制器对六个滤池控制由两套S7–300PLC实现。S7–300PLC1控制1#、2#、3#滤池，S7–300PLC2控制4#、5#、6#滤池，S7–200PLC3控制六个滤池的反冲泵和风机系统，完成对六个滤池反冲的自动控制。
滤池恒水位过程的控制主要通过调节滤后水调节阀实现水位的恒定，在滤池的相应部位安装了水位传感仪、水头损失传感器。滤池的过滤就是通过它们测出滤池的水位和水头损失，将水位值及滤后水阀门的开启度送入PLC，经PLC中PID模块运算，调节滤后水调节阀实现水位的恒定，设计中应用PID模块[2]，仅采用比例、积分控制，关闭微分回路，较好的实现了恒水位控制[5]。
2.4 滤池的反冲控制
一组滤池的反冲洗由S7-300来控制。当过滤达到过滤周期或滤池压差（水头）设定值时，滤池提出反冲洗请求，S7-300根据滤池的优先秩序，组成一个请求反冲洗队列。一旦响应某格滤池的请求，PLC实施反冲洗的整个过程，在一组滤板中，不允许两个滤池同时进行反冲洗，当一只滤池正在反冲洗时，其它滤池请求反冲洗的信号则存入公用的PLC中，然后再按存储秩序，对滤池依次进行反冲洗。调度对滤池的监控通过PROFIBUS总线通信实现。
滤池反冲洗时，PLC的控制过程：打开反冲洗排水阀，当滤池水位下降到洗砂排水槽顶时，关闭滤后水控制阀;启动鼓风机，5秒钟后，打开滤池反冲洗气阀，对滤池进行1分钟气预冲;打开反冲洗水阀，启动反冲洗水泵，进行7分钟的气水同时反冲洗;关闭反冲洗气阀，5秒钟后，停鼓风机，打开空气隔膜阀排气，进行5分钟清水反冲漂洗后，停反冲水泵。5秒钟后，关闭水反冲洗阀，然后关闭反冲洗排水阀，打开待滤水进水阀，滤池恢复过滤。整个反冲洗过程历时约25分钟。
另外，PLC还能控制滤池的开启个数，它根据滤池进水流量确定滤池的开启个数，按先停先开的原则确定某格滤池的开、停。反冲过程执行时间可由监控微机改变或TD200现场操作。调度对滤池的监控通过PROFIBUS总线通信实现。V型滤池自控部分设计了自动与手动两种功能，当自动部分出故障时，手动能控制生产，保证了生产的正常进行。
3 GPRS技术
现场应用中的一号泵站～六号泵站及加压泵站分布距离远，数据传输量少，建立专用的有线数据交换系统明显性价比低，而使用无线传输方式由于地理位置的差异导致误码率高。随着通讯技术的进步，GPRS（General Packet Radio Service）通用分组无线业务，已经成为中国移动主推的上网方式。GPRS为中国移动公司利用移动或联通的网络，不需用户对网络维护，网络信号可靠具有身份认证和加密功能;其核心网络层采用IP技术，低层可使用多种传输技术，可以很方便的与IP网络无缝连接;由于城市供水工程已安装上网工程，在数据接收端具有静态IP地址，所以系统利用中国移动的GPRS公共网络，安全实现对各监控点的数据传送工作，不仅降低了设备价格，而且减少了设备安装费后期维护工作。
图3 远程传送数据流程
系统数据传送流程如图3所示：数据采集点通过RS232将采集的数据发送到GPRS模块，GPRS模块采用德国Funkanlagen Leipoldt OHC公司的Falcom TWIST工业级模块，GPRS模块将数据打包成PDU（分组数据单元），发送至基站控制器，PDU经SND层（子网依赖结合层）处理，成为SNDC数据单元，然后经过LLC层（逻辑链路控制层）处理成LLC帧，通过空中接口传送至GSM网络移动台所处的SGSN（Serving GPRS Supporting Node）GPRS服务支持点，SGSN通过GSM主干网把数据送到GGSN（Gateway GPRS Support Node）GPRS网关支持结点，GGSN把收到的消息进行解码处理，转换为可在公用数据网中传送的格式，最终送到公用数据网中的用户处。服务器端接收到数据后，将数据送入监控程序，显示监控点的数据并保存在数据库中[6]。
4 结束语
上述系统已应用在某城市上水供水系统，日供水量10万吨，共有36个采集点，4座沉淀池，5个加压泵房，分布在方圆80平方公里，其中包括水源的源头部分、郊区、市区。由于地理位置差异（水源到供水点扬程385米），水源源头无法实现有线通讯，市区的高层建筑阻碍了短波通讯的设立，网络工程的建设使得采用GPRS成为主要通讯的主要手段。该系统将微机监控系统、检测与控制技术、高速网络通讯技术结合起来，实现了供水系统管控一体化，为城市供水系统生产过程的优化决策和在线控制提供了正确依据。
本文创新点：应用Profibus总线技术成功实现了城市供水系统远程管理监控网络化，采用GPRS技术解决了供水系统的数据采集点分散、采集点之间距离跨度大、环境差异大等难题。由于GPRS为公用网络信息平台，网络信号安全可靠，设备安装调试方便（GSM网络为移动公司建设，不需用户关心），施工周期短，网络维护简单、通讯质量可靠。GPRS的计费以数据传输量为依据，特别适用于采集点多、分布地域广、传输量小的非实时系统。
参考文献
[1]钟肇新等，可编程控制器原理及应用，华南工业出版社,2003年
[2]台方，耿红旗.可编程控制器应用教程.中国水利水电出版社,2002年
[3] 李晓东，孙鹤旭等PROFIBUS-DP在网络化过程控制系统中的应用[J]微计算机信息，2005，21（5）:22-24
[4] 田红芳,李颖宏.PROFIBUS总线技术在啤酒生产线中的应用.仪表技术与传感器2006（11）：30-32
[5] 张维，祁伟，吴涓.城市供水工程管理控制一体化研制与应用 微计算机信息2005（8）:96、90
[6]朱之飞. GPRS技术在自来水管网监控中的应用. 电气自动化,2004（6）:37-42
