基于数传电台与RTU及PLC的水泵站远程监控系统

赵政宝，赵一博，张涛

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

0 引言

本文以沙特阿拉伯宰利姆地区金矿堆浸选矿工程中水源地水井泵站远程监控系统设计为例，介绍一种基于无线数传电台、RTU和PLC组建无线集中监控系统方法[1]。该系统不仅解决了选矿厂水源地远距离信号难于稳定传输问题，并能根据主厂区生产消防水池液位变化实现水源地水井潜水泵自动变频调节和限位启停，满足实时对水源地液位、压力、流量、水井泵频率等模拟量数据和泵机开关量数据的远程采集要求。

1 系统设计目标

1.1 现场描述

沙特阿拉伯矿业公司金矿堆浸选矿工程位于沙特阿拉伯宰利姆东南20公里，该地区为沙漠、戈壁地质，远离城市地广人稀、交通通信等设施比较落后。选厂主厂区建在金矿区附近，而目前水源地有2个，各1口井，相聚距5000多米，与主厂区相距17000多米，通过埋地管路向主厂区生产消防水池供水，以满足选厂生产和消防用水需要。如何实现对地理位置分散，空间距离远的水源地水泵机、发电机及各种液位、压力、流量、温度等参数实时控制和监视，是亟需解决的重要问题。

1.2 设计目标

1.2.1 厂区主站

1）实现对水源地柴油发电机组和水井潜水泵进行远程手动启停控制和运行频率设定。

2）能够实时监测水源供水生产系统的液位、流量、压力、泵机和发电机组运行状态等主要工艺参数，并对部分重要的工艺参数进行越限报警。

3）提供企业生产管理所需的历史数据查询、趋势曲线、数据报表、操作和报警记录等功能。

1.2.2 水井分站

1）实现对本站内的液位、流量、压力等检测仪表数据及泵机电压、电流、运行状态等数据进行就地采集和显示。

2）就地运行时，能够对本站内水井潜水泵实施就地手动启停和运行频率控制。

3）远程自动运行时，能够根据生产消防水池液位控制水井潜水泵的自动起停及运行频率。

2 系统设计

为满足选矿厂水源地水井泵站远程监控系统设计要求，本系统采用主从式结构模式，运用RTU远程控制、PLC集控、无线数传电台、Modbus总线协议以及组态软件等技术，建立厂区主站管理和水井分站控制相结合的监控系统。系统分为三层结构，分别为控制层，网络层和监控层，如图1所示。

2.1 控制层设计及选型

控制层由两个部分组成，分别为设在水源地水井泵房的水井分站和设在主厂区供水泵房的主站。水井分站内设RTU过程控制器[2]，其主要功能如下：

1）实现就地控制水井潜水泵的启动、停止，采集水井潜水泵电流、故障、远程就地转换信号以及就地仪表测量信号，并通过无线数传电台与厂区供水主站PLC控制器进行数据通信。

2）接收厂区供水主站命令实现泵的启停，并能完成系统运行自检、数据传送、计算控制输出等工作。

3）当系统切换就地自动控制时，RTU过程控制器能够根据生产消防水池液位控制本站内水井潜水泵的自动起停及运行频率。

为了适应恶劣外部环境，本系统中，我们选择北京安控推出的Super32系列RTU作为水井分站核心控制器，该系列RTU结构小巧，功能强大，通讯接口丰富，具有极高的性价比，在水厂，造纸厂等行业广泛应用。并且该系列RTU过程控制器与相应配套显示、操控模块出厂后便集成于一个高防护等级控制箱内，能更好的适应恶劣现场环境[3]。

厂区供水主站控制器，采用西门子公司S7 200系列224XP可编程控制器作为核心控制器，并配有CP243通讯模块[4]。西门子S7 200系列PLC具有以下三部分作用：

1）实现对水井分站发电机组和水井潜水泵远程手动启停控制和运行频率设定。

2）通过无线数传电台与水井分站RTU控制器通讯，实现水井分站数据的采集。

3）通过挂接的CP243模块利用以太网将数据上传至上位机，并可实现信息的共享。

图1 系统网络结构图

2.2 网络层设计及选型

由于本工程中厂区主站与水井分站距离远，难以用电缆直连的方式实现通讯，因此为了满足实时采集数据的要求，我们采用无线数传电台作为通讯媒介。无线数传电台具有数话兼容、传输性好、稳定性高等优点，非常适合本工程所处恶劣环境的高质量数据传输要求。本系统中综合考虑性价比我们采用深圳华夏盛WDS2710型无线数传电台作为分站与主站的通讯媒体。其具有发射功率连续可调，通讯距离远，抗干扰能力强等优点，并且其数传频段可编程设置，可实现与多种RTU、PLC等控制器直接连接，支持Modbus、Profibus等多种协议，最高速率可达19200bps，具有极高的扩展性和易用性。

在本工程中，我们在厂区供水泵房主站控制室和各水井分站泵房均放置一台无线数传电台，采用数据线连接无线数传电台的9针I/O串口与其对应的PLC控制器或RTU控制器的RS-485串口。主站采用全向高增益玻璃钢天线，分站采用定向高增益玻璃钢天线，并均配备有低损耗馈线，在保证增强主站与分站传输信号的同时减少了信号的衰减，最大限度的保证了数据传输质量。

2.3 监控层设计

本工程上位机画面监控，由供水泵房主站控制室内工控机完成，PLC控制器的CP243模块通过以太网线与工控机相连，采用OPC Server实现与上位机软件以太网通信，并可通过以太网交换机连接到其它各站上位机，完成信息的共享，使得其它各站上位机均可实现对水源井供水工艺流程画面及数据、曲线、报警信号进行实时显示和记录。

3 主站和分站的通讯协议

厂区供水泵站主站PLC与各水源井泵站分站RTU采用Modbus通讯协议的RTU通信模式。Modbus-RTU协议是基于数字型数据传输通信模式，信息传输为异步方式，并以字节为单位。在PLC主站和RTU从站之间传递的通讯报文的信息帧格式，如表1所示。设备地址用于标识站号，功能码使用有03、06，数据码为寄存器地址，校验码根据前三种数据自动生成。

表1 Modbus-RTU信息帧格式

本系统中，厂区供水泵站PLC作为Modbus主站，水源井RTU作为Modbus从站，PLC主站采用轮询方式，依次向各RTU从站发起询问，RTU从站接收到询问信号，判断信号里的站号与本站号相同时，接收通讯命令，并根据功能码读写信息，若CRC校验无误，则执行相应的任务，把响应结果返送给PLC主站；否则不返回信息。

4 软件设计

4.1 RTU从站软件设计

RTU从站程序使用Open PCS集成开发环境编程，主要有数据采集模块、数据存储模块、数据监测模块和控制模块。程序为循环程序结构，如图2所示。

图2 RTU从站程序流程图

RTU分站程序启动后，首先进行程序初始化，判断为就地操作还是远程操作，若为就地操作，RTU分站只负责数据采集和存储，由水源井泵站现场操作人员进行操作控制；若为远程操作，判断为自动控制还是手动控制，若为手动控制，RTU分站除负责数据的采集和存储外，还接收PLC主站的控制命令进行控制；若为自动控制，则RTU分站根据PLC主站传送的监测信号和给定信号，自动进行控制。

4.2 RLC主站软件设计

PLC主站程序采用STEP7 MicroWIN V4.0 SP9编程，采用结构化编程方式，以梯形图语言形式编写。主程序通过调用子程序模块，实现与RTU分站基于Modbus RTU协议通信，完成对RTU分站数据的采集、转化存储，并将上位机设置状态、监测、控制数据发送给RTU分站进行判断操作[5]。如图3所示。

图3 PLC主站程序结构图

4.3 上位机软件设计

上位机监控系统由西门子公司的WinCC组态软件开发实现。WinCC具有良好的开放性和灵活性，集生产自动化和过程自动化于一体，实现相互间的整合，凭其高水平的创新和基于标准的长期产品策略，已发展成为市场中的领导者和业界遵循的标准。因此选择WinCC作为上位机组态软件可以最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，优化设备运行和生产流程。

综合考虑水源井及整个选厂流程控制需要和客户建议，我们编写了相应的监控操作画面，如图所4示。包括水源地水井远程监视画面、检测仪表实时数据显示、各水井潜水泵和柴油发电机组的运行控制界面，以及各种操作记录、报警记录以及通讯状态监视等画面[6]。具体实现了以下功能：

1）能够实时监测水源供水生产系统的液位、流量、压力等主要工艺参数，并对重要的工艺参数进行越限报警。

2）实现对水源地柴油发电机组的运行进行选择和远程手动启停控制，并显示其运行状态。

3）实时显示各水井潜水泵的运行参数，以及是否受自动控制；并能远程手动设定泵机的运行频率和控制启停。

4）提供生产管理所需的历史数据查询、趋势曲线、数据报表、操作和报警记录等功能。

5）自动监视系统网络通讯连接状况，并能在故障发生时及时报警提示。

图4 上位机监控主画面

5 结束语

本方案设计中，我们运用RTU、PLC和组态软件，通过无线数传电台完成远程数据通信，使用较少的成本，在地势、环境复杂的沙漠地区实现了远距离水源地信号的采集和传输，使得堆浸选矿工程中远距离水源供水系统实时监视、操作变为现实，极大地提高了工作人员的工作效率。本系统自2013年7月底投运以来至今，在野外恶劣的工作环境下，运行状态良好，性能稳定可靠，未出现信号通讯异常或主从站无法通讯的现象，得到客户管理及操作人员的一致好评。

同时，本系统基于Modbus-RTU通讯协议，采用了模块化程序设计的编程思路，并预留了丰富的软硬件接口，使得选矿厂水源供水系统日后扩充及维护更加方便灵活。□

[1] 吴永祥,曹珍贯,吴攀. 基于无线电台的风井综合参数安全监控系统[J]. 煤矿安全,2006,(12):37-38.

[2] 董明明,孙万蓉,陈梓馥,等. 基于RTU油井远程测控系统的数据采集与传输层软件设计[J]. 2012,(2):25-30.

[3] 史卫华. Super32-L303 RTU在城市燃气项目中的应用[J]. 自动化博览,2012,(5):52-54.

[4] 西门子有限公司自动化驱动集团. 深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京;北京航空航天大学出版社,2007.

[5] 贾德胜. PLC应用开发使用子程序[M]. 北京;人民邮电出版社,2006.

[6] 甄立东.西门子WinCC V7基础与应用[M].北京:机械工业出版社,2011.