基于GPRS的井群无线遥控系统

2014-09-26郭荣祥魏仕虎甄文超王建华

安阳工学院学报 2014年4期

郭荣祥，魏仕虎，甄文超，王建华

（1.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010；2.包头红日电气控制有限责任公司，内蒙古包头014030）

1 设计背景

内蒙古某大型生态移民新村与生态工业园区的生产与生活用水需从十二公里外的水源井群取水。园区生产生活用水由园内供水厂负责提供，该水厂建有一容积为4000 m3的蓄水池，水源井14眼，水源井泵房4座，泵房间相距2到5公里不等。其工作方式为，利用深井潜水泵将水源井的水注入水厂蓄水池，水厂对水进行消毒等相关处理后再以恒压供水的方式将水供给到园区内各用水场所。使用遥控之前对水源井群的控制是由人工驱车往返水源井泵房与水厂来实现的，起停水泵的操作十分不便，且费用较高，有时还会出现园区急需用水，由于蓄水池储水不足，且水厂距离水源井距离较远，蓄水池不能及时得到补充的问题，从而影响园区的生产与生活。

为改善园区的供水状况，决定采用远程遥控实现对水源井群水泵的起停控制。鉴于水源井离水厂距离较远，使用有线传输介质建设成本昂贵且故障率高，而无线传输刚好弥补了这方面的不足，因此采用无线遥控的方式实现对水源井群水泵的实时起停控制。GPRS通用无线分组业务是基于现有GSM网络技术发展起来的为用户提供高效、低成本的分组形式的数据业务，具有实时在线、按流量计费、高速稳定传输等特点，特别适用于间断、突发、频繁的数据传输，因此可采用移动/联通网络资源实现无线遥控[1,2,5]。

2 工作原理

供水系统由供水厂、水源井群、供水管网、深井潜水泵、无线遥控系统及电气控制柜等组成，控制系统的核心设备放置于水厂值班室。

控制系统要求能从供水厂实现对水源井群水泵发布起动/停止命令，水源井群各潜水泵运行期间的运行信号、运行电流、用电量及故障信号能及时返回至水厂上位机管理系统，原理图如图1所示。整个控制系统由三大部分组成，第一部分为显示与发送控制命令的上位机管理系统，用于发布各种命令和显示各类信息，是控制系统的核心；第二部分是位于水源井泵房的从站，用于执行主站发来的各项命令并能实时返回现场信息；第三部分则是GPRS无线通信网络，完成主从站之间信息的传递[3-4]。

系统有自动无人值守和人工手动操作两种工作模式，可通过操作界面上的自动/手动切换按钮来实现切换。当选定自动工作方式时，水泵的起动、停止是根据水厂蓄水池水位进行控制的，即当蓄水池液位达到设定值下限时，系统自动向水源井水泵发布起动命令，当水池液位达到设定值上限时，则系统自动发布停止命令。当选定人工手动操作方式时，操作人员可根据计算机界面上所显示的水池液位决定水源井水泵的起动与停止。

图1 遥控系统原理图

主站上位机根据相应操作命令通过GPRS通讯模块（G200）经GPRS通信网络将信息发送给从站；从站接收到命令经分析判断后完成相应操作，现场数据采集传感器把现场采集到的各种信息经信号变送器和相应的传输模块送入从站的GPRS模块，从站GPRS通讯模块把这些信息经由GPRS网络发送至主站监控中心，主站将返回的信息进行处理后通过上位机显示出来，并对相关数据进行备份存储。

3 系统硬件构成

遥控系统的硬件包括主站硬件和从站硬件两大部分，二者缺一不可，下面分别加以介绍。

3.1 主站硬件构成

主站由工控机(上位机)、PLC、GPRS通讯模块(G200)、天线、直流24V开关电源、馈线、液位计等组成，如图2所示。

图2 主站硬件构成

GPRS通讯模块采用北京捷麦通信器材有限责任公司生产的G200无线通信模块；PLC除负责水池液位测量外还要完成水厂恒压供水控制任务，因此选用OMRON CPM1A-40CDR-A-V1型PLC；蓄水池深4.5米，采用量程为5米、输出为4～20mA标准信号的投入式液位传感器进行水池液位测量；G200与PLC均通过RS232串口与工控机相连完成数据的传输。

3.2 从站硬件构成

从站执行主站发出的命令，控制水源井潜水泵的运行，并把水泵的运行状态、故障信号、运行电流及用电量及时返回主站，其组成结构如图3所示。主要包括G200无线通信模块、天线、直流24V开关电源、馈线、模拟量输入模块(R4017)、电流变送器、中间继电器、继电器输出-开关量输入模块(R4060)、接触器辅助触点、热继电器常开触点等。

图3 从站硬件组成

继电器输出-开关量输入模块采用北京捷麦通信器材有限责任公司生产的R4060模块，R4060为4路继电器输出—4路开关量输入模块。模拟量输入模块采用北京捷麦通信器材有限责任公司生产的R4017模块，R4017为8通道模拟量输入模块。电流变送器可根据各泵房所控制水泵数量分别选取多通道变送器。从站G200模块将接收到的命令传送给R4060模块，其输出端输出水泵的起动/停止信号，使相应中间继电器动作，从而控制接触器的吸合与断开，使潜水泵起动或停止运行。接触器吸合后通过其辅助触点将潜水泵的运行信号送入R4060模块的开关量输入端子并由G200发回主站。用于保护电动机的热继电器动作后也将其状态送于R4060的开关量输入端并经由G200返回主站。潜水泵运行电流通过电流互感器经电流变送器转换为4～20mA的标准信号后送入模拟量输入模块R4017，并由G200返回主站，以便工作人员能及时了解水源井群各潜水泵的运行状况。

4 GPRS通信协议设计

4.1 GPRS模块参数设置

G200无线通信模块功能全面，在使用时根据具体要求对相关的参数进行必要设置即可。本系统采用G200模块组站，需对模块身份地址、目标地址、工作方式、串口数据格式、波特率等相关参数进行设置，具体参数设置如表1所示。

表1 监控中心及监控终端GPRS模块基本参数设置

模块身份地址和目标地址由工程号和站点号两部分合并组成，系统中主站、从站工程号必须相同（本系统工程号为80），主站站点号为00，从站站点号按照从站的数量从01起依次按照顺序递增。主、从站GPRS模块应有相同的心跳时间（300s）与波特率（9600bps）。主站采用主动工作方式以便随时对从站进行访问，从站则为被动工作方式等待主站的访问。主站发送命令字，采用格式传输，从站响应主站访问发回采集到的数据，采用透明传输。

4.2 GPRS模块通信协议设计

在完成通讯模块基本参数设置后，即可实现组网功能。进行数据的传输需要对数据传输协议进行设计，主要包括两部分：一是定义传输数据格式，二是定义命令字。数据协议格式以字节为单位，若为多字节数据，则按先高位后低位的顺序存储。表2列出了传输数据的帧格式。

表2 监控终端与监控中心通讯数据帧格式

数据/命令格式定义及传输规则如下所示。

监控终端发送命令：D7H01H表示传输的内容为数据；D7H02H则表示响应。

数据发送及主从站是否连接定义：FAH表示数据发送成功；FCH表示数据发送失败；FDH01H表示模块已连接到GPRS网络；FDH02H表示模块内部自检完成；FDH03H表示串口与上位机通信正常。

除监控中心发送的终端采集命令外，其他所有数据和命令均必须以8位累加和校验码结束。

5 系统软件设计

在硬件的基础上，只有合适的软件与之相配合才能使系统正常运行。

主站控制系统操作平台采用全计算机组态画面实现。向从站发布的起动/停止命令由鼠标单击起动、停止按钮来完成。水泵运行时的运行信号和故障信号由计算机界面上组态的运行指示灯和故障指示灯负责显示；运行电流和用电量由界面上组态的智能数字仪表来显示。软件流程图如图4所示。

为使主站能及时显示从站工作状态及运行电流，主站需定时向从站读取信息，系统设定读取时间间隔为30s，在规定时间（5s）内，若未收到返回信息，则认为从站通讯模块无响应，同时主站计算机监控界面通讯状态显示栏显示“通讯故障”或“R4017/R4060模块无响应”。造成“通讯故障”可能的原因有如下几个方面：一是停电；二是主站或从站G200模块SIM卡余额不足；三是G200模块使用位置处GPRS信号不够强，需架设天线；四是主、从站G200模块地址不正确。导致“R4017/R4060模块无响应”可能的原因有两个方面：一是R4060/R4017模块故障，需更换；二是连接G200与R4017/R4060模块的馈线芯片故障。若从站返回信号正常，则通讯状态显示栏显示“设置成功”，且各指示灯与各仪表显示正常。