基于RTU的两主一备水泵控制系统设计

徐高志，景波云

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京210003）

基于RTU的两主一备水泵控制系统设计

徐高志，景波云

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京210003）

该文根据水利泵站的控制要求，详细介绍了基于RTU的两主一备水泵控制系统设计方案，该系统能够根据检测到的水位数据以及预设的阈值输出水泵控制信号，实现无人值守条件下水泵的自动控制。

泵站；远程终端设备；控制系统

远程终端设备RTU[1]是一种能够在现场安装并可以集成多种传感器的远程测控装置，一般负责现场传感器信号的采集并通过远程信道传输至中心站数据平台。随着自动化技术的不断发展，RTU的功能也越来越强大，从以往简单的遥测终端发展为具有遥测、遥信、遥调、遥控功能的综合装置，已经能够在一些中小型闸泵站监控系统中代替PLC[2-3]。本文以水利泵站为研究对象，基于RTU开发了一套无人值守的泵站控制系统。

1 系统结构设计

本系统主要由以RTU为核心的泵站控制系统和中心站数据平台两部分组成。其中以RTU为核心的泵站控制系统将所采集到的水位数据信息与所设置的水位阈值进行比较后，实现现地控制水泵启停。同时将所采集的水位数据按照预定数据格式进行打包处理，通过RS232串口传送给GPRS通信模块，最后由因特网将数据传送至中心站数据平台。中心站数据平台接收到数据后，进行数据解包处理，最终将所得到的水位数据信息进行数据显示以及存储。中心站数据平台可以远程下发命令控制水泵启停。本系统结构如图1所示。

2 系统软硬件设计

2.1 系统硬件组成

为实现对泵站中各种设备的自动数据采集与控制[4-6]，构建了一套基于RTU为核心的泵站控制系统。本控制系统包括水位检测单元、RTU单元、电源单元以及远程通信单元。其中，水位检测单元主要实现对水位信号的采集和转换；RTU单元主要实现对水位信号的实时采集与处理，与所设定的水位阈值相比较后作出判断，RTU单元可以输出控制对应于第一上限水位的水泵、第二上限水位的水泵以及备用水泵的启停命令，实现对水泵的自动控制；电源单元主要为RTU进行供电；远程通信单元主要接收RTU所发送的水位数据信息，然后通过GPRS网络传送至中心站数据平台。基于RTU的泵站控制系统如图2所示。

图1 水泵远程控制系统结构Fig.1 Structure of water pump remote control system

图2 基于RTU的泵站控制系统Fig.2 Pump station control system based on RTU

2.1.1 水位检测单元

水位检测单元主要采用超声波传感器进行水位测量，其测量精度较高且性能稳定。该水位检测单元的原理是将超声波传感器安装在水泵的进水端，超声波传感器探头垂直于水面，利用超声波测出超声波传感器到水面的距离，然后根据超声波传感器到池底的高度，间接测量出水位高度。设超声波传感器安装位置距离池底高度为H，超声波传感器工作时，测得的值为h1，也就是其到水面的高度，那么就可以得到测量的水位高度h2=H-h1。

2.1.2 RTU单元

RTU单元主要采用NARI公司研制的ACS300-MM作为主控制模块，其具有宽工作温度范围、极低的静态功耗、强大的远程通信等功能，配有1个RS485通讯编程接口，4个RS232串行口（用于远程通信、本地显示或参数设置），支持远程/本地程序下载，供电电压为10.8 Vdc～16 Vdc，具有电源极性防反接保护功能。

RTU单元采用RS485通信协议与超声波传感器进行通信并实时采集水位信息，与设定的水位阈值相比较后作出判断。如果所采集到的水位信息大于第一上限水位阈值，则RTU单元输出对应于第一上限水位的水泵启动命令；为了解决由于水位上涨过快而造成不必要的损失，RTU单元设定了第二上限水位阈值，如果所采集的水位信息大于第二上限水位阈值，则RTU单元输出对应于第二上限水位的水泵启动命令；如果RTU单元没有接收到对应于第一上限水位的水泵或者第二上限水位的水泵启动的反馈信号，即出现故障，RTU单元可以输出备用水泵启动命令；所采集的水位信息与设定的停机水位阈值相比较，RTU单元可以输出对所有水泵的停机命令，从而实现对水泵的自动控制。

2.1.3 电源单元

电源单元主要通过蓄电池和太阳能电池板给系统供电，蓄电池采用12 V标准电压，通过供电电路为RTU供电。当蓄电池电压较低时，太阳能电池板可以通过充电电路给蓄电池充电，从而保证蓄电池能够有效地处于工作状态，极大地延长了蓄电池的供电时间。同时由于RTU具有极低的静态功耗，工作时所消耗的电能远低于PLC，因此在无人值守的条件下，解决了系统的长时间供电问题，相比较于PLC具有极大的优势。

2.1.4 远程通信单元

远程通信单元主要采用宏电公司自主研发的H7210型号远程通信模块。其支持多数据中心、纯透明模式传输等功能，配有1个RS232串行口，波特率范围为300～115200 b/s，工作温度范围为-30℃～+75℃，供电电压为5 Vdc～36 Vdc。远程通信单元采用串行口接收RTU单元发送的数据信息，然后通过GPRS将数据信息发送到中心站数据平台。同时也可以接收中心站数据平台下发的远程命令，由串行口发送给RTU单元执行相应的命令。

2.2 系统软件设计的实现

2.2.1 RTU单元软件设计实现

根据水利泵站的控制要求，实现对不同水位进行相应的水泵控制。当水位达到第一上限水位阈值时，通过RTU单元自动控制一台对应于第一上限水位的水泵启动；当水位达到第二上限水位阈值时，通过RTU单元自动控制另一台对应于第二上限水位的水泵启动；当其中有一台水泵出现故障时，自动切换到备用水泵，控制备用水泵启动；当水位降到停机水位时，RTU单元自动控制所有水泵停止运行。RTU单元软件设计流程如图3所示。

图3 RTU单元软件设计工作流程Fig.3 Flow chart of software design for RTU unit

2.2.2 远程控制软件设计实现

中心站数据平台实时接收到水位数据后进行显示，人工可以根据水位数据进行判断，如果需要启动对应于第一上限水位的水泵，则可以发送远程控制命令进行启动；如果需要关闭，则可以发送远程控制命令进行停止。对应于第二上限水位的水泵的启动和停止都可以分别通过发送远程控制命令进行操作。同时，为了保证水泵的正常启动和停止，远程控制的优先级小于RTU单元的软件控制优先级。图4为远程控制软件设计工作流程。

2.2.3 上位机软件界面设计

中心站数据平台主要采用NARI公司自主研发的ACSCOMM上位机软件，其具有完善的功能、操作简单方便、维护性强等特点，通过远程通信实时接收遥测站发送的水位数据，进行显示并存储。可以通过上位机软件界面进行操作，实现远程控制水泵运行与停止。上位机软件界面设计如图5所示。

3 工程应用实现

基于RTU为核心的泵站控制系统在现场实际投运，现场通信良好，RTU单元以及远程通信单元都配有指示灯来显示工作状态，使现场工作情况一目了然，极大地方便后期维护。系统上电工作时，RTU定时采集水位数据，根据预设阈值判断，控制水泵启停。同时远程传输水位数据信息至中心站数据平台。其系统接线图如图6所示。

图4 远程控制软件设计工作流程Fig.4 Working flow chart of remote control software design

图5 上位机软件界面设计Fig.5 Upper computer software interface design

图6 基于RTU的泵站控制系统现场接线图Fig.6 Field wiring diagram of pumping station control system based on RTU

中心站数据平台接收GPRS数据后，对数据进行处理，然后将得到的水位数据进行显示和存储，水位数据记录如图7所示。

图7 水位数据记录Fig.7 Record of water level data

4 结语

基于RTU的两主一备水泵控制系统能够根据水位数据的变化，通过与设定的水位阈值相比较，实现对第一上限水位的水泵、第二上限水位的水泵以及备用水泵启停的精准控制，以及在无人值守条件下，针对第一上限水位的水泵、第二上限水位的水泵出现故障时，也能够控制备用水泵进行工作，极大地保证了水泵控制系统能够有效运行。同时系统采用蓄电池和太阳能电池板供电，解决了长时间供电问题，相比较于PLC具有很大优势。该系统运行可靠、稳定，满足实际的工程应用需求。

[1] 仵俊伟，李为田，张焱.RTU在远程监控液量自动计量系统中的应用[J].自动化仪表 2009，30（10）：64-65.

[2] 张锋，张大为，胡详文.PLC在雨水泵站控制系统中的应用[J].数字技术与应用，2011，3（8）：122-123.

[3] 何平，王纪坤，蔡敬坤.基于PLC的雨水泵站控制系统设计[J].舰船电子工程，2010，30（8）：183-185.

[4] 李红斌，娄玲玉.基于PLC的泵站控制系统设计与实现[J].装备制造技术，2015，5（1）：155-156.

[5] 闫广新，晁勤，陈志伟.基于LOGO!的一主一备循环水泵控制系统设计[J].河南理工大学学报，2006，25（1）：50-53.

[6] 孙丙科.煤矿抗灾潜水泵自动控制系统设计[J].工矿自动化，2015，41（2）：97-99.

Design of Pump Control System with Two Master One Reserve Based on RTU

XU Gao-zhi，JING Bo-yun
（NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 210003，China）

According to the control requirements of hydraulic pump station，the design scheme of pump control system with two master one reserve based on RTU is introduced in detail and the system can export pump control signal depending on the detected water level data and the preset threshold，realizing the unattended water pump under the condition of automatic control.

pump station；remote terminal unit（RTU）；control system

TP391

B

1001-9944（2017）08-0065-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.016

2017-03-07；

2017-05-18

徐高志（1988—），男，硕士，助理工程师，研究方向为水利水电自动化、水文自动测报、水文自动化；景波云（1981—），男，硕士，研发工程师，研究方向为水利水电自动化、水文自动测报、水文自动化。