水井GPRS无线监控系统
本套自动恒液位、恒压供水系统具有以下特点：采用GPRS通讯方式构成分布式控制系统，选用GE公司高性能VersaMax PLC作为智能终端设备（RTU），应用电动机交流变频调速装置，形成泵群（组）的优化控制，自动调整泵组的运行台数，并通过变频器调节完成水池水位和供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
该供水系统采用计算机集中监控的控制方式，可满足企业供水对自动化应用的需求，为实现泵房的无人值班、少人职守、节能降耗和安全经济运行提供了新的解决方案。
一、系统组成
本系统负责全公司各分厂的工业用水，厂区有9个水源井、9台深水井水泵。针对公司供水设施的分布和对恒压供水系统性能的要求，采用如图1所示集中管理分散控制的控制系统。
将GPRS用于工业现场的控制，在给水、油田等许多行业广泛应用，它借用公共通讯信道，实现全球范围内的监控，在远距离的监控方面，有着其它方式无法比拟的优点。
GPRS提供数据链路层服务，监控中心对PLC的上层控制协议采用Modbus协议。Modbus已经成为主流的工业标准之一，它使符合Modbus协议的不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。各个现场VersaMax PLC作为Modbus从站使用。
作为远程智能终端（RTU）的分站产品很多，包括西门子、GE等各种品牌PLC，考虑价格因素时，国内的安控等产品也是选项。这里根据客户指定的GE品牌，选择VersaMax作为恒压供水控制核心的控制器，不仅可实现泵组的逻辑控制，而且可完成系统的数字PID 调节功能，对系统中的各种运行参数、控制点进行实时监控，具有更好的串行通信和对新系统的兼容性。
系统采有双通讯口的VersaMax CPU002，COM1实现现场上位机调试通讯，COM2与GPRS RTU通讯。GPRS DTU选用国内知名的深圳宏电H7710模块，GPRS DTU发送数据至中国移动GPRS网络中，然后再经过Internet，最后在远程监控中心通过ADSL进行接收。
供水电动机调速装置采用交流变频技术，系统的过程控制采用客户选定的可编程控制器，选用9台潜水泵中的2 台为变频调速泵， 7 台为工频泵。根据水池水位和加压泵房的总水管道的水压值，可编程控制器自动调整2 台变频泵的工作频率和工频泵的运行台数，使总水管道的压力保持在安全设定值以下，能够快速将水位控制在设定值，完成供水水位、压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。采用的ABB公司生产的ACS510系列变频器，是一种完全可以达到恒压供水控制的多功能变频器，功能多、噪音低。
采用工控机作为系统的人机界面，运行组态软件和PLC 进行通讯，对整个供水系统深井泵的工作情况进行实时监控，显示泵的运行状态和累计工作时间，可修改设定的参数，具有报警、自动记录和打印日报表、保存关键数据的历史记录、显示各种参数的历史曲线等功能。
监控软件选用北京亚控公司“组态王”监控软件。“组态王”是我国国产HMI软件中知名度高、市场占有率第一的国产品牌，其通讯可靠、画面丰富；与GPRS、VersaMax结合的应用有很多工程实例，我方利用该方式也有很多工程应用。
由于企业供水管网系统的供水量和供水压力随用水的要求在24h 内不断变化，本系统通过总水管道上的压力变送器，将总水管道上的压力信号转换成4～20mA 信号，传给模拟量模块。压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID 控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号，使1# 、5 # 潜水泵的转速按实际用水量和给定压力要求运行。 上位机SCADA、可编程控制器、变频泵、工频泵、总管道压力传感器、水池水位计构成供水串级PID闭环系统，能够根据水位、总水管压力值自动地控制2 台变频泵运行状态和7台工频泵投运的台数。
二、 控制系统具体功能
本系统有两种控制方式，即现场本地控制方式和集中控制方式。现场所有泵的控制箱上设有本地/集中操作转换开关。
本地控制方式主要用于泵的检修，系统日常控制以集中控制方式为主。
集中控制在控制室的工控机上操作，通过PLC 控制完成，控制方式又分为自动控制方式和集中手动（半自动）控制方式，手动/ 自动方式转换实现无扰动切换。在手动方式下，操作人员可以根据情况对每台泵单独操作。在自动方式下，系统通过1# 深井泵和5 # 深井泵变频调节水池液位和总水管道的压力。
2.1智能化泵群协同控制
系统根据水池水位、总水管的水压，能够自动地控制9台深井泵投运的台数及变量泵的运行工况。自动方式下，先是通过1 # 深井泵和5 # 深井泵调节总水管道的压力，在小于压力设定范围时，根据其他7台深井泵的累计工作时间和各自的水位情况，自动找累计工作时间最短的泵启动，泵的启动间隔为5min ，直到总水管压力恢复到设定的范围；在总水管压力大于设定范围时，自动找工作时间最长的泵停止，间隔为5min ，直到总水管压力恢复到设定的范围。
智能识别每个泵的三种状态：运行、停机、故障。如何从停机状态的泵里找出工作累计时间最少的泵，如何从运行状态的泵中找出工作累计时间最长的泵，是整个控制系统设计的关键环节，其真实性、正确性直接影响着整个系统的可靠性。用PLC 的保持和复位指令、标志位指令等结合起来成功地解决了该关键问题。
2.2 液位-压力串级PID控制
系统通过控制投入工频泵的数量和调节变频泵（器）的转速，以水池的液位为控制目标，同时，必须保证管网的压力符合要求，其控制系统模型符合串级PID调节模型，如图2所示。
串级调节是一种由主、副两个调节器彼此串接的双回路调节系统。主调节器根据主参数与给定值的偏差输出信号，作为副调节器的给定值，副调节器同时接受副参数信号和给定值并控制调节机构。
在系统接收阶跃信号时，主调节器迅速达到饱和，相当于断开，副调节器起到恒压供水的作用。在系统突变时，起到对管网压力的保护，并且加快了系统的动态过渡时间，使水位按最大可能达到设定值。在系统退出饱和后，副调节器则成为随动环节，对消除内环的干扰起到作用。
与单回路PID相比，上述建模方法动态特性好，抗干扰能力强。能够在不高于设定的管网压力下，快速完成对水池水位的控制。
2.3 GPRS方式下的泵群控制安全措施
GPRS在分布式控制领域虽然广泛应用，但一般都用于分站的独立控制，鲜有针对泵群的实时协同控制。而该项目则需要对泵群的协同控制。
GPRS控制方式有其特殊性，即借用公网及GPRS RTU模块的加入，增加故障的可能性，为保证可靠的运行和协同工作，必须遵循如下原则：各分站与SCADA之间随时检验通讯的有效性；各分站在集控模式时，如果发现与SCADA的通讯中断，立即禁止泵启动，SCADA标志该分站故障，自动寻找下一个应该启动的泵。从而保证了管网的压力安全和正常工作。
2.4 完善的故障处理与报警功能
为防止深井泵空转、过载和抽空等现象发生，特设浮球液位开关、出水压力检测传感器、流量变送器。当工作泵的出水流量小于固定值时，就证明泵有问题需要进行处理，这是必须将相应的泵停止。当泵的出水压力信号小于0. 2MPa 持续2min 以上，报警并停止相应泵，控制面板上泵指示灯闪烁；当储水池液位低于低液位设置点，报警并停止2 台增压泵；当储水池液位高于高液位设置点，报警提醒操作人员并自动关泵；当总水管压力小于或高于限值，声光报警；当泵的运行时间超过一年时，报警画面提醒操作人员对泵进行维护保养。
系统工作在自动状态后， PLC 自动对系统进行PID 参数整定，完毕后系统就按所得参数进行PID控制，并视控制量输出的情况和压力测量值的大小进入增泵或减泵过程。
2.4 上位监控系统说明
上位机人机交互界面具备下列功能：清晰明了的现场信息显示, 设备运行状态、各点压力、流量实时值，用户定义的累计值和中间逻辑值等，一目了然反映在相应的位置；便捷的自动/手动启停操作；用户权限管理；GPRS分站通讯状态指示；设备故障指示及实时报警；历史记录等。同时，我方提供通过局域网将数据发布的软件功能。这样，远程领导、专家只要打开网页，就能观察、了解现场实时及历史生产情况，该功能对辅助决策起到重要作用，且已在其他企业使用，反映良好。
三、结束语
1) 因实现了恒液位、恒压自动控制供水，系统稳定性和控制精度满足稳定供水的要求。系统水压恒定，不会出现水压过高的现象，管道的压力一直可维持在合理的范围内，管接件所承受的压力减小，延长了更换周期，减少了维修的投入，并且避免了管道崩裂事故。对于电机和水泵来说，由于起动过程平缓，可运行在最佳工作状态，不再产生“憋泵”现象，运行损耗小，发热大为降低，从而延长了使用寿命。
2) 设有完善的报警功能，可以对潜水泵的非正常运行状况预先报警和记录，利于泵的维护维修，避免了深井损毁和电机烧毁给企业带来的损失。
3) 因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的水池水位、管网压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制。
4) 由于变量泵工作在变频工况，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约电能。
5) GPRS采用每月20元/50M包月制的办法能够满足一口井位全月运行的数据流量。每口井每个月的运营费用为20元，9口井每月费用共180元。
