矿山供水管网远程无线监测系统研究

张宏飞， 司昌楠

（1.山西省煤炭运销集团七一煤业有限公司，山西 晋城 048000；2.太原理工大学，山西 太原 030024）

引言

随着科技的发展，工业自动化的普及程度不断提高，供水监控系统的自动化程度也在不断提高，供水监控系统的主要任务是方便供水部门了解供水管网的整体运行情况，实现对供水管网的远程监控、监测点数据实时采集。

传统的供水系统，在管道结构设计上存在很多不足之处，供水管网布局不够合理、管网分支数量多不易管理等现象，影响供水的集中管理和调度，建立完善的水源井与管网无线远程监控系统能够对供水系统进行有效的管理，保障用户的正常用水。

国内外针对供水系统的研究发展了许多的成果，如文献［1］设计应用无线通信的GSM模块，依托超声流量传感器技术来实现供水管网泄漏检测，解决了供水泄露监测问题；文献［2］针对水源井群分布分散不易集中管理的技术难题，采用无线数传技术，在覆盖范围内将数据实现集中监测，实现了远程和就地控制；文献［3］在供水监测系统中应用了泄漏识别技术，有效提高了供水系统的可靠性；文献［4］针对城市供水管网监测系统，提出采用GPRS技术实现数据的传输，实现了供水管网的远程无线监控。

1 总体技术方案

监测分站单元进行数据采集，对现场管网流量参数、压力参数、温度参数、液位参数、电机电流参数等进行实时观测，并通过模拟量输入模块输送到采集控制分站。现场控制量信号通过开关量输入模块输送到采集控制分站。控制分站发出的水泵电机开关信号和报警信号则通过开关量输出模块发出。现场还配备了触摸屏实现对所有输入参数信号及输入参量的显示。远程通信信号通过RS485信号与无线模块连接，信号经过空中传输以后，被监控中心的无线模块获得，并传输到监控中心。监控中心通过RS232接口，通过GSM网络实现故障状态的无线报警。监控中心通过以太网接口可实现与路由器的连接，借此连入互联网，实现供水监控系统的远程监控。监测系统原理框图如下页图1所示。

2 硬件的设计与选型

图1 监测系统原理框图

供水系统主要由西门子S7－200型PLC、EM－231模拟量采集模块、MCGS触摸屏、以太网CP243－1模块、华研工控机、数传电台、流量传感器、电流传感器、液位传感器、压力传感器、继电器、12V和24V直流开关电源以及通讯线构成。其核心部分为分站设计。分站PLC需要控制水源井水泵的启停，需要采集传感器发送给它的液位、流量、压力、电流等参数。管网分站PLC需要控制管网阀门的旋转角度，而且需要采集传感器发送给它的液位、流量、压力、电流等参数。压力传感器安装在供水系统的特定管道上，电流传感器安装在水源井水泵供电的三相电上，液位传感器安装在水源井水泵的电机上，流量传感器安装在供水系统的特定管道上。通过传感器检测并采集数据，发送给分站PLC，PLC以无线数传电台的传输方式发送给主站PLC，然后通过以太网把数据发送到上位机，上位机对数据进行分析、处理、存储。监控中心只需要对现场设备发送控制命令，控制现场设备的工作状态。每一台供水管网分站，在分站PLC控制柜内都装有继电器，能够对监测点的管道阀门进行旋转控制，控制水量的大小，控制方式主要由手动和自动两种，自动方式是监控中心上位机软件依据传感器采集流量、压力、累计流量等数据的综合统计，对供水需求的一种自动化响应控制。每一个管网分站在硬件设计上安装了两个模拟量采集扩展模块EM－231，能够同时对8路模拟量进行数据采集，同时每个分站PLC都连接有8路继电器，能够对8路监测点进行实地控制。管网分站监测点传感器采集的数据信息主要包括：管道压力、流量、计算累计流量等数据参数，所有数据采集功能都是扩展模块EM－231实现的，控制功能则是通过PLC本身自带的控制接口对继电器进行控制实现的。控制分站PLC设计原理如图2所示。

图2 分站硬件设计原理图

管网分站在设计上结合实际需求，配有8路模拟量采集，每一路连接就地的传感器，柜子里配有12V和24V直流电源来给数传电台和PLC模拟量模块供电，柜子外接220V交流电源，在柜子内配有浪涌保护器和空气开关来保护整个系统正常运行。传感器采集的信号为微弱电压信号，通过传输保护线传输给PLC，PLC模拟量模块对其进行处理，把采集到的信号转化为4～20mA电流信号，PLC处理器把信号通过电台发送出去。主站的结构与分站基本类似，所不同的是设置了CP243－1以太网模块，实现数据的网络传输，工控机通过以太网连接主站，PLC通过CP243－1以太网通讯模块与Internet网络相连接，完成整个数据通信过程，获得主站所有的数据信息，对主站数据信息进行Web发布。主站接受到数据，完成了整个处理过程。

流量测量选用的超声波流量计，此种类型的传感器不但可以监测瞬时流量，而且可完成累计流量的测定，操作方便直接安装在管壁上，就可以对流量进行监测。本设计选用唐山大方汇中流量仪表有限公司的LCZ803超声波流量计。

压力传感器采用PT401型号压阻式传感器，该传感器结构简单、精度高、超低阻抗，过载能力大，具有灵敏度高、可靠性好等优点。

上位机在选择时考虑到连续工作时间长，需要保证系统稳定运行，散热功能良好，存储空间足够大，运算处理速度快，我们选择了华研工控机IPC－610／PCA－6010VG，配备22寸三星液晶显示器。

数据采集部分选用了西门子EM－231模块，该模块是一款数据采集处理模块。模块内部有着强大的处理功能，对采集的数据进行初次过滤，在超出数据处理误差的数据进行滤除，而且能设置采样频率，对数据进行多次采样，确保数据的准确性。该模块是最长用的扩展模块之一，实现了4路模拟量采集功能。

数据通讯硬件设备选择上采用了数传电台，首先要考虑到它的硬件部分，硬件部分的设置关系到无线传输的准确性和稳定性，在使用之前要熟悉每个I／O口的意义，定义好每个I／O口，在数传电台使用前要对其进行写频设置，保证每一个电台的频率都在一个频段内，这样才能确保系统数据正常收发。本设计使用的是日精ND250型数传电台。

3 上位机监控软件

监控中心的组态软件在监控系统中实现了数据的动态显示、模块化操作控制功能。操作人员在监控中心可以直接查看现场设备的运行状态，而且可以通过模块化的控制对县城设备进行操控。使用上位机组态软件优点是操作人员不需要编辑程序代码，需要做的工作只是合理的配置参数，即可实现监控系统的基本功能。组态软件可以让操作人员对人机界面进行管理，设置输出数据格式、采样频率、报表形式、曲线形式、报警形式等，而且允许在外网上进行数据交互，使系统集成度更高。本系统的监控中心配有一台工控机，工控机内嵌组态软件为组态王软件，该软件人机交互功能强，能兼容市面上的多数硬件设备，内置图形库丰富，而且能支持Web发布。本系统软件设计包括对系统整体界面设计。系统报表显示画面，能够动态地查看系统采集数据，能够实时显示系统所有水源井的数据参数信息，每一个监测点的数据集中显示，接收显示PLC计算的累计流量，同时还能够查看历史数据报表，方便管理。利用组态王自带的报表控件，在建立的画面中拉出控件，选择合适的窗口大小，在每一个参数框中对应组态王中相应的参数变量。

4 结语

本研究所设计系统集中了现场和远程配合的方式，对供水管网统一管理，在监测点安装测量传感器，传感器数据通过无线数传电台进行传输，数据被主站处理后通过以太网把数据传输到上位机工控机，经由组态软件处理，实现数据存储及Web发布，大大减轻了操作人员负担，提高了供水系统效率。

［1］ 凌振宝，王君，邱春玲.网络化自来水管道漏水检测系统的研究［J］.仪器仪表学报，2003（4）：115－116.

［2］ 黄加丽，彭 耀，孙振宇.无线通讯的水源井群监控系统的研究与应用［J］.山东煤炭科技，2007（6）：70－71.

［3］ 舒诗湖，何文杰，赵 明，等.供水管网漏失检测技术现状与进展［J］.给水排水，2008（6）：114－116.

［4］ 邓广龙，唐文军，田力.基于GPRS的城市供水管网远程监控系统［J］.自动化技术与应用，2008（5）：129－131.