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引言
供水管网的分布广，管网上的监测点、泵站数量不断增加，这对供水管网系统的监控提出了更高的要求。而传统方法有2种：采用无线数传电台通信，使用这种方式时，系统存在易受外界信号干扰、误码率高、信号覆盖范围有限等问题；采用有线方式，存在选线、布线难，运行、维护费用高的问题。因此进一步改善供水系统的自动化水平，采用更先进的通信和控制技术实现供水管网的远程监控就显得尤为重要。
为解决该问题，利用PPI协议和GPRS网络综合的控制系统来实现供水管网远程监控。根据供水管网控制要求，系统需要对管网节点压力、流量、阀门信号及水泵启停等运行状态参数进行监测和控制，本设计采用Ｓ７系列可编程逻辑控制器的PPI协议与力控组态软件ForceControlV7.0相结合，GPRS无线网络传输数据，实时监控供水管网的运行状态，显示故障及报警提示信息等，调整和控制方便，实现供水管网设备的安全可靠运行。
1、系统概述
本系统主要对供水管网减压池站、加压泵站、管道监测点进行联网远程监控。减压池站的设计是应对大落差重力输水较经济的减压解决方案，根据现场实际地形和管网分布，采用分级消能减压措施以降低管道正常运行水压，管网沿线设有2个减压池，分别为1＃减压池和2＃减压池，同时供水管道安装电动调流阀配合减压池调节管道压力，在减压池站系统主要监控减压池的水位，管道进出压力、流量，以及控制调流阀的开度和电动阀开关状态等参数；加压泵站主要是弥补供水管道沿程压力损失和对用水企业进行恒压供水，根据用水企业分布，供水管网共设有３个加压泵站，每个泵站利用变频技术实现恒压供水，在加压泵站系统主要监控管网管道进出压力、流量、阀门开关状态及变频频率和水泵启停等参数；管道监测点主要对管道压力、流量进行实时监控，通过数据统计和分析，判断管道是否存在泄漏点，为降低误报率，系统根据负压力波流量法泄漏定位原理，采用压力流量联合判断方法来监测管道泄漏。由于系统管网供水管道距离长、分布广，在易出现泄漏事故的地方设置了4个监测点。系统结构如图1所示。
2、系统控制方案设计
2.1系统控制方案根据供水管网结构，从功能划分，监控系统整体由监控中心站，GPRSDTU无线数据终端单元和现场控制器构成。监控中心上位机组态软件设为控制主站，并分别在减压池站，加压泵站、管道监测点设置PLC为PPI从站，进行现场信号采集和控制，各个分站点通过GPRS无线网络，将数据上传到上位机控制主站，控制主站负责数据接收和中转，数据通信链路则由GPRSDTU建立和维护，实现了系统对管网设备的集中控制。考虑到操作的方便性和及时性，在每个减压池站、加压泵站，各设置一台触摸屏，进行供水设备运行的数据监控和运行操作。正常情况下，主要由监控中心通过上位机对系统进行监控，紧急情况下，可由站点现场工作人员通过控制柜上的触摸屏对系统进行监控和人工操作。
2.2系统的硬件设计考虑到供水管网数据量小，控制要求相对简单，选择结构紧凑，成本低以及集成度高的S7-CN小型PLC，CPU选用具有双通讯口的CPUxp模块，其通讯端口与RS兼容，位于一个９针微型Ｄ形连接器上。CPUxp本机I/O具有数字量14输入/10输出和模拟量2输入/1输出，符合管道监测点的点数控制要求，但减压池和加压站监测的模拟量信号较多，需配置EMCN模拟量模块，其提供有4路模拟量输入，1路模拟量输出。
GPRSDTU无线数据终端单元选择HGPRSDTU。此无线DTU符合工业级标准，内嵌PPP、TCP/IP、DDP等多种协议，可实现用户设备到数据中心远程透明数据通信，其外部端子提供有R通讯口，用户设备即插即用，安装简单、使用方便。
现场人机界面选择TPCHi触摸屏，其内部预装MCGS嵌入式组态软件，具备图像显示和数据处理功能，其与现场控制器有多种通讯方式，使用其默认RS通讯的COM2端口。其端口与控制器、GPRSDTU引脚接线如图2所示。
2.３系统网络结构设计监控中心通过PPI协议和GPRS网络与现场可编程控制器通信，从而获取管网设备运行状况。系统网络结构如图３所示。
2.３.1PPI协议
PPI协议是专门为S7-CN开发的通信协议，是一种主从协议，主站设备将请求发送到从站设备，然后从站进行响应。从站设备不发消息，只是等待主站的要求并对要求做出响应。S7-CN的PPI网络通讯是建立在RS网络的硬件基础上完成的，因此其连接属性和需要的网络硬件设备是与其他的RS网络一致。默认情况下，S7-CNPLC为PPI从站模式。
当上位机主站与PPI从站通信时，主站上位机不需要额外安装硬件，如通讯卡；从站PLC也不用编写相应通信程序，而且可读写所有数据区，因此，与其他通讯协议相比，PPI协议的适用性、可操作性及经济性较好。
2.３.2GPRS无线网络
GPRS即通用分组数据业务，是基于GSM系统的无线高速数据分组传输技术，具有覆盖率高、实时性好、传输速率高、运行费用低、安全可靠及支持IP协议等优点。在工业数据监测与传输中，利用GPRS网络可以实现远距离、宽范围的数据传输。
本设计采用设定固定公网IP地址和安装ＳIＭ卡的模式，并对GPRSDTU进行相应的参数配置，正常情况下，DTU上电后，就可以将终端设备发往串口的数据，通过GPRS网络传送到互联网，然后根据绑定的固定IP地址将数据传送到监控中心上位机组态软件上，完成数据的收发。GPRSDTU在监控中心上位机主站和现场PLC从站之间建立一条双向透明传输的无线通信链路，方便系统的组网。
３、系统软件设计
供水管网远程监控系统的软件设计主要由PLC程序设计和上位机组态设计两部分组成。PLC控制程序是整个监控系统设计的核心，完成现场设备运行控制与数据采集；组态软件负责监控供水管网设备运行状态和参数设置，配合现场PLC完成设备运行优化控制。
３.1PLC程序设计在对S7-CNPLC编程之前，先要对其进行通信配置，由于使用PPI主从协议，一个主站对应多个从站，现场PLC从站应设置不同的网络地址，并分别与组态软件的相对应的IO设备组态地址一致；同时将端口波特率设置与GPRSDTU相同的波特率。PLC程序实现的主要功能有模拟量采集处理、数据收发、开关量控制等，程序流程如图4所示。
程序流程图供水管网现场环境复杂，存在很多干扰，但干扰源很难找到与屏蔽，所以模拟量信号在采集时往往受到瞬时干扰而产生较大的波动，使数据发生变化，造成测量不准确。为了除去模拟量信号的干扰，采用S7-CN编程系统块定义的模拟量输入滤波器，只需要设置采样数、死区以及选择需要滤波的模拟量输入，CPU就将在每一个程序扫描周期前自动读取模拟量输入值，这个值就是滤波后的值，是所设置的采样数的平均值。供水管网管道压力、流量等模拟量变化比较缓慢，选用模拟量滤波器可以很好地抑制波动。
３.2上位机组态设计上位机监控组态软件选择力控ForceControlV7.0，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，可以实现监控层的各项功能，同时具有丰富的设备驱动程序，能较好地进行网络通讯。GPRSDTU与力控组态软件之间的通讯是就是通过CommBridge扩展组件实现的，利用力控CommBridge配合I/O设备驱动程序，实现原来仅支持直接串口通信的驱动程序，能够通过GPRS无线网络对I/O设备进行数据采集，只需要在定义I/O设备时，将通信方式“串口”“切换为”“网桥”方式，同时在开发系统中，系统配置选项卡中设置CommBridge为系统初始启动程序。在大多数情况下，一个中心站要与多个DTU通信，由于CommBridge对每个DTU采用了单独的信道管理与数据缓冲区管理，数据的收发控制采用并发处理算法，因此通信效率不会因DTU数据量的增加而受到影响，但需要对每个DTU终端进行编号，编号从1开始，终端编号要唯一。
上位机组态程序主要分为实时监控画面，实时趋势和历史趋势曲线，报警记录，系统管理，报表打印等部分，实时监控画面显示当前供水管网实时参数，方便工作人员及时了解管网运行状况，做出调整；实时趋势曲线和历史趋势曲线提供了供水管网管道压力、流量等参数的实时趋势变化和历史趋势变化，通过统计和分析供水管网各参数的趋势变化，对管网供水在不同时段和不同月份的管道压力、流量进行合理的预判，做出优化控制。上位机程序结构如图５所示。
上位机程序结构图上位机组态程序设有主监控系统，主要对供水管网管道进行动画模拟以及站点所在地高程进行标注，同时对各个监测点、泵站的设备主要参数进行集中监控。主监控系统界面如图６所示。
结束语设计基于PPI协议和GPRS网络的远程监控系统，并将其应用在水厂远程供水管网监控中，提高了供水管网的自动化程度，实现了对供水管网设备的运行优化控制，此设计方案成本低廉，组网简单、方便。目前，该系统已在供水公司投入运行，实现了系统预期的各项指标，为供水管网的正常运行提供了保障。
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