文章摘要
针对内蒙古某矿业目前供水系统的现状,设计了基于4G和PLC的无线供水监控系统。系统中包括上位机监控、无线通信和下位机数据采集及控制部分。实践证明,该系统实现简单,通讯可靠,而且具有很好的扩展性。
前言
水资源是人类赖以生存和发展所必须的不可替代的资源，是工业农业的血液。水资源的重要性对于矿山企业更甚，尤其是采用堆浸工艺生产的矿山。矿山一般都处于远离城市的地区，供水大部分采用水源井供水。矿山供水最大的特点就是距离远，通常水源井、泵站、水池、员工驻地、中心控制点的距离十几公里甚至几十公里，以内蒙古某矿业为例，从末端的水源井到高位池之间距离有15公里远，员工驻地到最近的泵站距离3公里。由于控制点的分散性，造成巡检工作的及时性很低，出现问题不能及时发现，造成生产事故。为了提高工作效率，减少设备故障时间，开发一款无线监控系统势在必行。
随着公司的扩建，公司的供水量需求也越来越大。对于通往生活区和选冶车间以及破碎车间的储水池，液位的高度尤其重要。对于多数储水池的供水运行方式，基本上是人工定时巡检 ，然后根据巡检结果去泵房进行操作，这种方式下储水池经常出现溢流或者抽空的现象。为了节能、节水和挖潜增效，在目前设备的基础上，设计了基于4G通信协议的无线监控系统。该系统应用于公司的供水系统中，一年来运行稳定，减少了由于巡检不到位导致的故障停车时间，方便了生产人员及时根据水量情况调节生产指标，取得了不错的效果。
系统设计
本系统由上位机监控部分、无线通信部分和下位机数据采集和控制部分组成，系统控制结构示意图如下：（图1）
下位机的作用：下位机采用的PLC是西门子公司的S7-200-226型号的CPU,负责采集水泵流量，水池液位，水源井液位以及各设备的运行故障状态，并且控制水泵的开启和阀门的开闭，从而负责给高位水池供水。
上位机作用：上位机采用的是本人用由广州巨控公司的组态监控软件GiantView软件开发的内蒙古某矿业供水监控系统，它接收4G 模块(物联网无线数据终端)收集的各水源井、水池的液位数据和各水泵的运行状态以及阀门开闭状态的数据，在监控界面上显示并将需要调节的生产参数传回下位机；通过监控界面对现场的各个数质量、模拟量进行监视；根据实际生产需要监控计算机可以通过监控界面对现场的数字量进行控制。
无线通信部分作用：考虑到水源井、水池、泵站、员工生活区距离较远，单独布线成本因素，本系统采用基于4G协议的无线通讯系统作为传输媒介。
1.1数据采集
储水池和水源井的液位测量是由液位传感器实现的，传感器采用2线制24V液位传感器，传感器接入西门子EM231模拟量输入模块或者4G DTU模块把数据传入下位机PLC。下位机根据设置的工作程序和输入数据判断设备的启停工作。
1.2控制部份
系统中共有5台离心泵、6台深井潜水泵。运行方式分为手动运行和自动运行。手动控制方式下，操作员通过下位机操作面板或者上位机监控界面控制设备的启停和阀门的开闭。自动控制方式下，按照提前写入PLC的程序执行，即当前液位低于下限时并保持一定时间，阀门打开水泵启动。当前液位高于上线并保持一定时间，阀门关闭水泵停止。保持一定时间的原因是，排除液位传感器回传数据波动造成的水泵频繁启停现象，有助于设备寿命的延长和减少频繁启停对设备的损耗和对电网的冲击。
1.34G通讯
传统的有线监控方式由于架线难度大且成本较高，因此不试用于矿山等地形复杂的现场，而无线通讯技术解决了这个问题。得益于通信运营商广泛的网络覆盖，只要由手机型号的地方，就能够进行无线通讯。无线通讯方式非常灵活，具有投资少，建设周期短，性价比高等优点，在工业领域应用较为广泛。4G技术在远程无线监控系统的广泛应用，大大提高了监测效率和可维护性。
系统中应用的4G DTU模块是由广州巨控公司生产的GRM230 4D4I4Q型号无线通讯模块。GRM230无线通信模块使用4G(需要插入手机SIM卡)，作为通讯方式，可以实现远程监控、远程控制、短信报警等功能。相比传统4G DTU采用透传技术需要绑定域名解决固定IP地址、传输效率低、费流量的缺点，GRM230模块采用非透传技术，PLC和 4G DTU模块之间完全采用自定义的打包和数据压缩格式，同一包数据中的变量可以不受寄存器类型和地址间隔的限制，可以最大程度上降低流量。以本文中的内蒙古某矿业无线监控系统为例，使用GRM230的非透传远程监控100个PLC变量，3S更新一次，一个月只需要不到100M的流量（费用不到10元）。4G 作为主流的通信方式可以轻松应对大部分应用，但是其不足之处在于，语音和短信业务的优先级比4G的优先级更高。当基站覆盖的区域语音业务比较繁忙时可能导致 4G中断，此时可使用短信来发送一些紧急的数据和消息。该模块无线方案利用短信和 4G 相结合的方式，即使 4G 中断，依然可以通过手机短信监控远程设备，保证了无线监控系统的稳定性。
系统软件
2.14G设备的配置
外部接线（图2为模块实物图）
图中COM1、COM2是与PLC通讯接口，与PLC的DB9通讯口连接，采用的是西门子的PPI通讯，连接方式是COM1的A端子与PLC的DB9通讯口的3号针脚连接，COM1的B端子与PLC的DB9通讯口的8号针脚连接。
图中模块下端接线端子VCC 、GND接9-24V电源正负级（功率12W以上）
图中模块下端其它接线端子分别为接开关量输出、开关量输入、电流输入端子，具体接线方法如下图：
软件配置
当模块通过网线插入工控机后，系统会自动安装驱动程序。安装好驱动程序后打开模块配置软件GRMDev开始配置模块，模块硬件参数配置如下图：
配置完硬件后，在下图左侧数据词典中新建需要监控的变量，并与通讯中的PLC中的变量一一对应，为后面无线监控系统提供数据来源，配置后的变量界面如下：
同样道理，在软件左侧短信报警目录下，配置需要报警的变量，如生产液位高/低，设备故障报警等，可以设置为设备故障后发送短信或者拨打当班工作人员电话。工作人员可分为值班人员，领导人员等，当设备故障后首先发短信给值班人员，一定时间后如故障未解决，系统会发短信给领导人员，大大提高了值班人员的工作积极性。
经过以上配置后，模块就由了短信监控，短信报警，网页监控功能。监控界面如下：
上位机无线监控界面的设计
开发上位机监控系统采用的是广州巨控公司的组态监控软件GiantView，该软件支持多个厂家的PLC、智能模块，支持多重通讯协议，有良好的通讯接口。由GiantView开发的内蒙古某矿业供水监控系统，运行界面如下：
污水处理界面如下：
报警界面如下：
软件通讯原理如下
结束语
者设计的基于4G技术的无线供水监控系统具有良好的扩展性，本系统可以实时的在线监测水源地、泵房、水池所在地的水位水量信息以及设备的运行情况、故障状态，并可以实时操作水泵及阀门的开闭动作。该系统的应用提高了工作效率，减少了由于故障停车的时间，对矿山供水系统起到了良好的作用。
参考文献：
贾华、任胜义、马和平 《4G在铜厂供水远程控制系统研究和设计》
广州巨控公司 《GRM无线模块使用手册》
广州巨控公司 《GRM无线模块通讯协议手册》
赵云鹏 《某供水系统远程监控的设计与分析》
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