基于4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水位遠程監(jiān)測及控制

王帥 劉英超 張晨 李大華 李棟

遠程監(jiān)測水位和智能控制水泵的系統(tǒng)，其中包含了無線路由技術(shù)、軟件開發(fā)技術(shù)、傳感器技術(shù)和PLC控制技術(shù)。該系統(tǒng)可以用于工廠或個人來提高最大用水效率及提供方便。

關(guān)鍵詞：無線路由；水位；PLC；遠程控制

一、系統(tǒng)的技術(shù)原理及特點

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)的縮寫。目前已發(fā)展到4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。GPRS是基于GSM（全球移動通信系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)?？梢哉f它是GSM的延伸。 GPRS通過分組類型實現(xiàn)傳輸。基于發(fā)送數(shù)據(jù)的大小來計算用戶的成本。因此，傳輸成本相對較低。新的GPRS技術(shù)的優(yōu)點是無論您在哪里，它可以讓您快速訪問互聯(lián)網(wǎng)。流行的觀點是：速度提高，內(nèi)容增加，應(yīng)用程序豐富，但成本下降。

PLC是由繼電器控制的概念和設(shè)計思想，與計算機技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合形成的專門從事邏輯控制的計算機系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)在井控中具有良好的應(yīng)用性，具有功能強，可靠性高，壽命長，能耗低，維修方便等特點。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些先進的控制解決方案已應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的供水控制系統(tǒng)，從而代替了一般采用獨立繼電器或PLC控制系統(tǒng)。這將使控制系統(tǒng)更具可擴展性，不易發(fā)生故障并更易于操作和維護。本項目通過裝有SIM卡的路由器，實現(xiàn)了PLC控制功能與GPRS無線傳輸技術(shù)的有效結(jié)合，為工業(yè)供水領(lǐng)域提供了更完美的控制方案。

二、系統(tǒng)的主要功能及工作過程

（一）數(shù)據(jù)的采集、傳輸及讀取

首先將PLC通過路由器及SIM卡提供的GPRS服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)連接，即可將傳感器采集來的信息（如液位、電流、電壓、水流量等）通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至PC端，通過人機交互界面即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時讀取。

（二）數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及報表生成

設(shè)計系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)庫，儲存采集來的數(shù)據(jù)，定期生成專業(yè)的統(tǒng)計圖表。

（三）系統(tǒng)參數(shù)的修改

利用數(shù)據(jù)庫生成的高度可視化的報表，可輕易得出更有利于系統(tǒng)工作及水資源利用的參數(shù)。在PC端發(fā)出修改參數(shù)的指令，通過互聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)遠程修改PLC的工作參數(shù)。

（四）現(xiàn)場液位控制

PLC根據(jù)遠程設(shè)置的參數(shù)，自動控制繼電器、閥門、水泵等設(shè)備實現(xiàn)液位的精確控制。

（五）異常情況報警

系統(tǒng)的電流電壓變送器可實現(xiàn)實時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀況，一旦系統(tǒng)工作異常立即向PC端發(fā)送報警信息。

三、硬件的選型

電流傳感器采用霍爾傳感器，其特點是架構(gòu)明了，測量精確度與線性程度較高。

由于本設(shè)計致力于實現(xiàn)SIM卡提供的GPRS網(wǎng)絡(luò)的通信，而且現(xiàn)場工作環(huán)境較復(fù)雜，所以路由器選擇YN3402型工業(yè)級路由器。

PLC選用SIMATIC S71200，有著緊湊模塊化的設(shè)計特點且具有眾多功能的指令集，這些特點使其成為解決工業(yè)控制問題的不二選擇。

四、程序流程

系統(tǒng)水位控制流程如下：

（1）用戶遠程設(shè)定需要的水位參數(shù)（即L，H，S），系統(tǒng)啟動；

（2）自動檢測水位是否處于設(shè)定范圍之內(nèi)，若處于范圍之內(nèi)則系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，持續(xù)檢測水位；

（3）若水位高于上限值則打開水泵抽水；

（4）若水位低于下限值則打開入水閥門加水，直到水位到達設(shè)定的額定值S系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

五、總結(jié)

本文通過3G/4G電信技術(shù)和PLC控制技術(shù)的有效整合，展示了以下優(yōu)勢：

（1）實現(xiàn)全自動控制和監(jiān)控，減少人員操作和工作量，大幅度提高了工廠自動化水平。

（2）采用PLC代替繼電器控制，提高了受控設(shè)備的運行可靠性，降低了故障率，大大縮短了故障時間，減少了電氣元件的損耗。

（3）與電纜鋪設(shè)相比，采用GPRS遠程監(jiān)控減少了電纜和人力的投入成本，更重要的是，它解決了信號衰減的問題，可實現(xiàn)高精度、高可靠性、信號穩(wěn)定的控制。其最大的優(yōu)點是：節(jié)省了大量的繼電器和接觸器的使用。

（4）系統(tǒng)能夠及時發(fā)出報警信息，使管理人員能夠在最短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)危險情況，及時采取修復(fù)措施，確保供水系統(tǒng)安全，減少水資源浪費，降低運行成本。

（5）實時數(shù)據(jù)顯示軟件或移動設(shè)備上，實現(xiàn)供水信息的自動化和網(wǎng)絡(luò)化管理。

（6）該系統(tǒng)可對，流量、水位閥位、累計水量等系統(tǒng)狀態(tài)信息進行24小時全天候監(jiān)測，從而通過軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)了自動遠程控制功能。

參考文獻：

[1]郭榮祥，雷高陽.基于PLC和GPRS的遠程監(jiān)控供水系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2013.21（10）.

[2]王偉.PLC和GPRS技術(shù)在遠程供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子科技大學(xué)，2013.06.23.

[3]鄭文波，谷明珍，趙鑫，冷雪.通過MDS無線通信實現(xiàn)PLC遠程自動汲水與供水的控制[J].自動化與儀器儀表，2007.06（134）.

[4]周麗榮. 基于S7200PLC的水塔水位自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科學(xué)之友，2012（06）.

[5]王樹東，靳雷，包群山，李夢. GPRS技術(shù)和PLC在自來水廠監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工業(yè)用水與廢水，200902（401）.

[6]邢珂，黃民改.基于S7300PLC的水庫測流監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，201110，32（5）.

[7]田國海，馬華明.基于PLC、GPRS、互聯(lián)網(wǎng)和組態(tài)軟件的泵站遠程控制[J].科技論壇，61.

[8]靳雷，包群山.基于PLC和GPRS無線通信的水廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].智能電器及計算機應(yīng)用，2009（9）.

項目信息： 天津理工大學(xué)2017 年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目