水源深井远程监控系统的设计与应用

1、分类号： TP2 密 级： 公 开 U D C ： 单位代码： 10424学 位 论 文水源深井远程监控系统的设计与应用滕铁军申请学位级别：硕士学位 专业名称：电力系统及其自动化指导教师姓名： 陈尔奎 职 称： 副 教 授山东 科 技 大 学二零一二年四月论文题目：水源深井远程监控系统的设计与应用作者姓名： 滕 铁 军 入学时间： 专业名称：电力系统及其自动化 研究方向电力系统继电保护及自动化技术 指导教师： 职 称：论文提交日期： 2012年4月 论文答辩日期： 2012年6月 授予学位日期：WATER DEEP WELL REMOTE MONITORING SYSTEMDESIGN AND

2、 APPLICATIONA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofMASTER OF PHILOSOPHYfromShandong University of Science and TechnologybyTeng TiejunSupervisor: Professor Chen ErkuiCollege of Information and Electrical EngineeringApril 2012声 明本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文

3、献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。硕士生签名：日 期：AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document

4、has not been submitted for qualification at any other academic institute.Signature: Date:山东科技大学硕士学位论文摘要摘 要电厂水源深井的合理管理，不仅能保证给电厂供水，而且能节约用水。为了合理的调度水源深井，某电厂公司决定对水源深井安装远程监控系统。本系统是由远程监控分站、通信网络及监控中心组成。远程监控分站以PLC 为核心，从硬件电路和控制软件两方面进行设计。远程监控分站硬件电路的设计主要由PLC 的I/O变量表设计、电气主回路设计、PLC 控制电路设计和控制柜控制回路设计组成。远程监控分站控制软件的设

5、计主要由PLC 控制程序的设计和PLC 通信程序的设计组成。GPRS 网络使用的组网方式为：数据中心采用INTERNET 公网连接，采用固定IP 地址接入。确定了GPRS DTU设备，实现了GPRS 网络通信。使用组态王6.53开发了监控中心管理软件。系统安装完成后，通过调试，实现了系统各部分的功能。远程监控分站以PLC 为核心完成现场数据的采集与控制；同时能响应监控中心管理软件发出的指令，把现场水源深井的运行数据及设备状态通过GPRS 网络传送到监控中心。监控中心负责监测现场水源深井的运行数据和设备状态，同时能远程自动控制水源深井的运行状态。通过系统的运行表明：该系统能够对水源深井实现远程自

6、动监控，满足了用户的要求，具有很好的市场应用前景。关键字：水源深井，远程监控，PLC ，GPRS ，组态王6.53ABSTRACTPower plant reasonable management of water deep well, can not only ensure the water supply to power plant, and can save water. In order to reasonable dispatch water deep well, a power plant decided to install remote monitoring system f

7、or the water deep well.The system consists of remote monitoring stations, communication network and monitoring center. With PLC as the core, the remote monitoring stations design includes hardware circuit design and control software design. The remote monitoring stations hardware circuit design incl

8、udes PLC of I/O variables design, main electrical circuit design, PLC control circuit design and control cabinet control circuit design. The remote monitoring stations control software design includes PLC control program design and PLC communication program design. GPRS network for the network mode:

9、 data center using INTERNET public network connection, using a fixed IP address access. The system determines the GPRS DTU device, realizes the GPRS network communication. Using kingview 6.53 develops the monitoring center management software.After installation of the system, through the commissioni

10、ng , realized the functions of the parts of the system. the remote monitoring stations with PLC as the core accomplish the field data collection and control. At the same time that can respond to the monitoring center management software issued instructions of the operation of the water deep well dat

11、a and equipment state through the GPRS network transmits to the monitoring center. The monitoring center is responsible for monitoring the water deep well operating data and equipment state, at the same time can remote automatic control the water deep well running state.Through the operation of the

12、system show that: the system can realize the automatic monitoring water deep well, satisfied the requirements of the customers，has a good application prospect in the market.Keyword ：Water Deep Well，Remote Monitoring，PLC ，GPRS, Kingview 6.53目 录1 绪论.11.1 课题的来源及意义. 11.2 国内外研究现状. 11.3 课题的主要内容及章节安排. 42 系

13、统总体设计方案.62.1 系统的设计原则.6 2.2 系统的整体构成.6 2.3 系统的功能分析.7 2.4 本章小结. 83 远程监控分站硬件电路的设计.93.1 远程监控分站总体框架结构的设计. 93.2 PLC的介绍.93.3 PLC的选择.133.4 检测元件的选择. 173.5硬件电路的设计.203.6本章小结.264远程监控分站控制软件的设计. 274.1编程软件的介绍.27 4.2 PLC控制程序的设计.27 4.3 PLC通信程序的设计.36 4.4本章小结.415 GPRS网络通信的实现. 425.1 GPRS技术概述.425.2 GPRS网络通信的实现.445.3 本章小结

14、. 496监控中心管理软件的设计. 506.1 组态王6.53简介.50 6.2数据通信的配置.52 6.3基本变量的设置.55 6.4软件画面的功能设计.57 6.5 本章小结. 627 系统的工程应用.637.1 系统的安装. 637.2 系统的调试. 637.3 本章小结. 688 总结与展望.69致 谢.70参考文献.71Contents1 Introduction.11.1 The source of the subject and its significance.11.2 Current research at home and abroad.11.3 The main cont

15、ent and the subject section arrangement.42 The whole system design scheme.62.1 System design principle.62.2 System overall composition.62.3 System function analysis.72.4 The chapter summary.83 Remote monitoring stations hardware circuit design.93.1 Remote monitoring stations overall frame structure

16、design.93.2 PLC introduction.93.3 PLC selection.133.4 Detecting element selection.173.5 Hardware circuit design.203.6 The chapter summary.264 Remote monitoring stations control software design.274.1 Programming software introduction.274.2 PLC control program design.274.3 PLC communication program de

17、sign.364.4 The chapter summary.415 GPRS network communication realization.425.1 GPRS technology overview.425.2 GPRS network communication realization.445.3 The chapter summary.496 The monitoring center management software design.506.1 Configuration king 6.53 introduction.506.2 Data communication con

18、figuration.526.3 The basic variables set.556.4The function design of software screen.576.5 The chapter summary.627 The system engineering application.637.1 System installation.637.2 System debugging.637.3 The chapter summary.688 Summary and Outlook.69Thanks. 70References. 711绪 论1.1 课题的来源及意义随着国家经济的发展

19、，人们生活水平的不断提高，对用电的需求日益增加。如何保证电厂正常发电，关联到很多方面；其中，电厂水源深井合理管理是非常重要的一方面，如果管理得当，既能保证给电厂用水，又能节约用水。某电厂公司为了对水源深井进行合理的调度，决定对水源深井进行安装远程监控系统。远程监控系统安装完成后，监控人员就可以对现场水源深井进行远程监控，以实现电源电压、电机电流、深水泵出口流量、深水泵出口压力、水源深井的水位、控制柜内温度和泵房的开关状态等数据的传送及电机的自动控制，提高了工作效率，节省了人力。各水源深井监测分站以西门子PLC 为核心，自动采集电源电压、电机电流、深水泵出口流量、深水泵出口压力、水源深井的水位、

20、控制柜内温度和泵房的开关状态等数据，并将数据信息传送到电厂水源深井的监控中心。监控中心人员通过对传送回的数据信息进行分析，编制出合理的供水方案，使水源深井供水网络在可靠、经济的状态下运行。1.2 国内外研究现状1.2.1远程监控系统研究现状自从上个世纪90年代以来，伴随着科学技术的快速发展，人们的生活方式和生产行为都发生了重大的变化，监控技术作为生产生活中十分重要的一项技术，其重要性正在逐渐被人们所重视和认识。监控系统的变化是一个从集中监控到网络监控的发展历史。早期的监控系统使用大型仪表对各个重要设备的状态进行集中监视，并使用操作盘进行集中的操作。然而计算机监控系统是以监测控制计算机作为主体，

21、加上执行机构、检测装置和被监测控制的对象(生产过程 一起构成的整体。在计算机监控系统中，计算机实现了对生产过程的检测、控制和监督功能。在现代企业的生产及管理中，大量的物理量、工艺数据、环境参数和特性参数等需要进行实时检测、自动控制和监督管理。因为工业生产过程控制要求的高实时性、高可靠性和高环境适应性等特点，所以自动控制和检测技术一直向着自己的道路发展，测控领域所使用的通信技术都自成体系，许多通信协议不开放，而且大多数系统都是面向单台或单一类型的设备1。随着生产力的发展，设备的分布越来越离散。各自独立的、单一的监测系统已不能适应工业化自动化的需求，于是就产生了分布式系统。分布式系统以计算机网络为

22、基础, 使系统的资源分配趋于合理。但是因为目前运行的绝大多数的分布式监测系统还只是局限在局域网上，一般的测控仅局限在同一地点；所以具有一定的地域局限性。INTERNET 能实现资源的共享，进而使人们具有能力解决以往在极有限的资源下很难解决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的条件2。远程监控是由本地计算机通过网络系统如INTERNET ，对远程终端进行监视和控制，从而达到对分散控制网络的状态监控和设备的诊断维护等功能。我们通常把能够实现远程监控的通信媒体、计算机软件、硬件系统称为远程监控系统1。在现场设备分布广泛或者数据不易采集的场合，要能够及时、准确地监视设备的运行状态并且进行有效的控制，

23、这就是远程监控技术在工业生产中的需求。国内外对远程监控都展开了积极的研究，它是国内外研究的前沿课题。1997年1月，第一届基于英特网的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院共同主办，有来自30个公司及研究机构的50多位代表到会。这次会议主要讨论了有关远程监控系统传输协议、开放式体系、诊断信息规程及对用户的合法限制等，并且对未来技术的发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于INTERNET 的下一代远程监控诊断示范系统，此项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的Sun 、Hp 、Boeing 、Intel 、Ford 等12家大公司的热情支持和通力配合。此外，许多国际

24、组织，如SMFPT(Society for Machinery Failure Prevention Technology、MIMOSA(Machine Information Management Open System Alliance、COMADEM(Condition Monition An Engineering Management等，也纷纷使用网络进行设备监控、故障诊断咨询以及技术推广等工作，并且制定了一些信息交换格式与标准。国内对远程监控技术也进行了积极的研究。目前，华中科技大学、西安交大、南京理工大学和哈尔滨工业大学等高校已经取得了比较先进的研究成果，如华中科技大学开发的汽轮

25、机工况监测和诊断系统KBGMD 、西安交通大学研制的大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统RMMD 、哈尔滨工业大学的微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统MMMDES 等3。1.2.2 水源深井通信方式的研究现状随着科学技术的发展，尤其是通信技术和互联网的不断进步，水源深井在通信方式上先后经历了三种监控模式，它们分别为：现场人工方式、有线网络远程监控方式、无线网络远程监控方式。（1）现场人工方式现场人工方式是由人工对现场各个水源深井运行参数和情况进行记录，然后带回控制中心进行综合分析，这含有很多的人为因素，是一种非实时、早期的控制方式，有很多弊端。（2）有线网络远程监控方式有线网络监

26、控方式是通过数据采集终端采集现场各个水源深井运行参数和情况，然后经过通信线把数据传送到监控中心。有线网路通信包括以太网通信、电力载波通信、光纤通信等。由于不受时间及空间的影响，有线网络通信传输的数据信号可靠性高、实时性好。但是这种通信方式受距离限制，监控中心与现场数据采集终端距离越远，有线网络在铺设上的投入成本就越高。在野外作业比较多的行业，如：电力、水利等，根本不适合采用有线网络的通信方式。（3）无线网络远程监控方式无线网络远程监控方式是通过数据采集终端采集现场各个水源深井运行参数和状况，然后经过无线网络把数据传送到监控中心。近年来，无线网络通信有了很快的发展。无线网络通信主要有卫星通信、微

27、波通信、数传电台通信、GPRS 通信等。由于卫星通信和微波通信在架设过程中需要专用的设备且投资巨大，不适合中小用户使用。相对而言，数传电台通信和GPRS 通信在使用过程中投入成本少，适合中小用户及野外作业比较多的行业使用。数传电台通信是根据国家无线电管理委员会规定的频道据进行数据传输。当前，其频段一般在200240MHz之间。为了避免山体和高层建筑物对电台发射场强的影响，此波段的电波在空中传播需要架设很高的天线。同时，架设很高的天线容易受到雷电的冲击。由于数传电台发射的功率有限，因此信号传输受到距离的限制；要想传输超长的距离，就必须使用大功率电源为大功率的数传电台供电。数传电台的应用限定在一定

28、的区域范围内。GPRS(General Packet Radio Service是通用分组无线业务的简称，是在GSM 基础上发展起来的一种技术4。GPRS 采用数据分组交换技术，具有网络覆盖面广，通讯质量高，不受地域限制等优点。GPRS 通信十分适合于实时性要求较高、测量地点分散的用户使用。在无线网络通信方式的选择上，GPRS 通信已经成为用户最佳选择。1.2.3 GPRS通信技术研究应用现状从1993年，欧洲电信标准化协会开始研究制定GPRS ，于1998年基本完成。因为第三代移动通信系统从标准出台到全面商业化还需要较长时间，所以国际上各大通信公司都在忙于开发所谓2.5G 的无线数据业务，作

29、为向3G 标准过渡的中间方案，而GPRS 就属于GSM 向3G 过渡的中间方案。GPRS 不仅被北美的IS-136支持，同时也被欧洲的第二代移动通信系统GSM 支持，已经在欧洲有成功的应用。中国移动通信集团公司在引进欧洲技术的基础上，基本完成了GSM 网的GPRS 升级，在全国的省会城市提供了较高质量的相应服务。自从该网络正式运营到现今，实践证明了该网络的稳定性和可靠性5。国内虽然在GPRS 业务的应用研究方面还是处于起步阶段，但是并没有影响该技术的蓬勃发展。目前，GPRS 技术主要用于银行数据远程备份、电子消费领域的无线网上冲浪、电子商务、天然气行业中的燃气监控、电力系统中的远程抄表、航标数

30、据采集、车载监控、遥测遥控等无线数据业务方面。近年来专门从事移动网络数据通信终端产品的企业越来越多，其商业形式也是多种多样的。有的企业致力于移动数据通信的全套解决方案，他们针对消费电子、工业控制、环境保护和监测等行业，开发了数据采集、数据通信、数据管理等全套功能的实体产品5。近年来数据传输终端产品的关键软件越来越稳定，功能越来越强大，配套的技术服务和支持越来越完善；同时，从事相关研究、开发的工程师也越来越多。另外，大众对此项技术及其服务的了解也越来越专业。但是从市场角度来看，其应用还是处于起步阶段，还有巨大的潜力可以挖掘。因此在今后十几年内，此项技术的应用还将有更好的发展。经过上面的介绍和分析

31、，考虑到水源深井地理位置的分散性，本系统选择GPRS 通信方式。1.3 课题的主要内容及章节安排本项目简要介绍了水源深井远程监控系统的特点和发展状况，提出了水源深井远程监控系统的方案，主要包括远程监控分站的设计、GPRS通信网络的实现和监控中心管理软件的设计等。本课题共8章，安排如下：第一章：绪论。首先对电厂水源深井远程监控系统的课题来源及意义进行了简要介绍；接着介绍了远程监控系统研究现状、水源深井通信方式的研究现状和GPRS 通信技术研究应用现状，确定系统选择GPRS 通信方式。最后简要说明课题的主要内容及章节安排。第二章：系统总体设计方案。从系统的设计原则、整体构成和功能分析三方面进行总体

32、方案的设计。第三章：远程监控分站硬件电路设计。首先设计出总体框架结构，接着对系统使用的主要硬件模块进行了介绍和选型，最后对远程监控分站的硬件电路进行了设计。第四章：远程监控分站控制软件的设计。主要从PLC 控制程序的设计和PLC 通信程序的设计两方面来设计远程监控分站控制软件。第五章：GPRS通信网络的实现。主要从GPRS 技术概述和GPRS 网络通信的实现两方面叙述GPRS 通信网络。第六章：监控中心管理软件的设计。系统采用组态王6.53软件作为监控中心的管理软件，从组态王6.53软件通讯的配置、基本变量的设置和软件画面的功能设计三方面来说明监控中心管理软件的设计。第七章：系统的工程应用。从

33、系统的安装和调试两方面讲述系统的实际应用。第八章：总结与展望。对系统的设计与应用情况进行了总结，同时说明需要改进的问题和后续开展的工作方向。2 系统总体设计方案2.1 系统的设计原则水源深井远程监控系统需要实时监控从3号到13号的11个水源深井。这些水源深井大多分布在离市区比较远且交通不便的地区，并且离监控中心较远。在设计过程中，充分考虑用户的需求，本着稳定、准确、实时、扩展、简单的原则设计出一套用户满意的水源深井远程监控系统。（1）稳定性原则水源深井远程监控系统应能长期稳定、可靠的运行，能满足用户对现场水源深井免维护的要求。（2）准确性原则系统远程监控分站采集的运行数据和设备状态必须准确，以

34、满足用户对水源深井运行状况的准确掌握。（3）实时性原则数据的采集与传输必须是无间断、实时的，以满足用户对水源深井运行状况的实时掌握。（4）扩展性原则系统规模应具有可扩展性，以满足后期用户增加设备的要求。（5）简单性原则系统监控中心管理软件应具有良好的人机界面和简单易学的特点，以便于用户很快的掌握监控中心管理软件的操作。2.2 系统的整体构成水源深井远程监控系统由远程监控分站、通信网络及监控中心组成。系统的网络拓扑图如图2.1所示。在系统中远程监控分站以PLC 为核心完成现场数据的采集与控制，然后根据监控中心管理软件发出的指令，把现场水源深井的运行数据及设备状态通过GPRS 网络上传到监控中心。

35、监控中心负责监测现场水源深井的运行参数和设备状态，同时具有远程自动控制水源深井运行状态的功能。 图2.1系统的网络拓扑图Fig 2.1 System network topology2.3 系统的功能分析2.3.1 远程监控分站远程监控分站主要由PLC 、电压传感器、流量传感器、压力传感器、液位传感器、温度传感器、软启动器、接近开关等组成。远程监控分站具有如下功能：（1）电压传感器、流量传感器等传感器负责检测电源电压、供水流量、供水压力、深井水位和控制柜内温度，同时能把这些物理信息转换为相对应的电信号。（2）软启动器负责检测电机电流、电机故障和电机热报警等，同时能把这些物理信息转换为相对应的电

36、信号或开关信号。（3）接近开关负责检测水源深井的泵房门和控制柜门的开关状态，并能转换为开关信号。（4）PLC 负责检测传感器、软启动器和接近开关传送的电信号及开关信号。通过对信号进行滤波、处理、计算等方法，PLC 能得到准确的电源电压、电机电流、供水流量、供水压力等数据，同时进行现场自动控制。在通信方面，PLC 响应监控中心的查询指令，将采集的运行数据和设备状态转换为数字信号后上传到监控中心；并且能接收监控中心的控制指令来自动控制电机的启动和停止。2.3.2 通信网络系统通信网络负责各远程监控分站与监控中心的数据通信。通信网络由GPRS 网络和INTERNET 组成。数据通信的过程顺序如下：首

37、先，监控中心管理软件启动Driver For GPRS服务程序。其次，通过共享内存，把用户配置信息发送给服务程序，服务程序接到信息后，根据GPRS DTU厂家、标识和端口号，通过INTERNET 和GPRS 网络来建立联系。在连接成功后，服务程序会通过设置初始化成功事件，来通知监控中心管理软件运行系统。最后，打开虚拟驱动得到虚拟串口的连接状态，接着打开设备驱动通过串口通信协议采集数据和传输监控中心管理软件的控制指令。2.3.3 监控中心本系统监控中心由计算机和打印机组成。计算机上装有组态王软件，并且具有固定的公网IP 地址。监控中心管理软件应具有以下基本功能：（1）能实时监测每个水源深井电机的

38、运行状态；（2）能实时监测每个水源深井GPRS 网络的连接情况；（3）当有故障时，能对相应的水源深井进行故障报警；（5）点击按钮，能显示相应的单个水源深井子画面；（6）点击控制按钮，能实现对现场水源深井进行远程自动控制；（7）通过数据库和报表，能对实时数据和历史数据进行查询、管理和打印等功能；（8）能显示数据的实时曲线和历史曲线；（9）系统软件具有良好的人机界面、可扩展性和易操作的特点；（10）具有用户管理权限。2.4 本章小结本章首先叙述了水源深井远程监控系统的设计原则，接着说明系统是由远程监控分站、通信网络及监控中心三部分构成的，最后对系统各部分的功能进行分析、介绍。本章为水源深井远程监控

39、系统的设计指明了方向和路线。3 远程监控分站硬件电路的设计3.1 远程监控分站总体框架结构的设计根据水源深井远程监控系统对远程监测分站的功能要求，远程监控分站框架示意图如图3.1所示。 图3.1 系统分站框架图Fig 3.1 System of substation framework远程监控分站以PLC 为核心，主要由电压传感器、流量传感器、压力传感器、液位传感器、温度传感器、软启动器、接近开关等组成。PLC 负责检测传感器、软启动器和接近开关等采集的数据信号，并能通过对信号进行滤波、处理、计算等方法得到准确的数据，同时进行现场控制。在通信方面，PLC 响应监控中心的查询指令，将采集的运行数

40、据和设备状态转换为数字信号后上传到监控中心；并且能接收监控中心的控制指令来自动控制电机的启动和停止。3.2 PLC的介绍PLC （Programmable Logic Controller）是可编程逻辑控制器的简称。它是采用可编程的存储器，在其内部存储程序并通过输入/输出模块来操作、控制工业生产过程。3.2.1 PLC的基本结构PLC 和计算机的组成结构基本相同，主要有中央处理器（CPU ）、存储器（RAM 、ROM ）、输入输出单元（I/O）、编程器和电源单元等组成6，其基本结构图如图3.2所示。（1）中央处理器（CPU ）中央处理器（PLC ）是PLC 的核心，由运算器、控制器和寄存器组成

41、并集成在一个芯片内。中央处理器的功能为：诊断PLC 内部电路的工作状态和编程中的错误；能监视并接收现场输入信号，完成逻辑或算术等操作，并将根据运算结果控制输出。 图3.2 PLC的基本结构Fig 3.2 The basic structure of PLC（2）存储器（RAM 、ROM ）存储器（RAM 、ROM ）是由具有记忆功能的半导体集成电路组成，用于存放用户程序、系统程序和逻辑变量等信息。只读存储器ROM 中一般存放系统程序；系统程序是由厂家编写且用户不能读取，能控制和完成PLC 的多种功能。随机存储器RAM 中一般存放用户程序和逻辑变量等信息；用户程序是由用户编程设计的，能使PLC 完成用户要求的功能。（3）输入输出单元（I/O）输入输出单元（I/O）是中央处理器（CPU ）和外部设备进行联系的通道