基于GPRS的PLC多点温度监控系统设计 精品.docx
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基于GPRS的PLC多点温度监控系统设计精品
基于GPRS的PLC多点温度监控系统设计
摘要
在我国北方地区主要采用集中供暖的方式，根据小区供暖对恒压恒温的控制要求，本设计采用计算机、工业智能模块、传感器和执行器组成一个温度和压力双重闭环的供暖控制系统。
通过组态控制方法和PID控制策略，设计了组态界面监控程序，实现了对小区供暖系统温度、压力、流量参数的现场采集和实时调节，从而提高控制精度。
在本设计了主要分为三个部分：
上位机通用组态软件、GPRS无线传输、下位机S7-200PLC。
在上位机部分采用的是MCGS通用组态软件，MCGS是数据采集与过程控制的专用软件，它以灵活多样的组态方式为用户提供良好的用户开发界面，具有丰富的画面显示组态功能。
在组态界面上主要显示各小区换热站的网管温度、压力、流量等参数并对其进行控制，保证其安全可靠的运行。
该系统的数据传输网络主要是通过GPRSDTU和移动公司GPRS网络来完成的。
DTU是数据接收和发送模块，在网络中主要完成下位机与上位机的数据传输的任务，同时也是与移动GPRS网络的工作接口。
下位机部分利用了西门子得S7-200PLC对现场设备运行情况及参数进行采集和控制。
通过在实验室将程序进行调试，使其控制精度、运行可靠性基本符合了系统的控制要求。
关键词：
S7-200PLCGPRSPIDMCGS组态软件
TheDesignofMulti-pointTemperatureControlSystemBasedonGPRSandPLC
Abstract
InthenorthernChinamainlyusesthecentralheatingway,accordingtothedistrictcontrolrequirementsofconstantpressureandtemperature.Thisdesignusesthecomputer,industrialintelligentmodule,sensorsandactuatorsformatemperatureandpressuredoubleclosedloopofheatingcontrolsystem.ThroughtheconfigurationcontrolmethodandPIDcontrolstrategy,designthemonitoringprogramofconfigurationinterface,realizingthedataacquisitionandreal-timeadjustmentoftemperature,pressure,andflowrateparametersintheheatingcontrolsystem,soastoimprovethecontrolprecision.Thisdesigncanbedividedintothreeparts,includingthegeneralconfigurationsoftwareofuppermachine,GPRSwirelesstransmission,PLCS7-200.
UseMCGSgeneralconfigurationsoftwareastheupperpart.MCGSisspecializedsoftwareofdataacquisitionandprocesscontrol.Ithasrichpicturesshowedfunctionandflexibleconfigurationmode,whichprovidegoodinterfacedevelopmentforuser.Intheconfigurationinterfacemainlyshowsthetemperature,pressure,flowingparametersofeveryheatingtransferstationanditscontrol,ensurethesafeandreliableoperation.
ThedatatransmissionnetworkofsystemismainlythroughtheGPRSDTUandmobilecompanyGPRSnetwork.DTUisthesendingandreceivingmodule,whichisusedtofinishthetransmissiontaskbetweentheuppermachineandtheundermachineinthenetwork.Meanwhileit’salsotheconnectionwithmobileGPRSnetwork.
IntheundermachineweuseSiemensS7-200PLCtogatherthedataandcontroltheoperationoftheheatingsystem.
Throughtheprogramtestinginthelaboratory,finishthecontrolsystembasicallybothincontrolaccuracyandoperationreliability.
Keywords:
S7-200PLC；PID；GPRS；MCGS
1引言
随着近年来我国城市建设的迅速发展，在我国北方地区普遍采用的是集中式的供暖方式。
热电厂将热水通过城市的高温供热管道送至分布在城市中的各个居民小区换热站中。
换热站的高温管道中的热水与居民暖气片中的冷水通过换热器进行交换热量再将交换后的热水送入各居室内作为供暖用。
一个供热公司通常控制几个甚至多个小区的供暖，供暖作为城市发展一个重要的基础设施是经济与社会发展的源泉，加强对供暖的信息化建设不仅可以为供热公司提高经济效益还对城市建设发展具有相当重要的意义。
本文利用计算机信息技术、通信技术和自动控制技术对整个供暖系统运行过程中的主要参数、管网信息、设备运行状况进行动态的监测、实时的调度和自动化的控制，实现自动化信息管理，并将监测点的运行情况用组态画面显示，直观的表现出管网的运行状况，再结合PID等数学模型进行优化反馈，完成对供暖系统各个环节的可靠合理的配置。
在一次高温热水的主网分支进入换热站之前，加装了电动调节阀和测量一次热水流量的测量变送器；为了保持二次回路压力的稳定，在二次回路加装有变频补水泵以稳定二次供暖回路的压力。
同时在二次管网中还装了温度传感器和压力传感器。
目前采用S7-200PLC技术与GPRS无线通讯网络技术相结合对供暖远程监控系统，在对管网的快速、准确监控、安全维护、抢修施工等方面具有重要的意义。
2工艺要求及设计方案
2.1工艺要求
（1）检测显示与上传六个换热站的参数
热网回水温度，补水箱液位，热网回水压力，供水网的流量，
（2）控制和联锁部分
PLC控制器根据补水管网的压力，控制补水泵转速。
根据换热器出水口温度调节供水网上加装的电动调节阀的开度来控制温度保持在一定的范围内恒定。
当补水箱处于低液位时，报警信号送至PLC，同时停补水泵。
（3）报警保护部分
补水箱处于低液位或高液位
热网回水压力大于0.35MPa时
换热站出水口的温度超过设定值5℃时产生报警
2.2设计方案
本设计主要是要把分步在六个换热站的管网温度和压力等参数上传到监控中心的上位机上，以便工作人员可以通过上位机直观的看到各个换热站设备的运行情况并对其进行参数设置，来保证系统的稳定运行。
每个换热站的控制参数和情况都是一样的，所以在下面的设计里只研究了一个换热站的控制运行情况。
一个换热站的控制系统主要是由三部分组成：
现场换热站的S7-200PLC[1]的控制部分、GPRS无线数据传输部分、监控室控制中心上位机MCGS组态软件部分。
系统首先通过S7-200PLC采集换热站内的温度、压力、流量变送器的现场信息参数，通过RS232模块完成与GPRSDTU的数据交互[2]。
监控室内的上位机与GPRS数据接收端连接起来并定时的接收从现场传来的数据，计算机利用组GPRS接收现场PLC对数据进行采集，并通过MCGS组态软件记录和分析，在计算机的屏幕上清晰的显示出来；通过PID运算对给定信号和反馈信号进行比较运算，将运算结果作为控制信号通过GPRS的无线通信传送到现场换热站的PLC去控制电动调节阀和变频器的动作，从而实现对现场设备运行的控制。
系统总体结构如图2-1所示。
（1）大多数换热站都采用的是超短波来进行传输，但是随着城市的快速发展，许多的高楼大厦拔地而起阻挡了信号的传输，使许多的数据不能正常抄报。
无线电波还具有一定的局限性，抗干扰的能力也比较差。
对于现有的传输系统不仅需要人工检查进行大量的维护，还需要投入大量的维修费用，严重影响了企业的经济效益。
为了有效的解决供热管网存在的数据传输问题本方案采用的是GPRS通用分组业务，它允许用户在端到端分组转移的模式下发送和接受数据，不需要电路交换模式的网络资源。
GPRS不仅可以提供一种高效率、低成本的无线分组业务，还适用于间断的、突发性、频繁的、少量的数据传输，本系统采用这种无线传输方式不仅提高了效率，还在很大程度上为用户降低了成本[3]。
图2-1系统总体结构图
（2）现场数据采集部分我们采用的是西门子SP-200系列的PLC，其他换热器控制系统有采用单片机，ARM等控制方式的。
PLC可用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，在系统中只留下少量的输入输出硬件，使系统由于触点接触不实造成的故障减少，另外在编程方面PLC也比单片机和ARM简单容易理解。
在PLC型号选择时有些控制系统基本上均采用S7-300PLC，虽然其I/O点数增加了可以充分的满足系统的控制要求，但同时也增加了系统的成本，在本设计里六个站里分别安装了PLC，控制的数字量不是很多，所以本系统采用了S7-200加上扩展模块的方式来实现对系统参数的采集。
（3）在监控中心的上位机部分利用的是通用组态软件，此软件能直观的对现场设备运行情况进行监控，画面美观形象，人机界面良好，还有最大的优势就是功能齐全应用起来简单方便还可以清晰的显示现场设备的运行情况，生成生报表浏览报警信息。
3数据传输
3.1网络结构
该系统的数据传输网络主要是通过GPRSDTU和移动公司GPRS网络来完成的。
DTU是数据接收和发送模块，在网络中主要完成S7-200PLC与监控中心的数据传输任务，同时也是与移动GPRS网络的工作接口。
3.2GPRS技术
3.2.1GPRS简述
GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分组无线业务）是现有GSM系统上发展出来的一种新承载业务，为GSM用户提供分组形式的数据业务[3]。
GPRS采用分组交换技术，资源可以被充分的利用，数据传输速率最高可达到171.2kb/s。
GPRS技术采用实时数据分组发送和接收，可以使用户永远在线并且按照流量的大小收取费用，在不传送数据的时候不会收取费用，这就在很大程度上降低了用户的服务成本。
3.2.2选择GPRS的优势
选择一个合适的传输方案是决定系统运行稳定性和经济性的重要指标。
GPRS可以让用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，很适合小区供暖这种间断的、突发的和频繁的少量数据的传输[4]。
GPRS技术从实验室的研究，在小范围地区内试用再到正常的商用，这个过程经过了长时间的完善，改进使其技术具有很强的可靠性；GPRS设备数据监控终端DTU传输设备能一开机就自动连接到GPRS网络上，可以使监控中心实时在线对现场设备进行数据通讯，它能够高速传输并具有一定的可靠性；GPRS网络覆盖面很广，不存在信号盲区，并且是按照流量收取费用，收费合理、科学，使企业的投资减小，提高经济效益[4]。
3.2.3选择GPRS要解决的主要问题
GPRS是一种新的技术，中国移动通讯有限公司作为运营商为它提供了满足行业应用的数据传输网络平台，但要实施GPRS数据采集与管网数据监控系统还需要解决以下主要技术问题：
（1）数据中心接入方式的选择
采用GPRS网络，数据中心有公网接入方式和专网接入方式。
服务器采用公网的接入方式接入Internet，如ADSL拨号或电信专线宽带上网等，申请公网固定的IP地址，可以满足中小容量的数据传输应用。
服务器采用当地的移动通信公司提供的DDN专线（DigitalDataNetwork，数字数据网，即平时所说的专线上网方式），申请配置固定的IP地址，与GPRS网络相连。
因为DDN专线可以为系统提供较宽的带宽，这就为PLC大容量的系统提供了一个平台。
GPRS的公网登录与专网登录的不同方面是APN不同，公网CMNET登录时不需要用户名和密码，并且分配的IP地址是动态的；专网是中国移动通讯公司给定的，登录时需要密码和用户名，它被分配的IP地址是固定不变的，所以可以看作是SIM卡和IP地址绑定，并不在SIM卡里有IP地址，而是分配给SIM卡的IP地址是不变的，这就是GPRS公网登录与专网登录的区别也是SIM卡绑定的原理。
（2）数据中心IP地址的选择
在本系统里就是选择的SIM卡与IP地址绑定的模式，在这种模式下监控中心可以获得一个固定的IP地址，数据终端DTU将地址配置后，一上电就可以与监控中心建立双向的数据通道，不用进行域名的解析，数据流量小，使得传输速度提高。
这样系统采用GPRS作为远程数据通讯手段，利用无线分组交换技术为用户提供高速率，高透明数据传输通道。
3.3GPRS型号选择
3.3.1GPRS的型号
GPRS数据传输业务与普通的数据业务不同，对各个行业的应用有很强的专业性和特殊性，在不同的行业运用里为用户提供不同的数据终端，这就要求结合各行业运行的不同特点进行硬件、软件开发和系统集成。
为此，宏电公司在总结近几年来的行业应用不同特点的基础上，结合网络运营商的网络特点和具体的实际情况，推出了公用基础平台、个性化应用设计的H7710系列无线DDN的通信终端（DTU）产品[5]。
深圳市宏电技术开发有限公司开发的H7000无线DDN系统为用户提供了高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。
主要针对电力系统及其自动化、工业的监控、交通管理、金融等很多部门的应用，利用GPRS网络平台实现数据信息的透明传输，同时考虑到各应用部门在网络方面的需要，在网络结构上实现虚拟数据专用网。
特别适合中心对多点、点多分散的中小数据量的传输。
H7710GPRS/CDMADTU（DataTerminationUnit）：
RS232/422/485接口，为用户提供公用的基础性平台和个性化应用选择。
无线DDN数据中心路由器：
用户数据中心的协议转换和数据转发，可采用宽带网络或GPRS/CDMA接入方式与GPRS/CDMADTU进行数据通信和协议转换，并通过以太网接口与数据中心服务器通信。
通过对宏电H7000系列的产品多方面的综合考虑在本系统选择H7710型号作为系统的数据传输。
表3-1H7710的功能特点
H7710的特点
H7710功能
H7710设备参数
（1）DTU为用户提供透明数据传输通道直接提供RS-232/422/485接口
（2）永远在线，按流量计费
（3）组网简单、迅速、灵活
使用方便、灵活、可靠
支持双频GPRS或CDMA1X网络
支持GSM-R和GoTa网络
数据终端永远在线
透明数据传输与协议
支持虚拟数据专用网
支持动态数据中心域名和IP地址TTL/RS-232/422/485
天线接口：
50Ω/SMA阴头
SIM卡：
3V；数据速率：
300~115,200bits/s
接口端子：
3.5mm可插拔接线端子（14~24AWG线）配置接口：
RS-232（需配H7071专用配置线缆）
最大工作电流：
230mA@+12VDC
工作环境温度：
-30~+70ºC
3.3.2H7710的DTU参数设置
在主菜单（mainmenu）状态下键入c进入DTU参数配置，如果没有删除配置的密码，就要输入密码进入，宏电H711x系列的GPRS无线DDN数据终端设备出厂的初始密码都为：
1234，输入了正确的密码后就可以进入参数设置界面[5]。
表3-2DTU参数设置
序号
菜单说明
1
mobileservicecenter（MSC）setup
移动业务中心参数配置
2
dataterminalunit（DTU）setup
数据终端参数配置
3
dataservicecenter（DSC）setup
数据业务中心参数配置
4
serialportsetup
串口通讯参数配置
5
specialsetup
特殊参数设置
在主菜单下可以对以上的参数进行设置，按下1键可以对移动业务中心的参数进行设置，其中包括对呼叫号码、用户名称、密码、接入点名称和用户SIM卡pin码设置。
在主菜单下按下2键就可以对数据终端的参数进行设置，进入数据终端参数配置（dataterminalunit（DTU）setup）界面后按下1键，按提示的信息可以填写移动终端识别号，输入当前SIM卡用户对应的手机号码，为了安全起见还可以设置数据业务中心的登录密码。
在数据终端参数设置（dataterminalunit（DTU）setup）菜单状态下键入3，可以设置通讯端口号，通讯端口号必须与GPRS数据终端所接入数据中心服务器的通讯端口号相对应，设置本地移动终端通讯端口号，宏电出厂端口号一般为：
5001。
在参数设置主菜单下还可以对数据业务中心的IP地址，域名和通讯端口进行设置。
在DTU参数配置（configurations）里最重要的就是串口通讯参数的配置，在这里可以设置波特率、字节位长度、校验类型、停止位长度等。
（1）baudrate（波特率）
在配置串口通信参数配置（serialportsetup）菜单状态下按下1显示的页面就可以按下1～8选择用户所需要的波特率即可，如果需要设定自己特殊的波特率，键入9，然后输入所需值，键r就可以返回界面。
（2）databits（字节位长度）
在串口通信参数配置（serialportsetup）菜单状态下键入2，按提示信息选择所需字节长度即可。
（3）paritybit（校验类型）
在串口通信参数配置（serialportsetup）菜单状态下键入3，按所提示的信息选择所需要的校验类型即可。
（4）stopbit（停止位长度）
在串口通信参数配置（serialportsetup）菜单状态下按下4，然后按提示信息输入停止位长度即可。
3.4GPRS连接
GPRS的连接主要包括：
GPRS与上位机MCGS组态软件的连接和GPRS与下位机S7-200系列的PLC连接。
GPRS数据发送端DTU与PLC的相连首先要进行DTU的参数设置，将设置好的DTU用RS232的数据线将两个设备连接起来，GPRS就可以自动的接收PLC采集的各种参数，并将其传送到监控中心的上位机上。
在监控中心内GPRSModem安装过程中要注意的问题就是要将GPRS的串口线直接与电脑的串口线相连，这样才能够保证信号的强度足够拨号成功。
（1）在安装GPRSModem的过程中首先点击计算机左下角的开始，找到控制面板按照下面的顺序进行属性设置：
控制面板电话和调制解调器选项调制解调器选择添加不检测调制解调器标准19200bps调制解调器选定安装到哪个串口
（2）设置19200调制解调器
将上面的设置完成后，将19200调制解调器安装到COM2口，就可以按下面的顺序对19200调制解调器进行设置：
控制面板电话和调制解调器选项调制解调器属性常规串口2最高速率（57600）高级额外的初始化命令
在额外的初始化命令一栏中填写：
AT+CGDCONT=1，IP，CMNET，设置面板如图3-1所示。
图3-1调制解调器设置
最后在完成调制解调器的属性设置后可以再按照上面的顺序进入控制面板检测调制解调器安装是否正确。
（3）建立拨号连接
在本系统里采用的是拨号到专用网络的方式，所以要新建一个网络连接方式，可以按照下面的顺序进行设置：
新建连接—>拨号到专用网络—>标准19200调制解调器—>电话号码填：
*99***1#
（4）设置拨号连接网络属性
打开拨号连接右击属性进入网络，在服务器类型里选择PPP，连接选择TCP/IP协议，设置窗口如图3-2所示。
在将上面的设置完成之后就可以试着登陆网络，双击刚才新建的拨号连接，填写上用户名和密码，并进行拨号，PPP服务器会自动的检测用户名和密码，进行检测后就可以对用户的计算机进行注册。
可以在服务器/客户端模式的状态下进行通讯试验（addbyXP）：
硬件：
服务器：
普通pc＋普通Modem，拨号上网。
客户端：
普通pc＋GPRSModem，拨号上GPRS网络。
软件：
MCGS通用版：
通用TCP/IP父设备＋网络数据同步
图3-2拨号设置窗口
服务器：
通过Modem拨号连接或通过其他方式连接到Internet上，用户必须具有固定的IP地址。
在客户端软件上设置服务器的IP地址，通过Internet与服务器建立网络连接。
客户端：
在本试验中指连接了GPRSModem的计算机或设备。
通过上述步骤安装了GPRSModem，与Internet连接上后就具备了将数据上传（下传）的通讯能力。
（5）关于固定IP
通过GPRS网路传输数据时，服务器端必须要有固定的IP地址。
在实际的现场应用中，需要通过向当地的移动公司申请一个固定的IP地址，每一个客户端需要将该IP地址用SIM卡固化在连接的GPRSModem中，当客户端上电之后自动根据固化的IP地址连接到GPRS网络，在网络上寻找服务器。
服务器端父设备设置如图3-3。
图3-3服务器端父设备
图3-4客户端父设备设置
4电气控制
4.1控制方案
由于必须保证北方小区供暖的恒温、恒压性，本系统采用了西门子S7-200系列的PLC在六个小区的换热站内对现场的各个参数进行采集，用传感器和温度调节阀，变频器等组成闭环控制系统，通过PLC里的PID控制器进行自动控制，来保证系统的稳定运行。
4.1.1PID模拟量的控制结构
PID是一种典型的比例、积分和微分的综合运算控制器，它适合一些惯性比较大的系统[6]。
典型的PID控制结构图如4-1所示。
图4-1PID控制结构图
该闭环控制系统的控制原理是：
当反馈值PV（t）小于设定值SP（t）时就会产生误差e（t）,将其输入给PID调节器进行比例（P）、积分（I）、微分（D）的综合运算,通过上述的综合运算可以找出一个比较合适的控制信号M（t）送给执行机构,促使被控对象的过程量PV（t）在一定的时间范围内恢复到设定值sp（t），达
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