I. Überblick Das Steuerungssystem eines Wasserwerks besteht aus fünf Tiefbrunnenpumpstationen, einem Wasserspeicher und einem über zehn Kilometer langen Verbraucherleitungsnetz. Der Höhenunterschied des gesamten Wasserversorgungssystems beträgt ca. 150 Meter. Aufgrund der besonderen Zusammensetzung des Systems und der speziellen Geländestruktur führte die bisherige manuelle Überwachung zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Produktionssteuerung und der Wasserversorgungsplanung. Durch die Implementierung der Mikrocomputer-Überwachung können nun die wichtigsten Prozessparameter des Wasserversorgungssystems (wie Druck, Durchflussrate, Wasserstand, Spannung, Stromstärke usw.) in Echtzeit überwacht, die Tiefbrunnenpumpen gesteuert, deren Betriebszustand überwacht und die für die Produktionssteuerung erforderlichen Berichts-, Kurven- und Datenabfragefunktionen bereitgestellt werden. Der Betrieb des Systems ist von großer Bedeutung für die sichere Produktion und die effiziente Planung der Wasserversorgung. II. Systemaufbau Das Mikrocomputer-Überwachungssystem arbeitet mit einer Master-Slave-Architektur und einem verteilten drahtlosen Echtzeit-Überwachungssystem (SCADA), wie in Abbildung 1 dargestellt. Das System besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten: einer Überwachungszentrale, einem drahtlosen Kommunikationssystem, Feldüberwachungsterminals sowie Sensoren und Messgeräten. Überwachungszentrale: Sie besteht aus einem Mikrocomputer, MCGS-Konfigurationssoftware, Funkgerät zur drahtlosen Datenübertragung, Rundstrahlantenne, Analogpanel und USV und übernimmt hauptsächlich die Echtzeit-Datenerfassung, Überwachung, Steuerung, Datenspeicherung, Berichtserstellung und Datenabfrage für jedes Feldterminal. Drahtloses Kommunikationssystem: Die Überwachungszentrale kommuniziert drahtlos mit jedem Pumpstationsterminal. Die Überwachungszentrale ist die aktive Station, die anderen Hilfsstationen sind passive Slave-Stationen. Das System nutzt die vom Funkmanagementkomitee zugewiesene Datenfrequenz und kommuniziert mit den Slave-Stationen im 1:n-Verfahren. Die Überwachungszentrale verwendet eine Rundstrahlantenne, jede Hilfsstation eine Richtantenne. Feldüberwachungsterminal: Kernstück ist eine SPS, ein intelligentes Gerät mit eigener CPU und Steuerungssoftware. Es übernimmt hauptsächlich die Datenerfassung, -umwandlung, -speicherung, Alarmierung und Steuerung im Feld und kommuniziert drahtlos mit dem Mikrocomputer der Überwachungszentrale. Basierend auf Befehlen der Überwachungszentrale führt es System-Selbsttests, Datenübertragungen und Steuerungsausgaben durch. Sensoren und Instrumente: Sie dienen der SPS als „Augen“ zur Überwachung der Feldsignale. Alle Feldsignale müssen von Sensoren und Messgeräten umgewandelt werden, bevor sie in Standardsignale umgewandelt werden, die vom SPS-Terminal empfangen werden können. Das System misst hauptsächlich Parameter wie Spannung, Stromstärke, Flüssigkeitsstand, Druck, Durchflussrate und Leistungsaufnahme. Steuerung der Brunnenpumpen: Manuelle Steuerung: Der Bediener startet und stoppt die Pumpen anhand des Wasserstands im Reinwassertank. Automatische Steuerung: Die SPS startet und stoppt die Pumpen im Automatikmodus anhand des Wasserstands im Reinwassertank und der Start- und Stopp-Wasserstände jeder einzelnen Pumpe. III. Feld-SPS-Terminals: Feld-SPS-Überwachungsterminals dienen als Schnittstelle zwischen dem Industriestandort und der Leitstelle. Sie erfassen einerseits Signale von Feldinstrumenten, Messumformern und dem Betriebszustand der Anlagen; andererseits kommunizieren sie mit der Leitstelle und führen entsprechende Befehle aus. Feldterminals sind in der Regel unbeaufsichtigt. Daher haben Leistung und Qualität des Terminals einen erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Systems. Nach eingehender Evaluierung wurde die Siemens S7-200-Serie aufgrund ihres hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses als Feldterminal ausgewählt. Es zeichnet sich durch seine geringe Größe, einfache Erweiterbarkeit und hervorragende Leistung aus und eignet sich daher ideal für die Feldüberwachung im kleinen Maßstab. 1. SPS-Hardware-Design: Ein bestimmtes Feldgerät muss Schalteingangssignale, Schaltausgangssignalpfade und analoge Eingangssignale messen und steuern. Daher haben wir die Basiseinheit S7-212, die Erweiterungseinheit für analoge Eingänge (EM231) und die Erweiterungseinheit für analoge Ausgänge (EM232) ausgewählt, um die Anforderungen im Feld zu erfüllen. 2. Kommunikationsschnittstelle: Kommunikation zwischen der SPS und dem Funkgerät in der Station: Die SPS-Basiseinheit S7-214 verfügt über eine RS-485-Schnittstelle. Für die Verbindung mit dem drahtlosen Datensender (Stromversorgung, Datensender) haben wir ein spezielles RS-485-Schnittstellenmodem entwickelt und optische Trenntechnologie eingesetzt, um vollständige elektrische Unabhängigkeit zu gewährleisten und gegenseitige Störungen zu vermeiden. Da der Datensender ein RTS-Signal für die Übertragung benötigt, die RS-485-Schnittstelle jedoch kein RTS-Signal bereitstellt, gibt es zwei Lösungsansätze. Erstens generiert das Funkmodem ein RTS-Signal basierend auf den Übertragungsinformationen der SPS. Dies erfordert ein intelligentes Modem. Gleichzeitig muss die SPS vor dem Senden von Informationen mit dem Modem kommunizieren, um ein RTS-Signal auszugeben und die generierten RTS-Informationen zurückzusenden, bevor die Feldinformationen gesendet werden. Alternativ wird ein RTS-Signal über einen spezifischen I/O-Ausgang der SPS generiert. Die SPS verbindet diesen Punkt vor dem Senden von Informationen, um den Datensender zur Übertragung zu steuern. Nach einer Verzögerung (das Funkmodul baut eine Trägerverbindung auf) werden die Informationen gesendet. Diese zweite Methode ist einfach, praktisch und löst effektiv das Schnittstellenproblem für die drahtlose Kommunikation. Kommunikation zwischen der SPS im Hauptleitstand und dem Industrie-PC: Da die SPS im Hauptleitstand sowohl mit dem Datensender als auch mit dem Host-PC (Industrie-PC) kommunizieren muss, wird eine Zwei-Port-Basiseinheit S7-216 ausgewählt. Ein Port kommuniziert mit dem Datensender, der andere Port direkt über ein Siemens-PPI-Kabel mit dem Host-PC. Der Host-PC verwendet die von Beijing Kunlun Tongtai bereitgestellte MCGS-Konfigurationssoftware zur Konfiguration und Programmierung, die die Echtzeitüberwachung und -verarbeitung von Signalen wie z. B. Wasserständen vor Ort ermöglicht. 3. Störungsfreies Design: Zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit sind die Feldterminals, der Datentransmitter, die SPS, die Gleichstromversorgung für Temperatur und Druck sowie einige Transmitter in einem Schaltschrank untergebracht. Die einzelnen Komponenten sind weitgehend unabhängig, was die Wartung vereinfacht. Zwischen den digitalen Ein- und Ausgängen der SPS und den Feldgeräten wird eine Relais-Trennung eingesetzt. Analoge Signale werden mittels Signalisolatoren und -verteilern isoliert. Ein Trenntransformator dient der Stromversorgung zur Reduzierung von Störungen, und das System verfügt über eine ordnungsgemäße Erdung. IV. SPS-Software-Design: Die SPS-Terminalsoftware ist in Kontaktplanlogik (KOP) geschrieben. Um die Störungsresistenz des Terminals zu verbessern, werden digitale Filter, Selbstprüfung bei Fehlern und Kontrollpasswörter in das Software-Design integriert, um die Korrektheit und Zuverlässigkeit der Steuerungsvorgänge zu gewährleisten. Das Programm ist modular und funktional aufgebaut, um Wartung und Erweiterung zu vereinfachen. Die Terminalsoftware besteht im Wesentlichen aus folgenden Modulen: 1. Initialisierungsprogramm: Legt die Anfangswerte von Parametern wie Registern, Zählern, SPS-Betriebsmodus und Kommunikationsmethode fest. 2. Datenerfassungs-Subroutine: Erfasst, filtert und mittelt analoge Daten von verschiedenen Kanälen. 3. Subroutine zur kumulativen Laufzeit: Erfasst die Laufzeit von Anlagen wie Pumpen. 4. Subroutine zur Fernsignalisierung: Erfasst den Betriebszustand von Anlagen wie Motoren, Ventilen und Alarmschaltern. 5. Subroutine zur Initialisierung: Die Überwachungszentrale legt die Initialwerte akkumulierter Parameter wie Zeit, Leistungsaufnahme und Durchflussrate gemäß den Benutzeranforderungen fest. 6. Subroutine zur Fehlerselbstprüfung: Erfasst SPS-Fehlerinformationen und Prüfdaten und sendet diese an die Überwachungszentrale. 7. Subroutine zur Steuerung: Führt entsprechende Operationen basierend auf Befehlen der Überwachungszentrale oder den automatischen Steuerungsbedingungen vor Ort aus. 8. Subroutine zur Kommunikation: Führt verschiedene Kommunikationsfunktionen mit der Überwachungszentrale aus. Im Kommunikationsprogramm werden Empfang und Senden von Befehlen über Interrupts abgewickelt. Der Befehl ATCH bewirkt, dass Interrupt-Ereignis 8 je nach Befehlscharakteristik unterschiedliche Programme ausführt. Timeout-Grenzwerte für die serielle Kommunikation werden durch einen internen Timer-Interrupt mit der Ereignisnummer 10 und dem durch den SMB34-Wert festgelegten Timing gesteuert. Um Kommunikationsfehler zu minimieren, werden Paritäts- und XOR-Doppelparitätsprüfungen eingesetzt. V. Fazit: Dieses System nutzt verschiedene Software- und Hardware-Maßnahmen, insbesondere die Wahl einer S7-200-SPS für das Feldterminal. Dies verbessert die Systemzuverlässigkeit und hat zu guten Anwendungsergebnissen im automatischen Steuerungssystem der Wasserwerke geführt. Das SPS-basierte SCADA-System erfüllt die Anforderungen der Wasserwerkssteuerung vollständig und spielt eine entscheidende Rolle für den sicheren Betrieb der Wasserwerke, die Verbesserung der Wasserqualität, die Energieeinsparung und das optimierte Management. Das System kombiniert drahtlose Kommunikation nahtlos mit der S7-200-SPS und löst so das Problem der Systemüberwachung in weitläufigen Gebieten mit großen Entfernungen. Es bietet vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Wasserversorgung, Energieversorgung, Gasversorgung, Ölförderung, Meteorologie sowie Hydrologie und Wasserwirtschaft.