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摘要：采用实时无线PPI通信模块SY-S72，通过OPC软件PC Access上位机的组态软件，实现了多个提升、排海泵站和中控室的实时通信。研究了PPI协议的通信时间开销，并和现有的其他方案进行比较。
关键词：无线PPI通信；S7-200；OPC；组态软件；水厂泵站
1 项目简介
南山污水处理厂隶属于市排水管理处，位于南头半鸟月亮湾畔，是深圳市污水排海工程的重要组成部分；由深圳市给排水工程建设指挥部负责建设，南昌有色冶金设计研究设计院设计，深圳市市政工程公司等单位施工；于1988年3月动工，1989年11月竣工投产，一期工程投资4500万元，服务范围为南头、南油以及蛇口的部分地区，服务人口为8.5万人；二期工程于1989年12月动工，1997年6月25日海洋放流管及厂区污泥部分建成并投入使用。全部工程完工后服务人口为121.68万，污水处理为73.6万m3/d，占地面积15.416公顷。
深圳市污水排海工程是将福田区皇岗路以西的城市污水通过截流管（渠）系统输送到南山污水处理厂，经一级处理后，再用水泵加压送至妈湾，通过工作井进入海洋放流管，经扩散器均匀地将污水排入珠江口深海，利用海水巨大的稀释自净能力来满足环保要求。此工程包括从皇岗路到排海口的截污主管（渠）；长32.04km，滨河、新洲、凤塘、后海、前海、登良等6座污水提出升泵站；南山污水处理厂1座；海洋放流管1根，长1609m。
在其中6个提升泵站、1个排海泵站中，均采用了S7-200作为泵站控制系统，在中心控制室采用Intellution FIX组态软件和中心S7-400 PLC控制系统。
泵站系统本着开放式、模块化的原则，系统设中央控制和现场监控两级，即中央控制室和7座泵站(PLC1～7)。中央控制室内装有2台工控机(一用一备)，直接实时采集各泵站的现场信号，并使系统可以 灵活、方便地实现从中心控制站进行的无线编程和组态工作。
污水泵站分为两种：提升泵站和排海泵站。提升泵站设置于污水管道系统中，用以抽升城市污水。而排海泵站设置于海边，将处理过的污水加压通过海洋放流管排入海底。 （图片） 泵站控制工艺流程如图1所示。各企业排放的工业污水、城区的生活污水及上一级泵站输送来的污水进入集水池，在集水池和出水池之间通过一个启闭机连接，当启闭机开启时，集水池内的污水通过重力自流进入出水池，当该启闭机关闭时，集水井内的污水与出水池不连通。在启闭机后是格栅机， 格栅机的主要功能是过滤从集水池进入出水池的污水， 将漂浮在污水上的木条、布匹等杂物从污水中捞起，防止大体积的杂物进入出水池堵塞潜水泵。潜水泵是整个污水泵站的核心设备，它安装在出水池内，将出水池内的污水提升输送到下一级泵站。电动阀安装在每台泵的出水管上， 当对应的潜水泵运行时， 该阀开启，污水从出水池输送到下一级泵站去；当对应的潜水泵停止时，该阀关闭， 防止出水管内的水倒流进入出水池。
提升泵站的配置要求： 2个格栅前进水启闭机，2个格栅后出水启闭机，2台格栅，6台潜水泵，6个与泵对应的出水阀门，1台与格栅连动的皮带机，2个液位差计，1个液位计，1个出水流量计和1 个出水管道压力计。
2 控制系统构成
2.1硬件配置与选型
通过上述的生产需求及系统设备分析，可确定控制输入/输出的数量。
数字量输入：启闭机4台（开启/关闭、开状态），3×4=12点；格栅机2台（启动/停止、开状态），3×2=6点；皮带机1台（开状态）1×1=1点；潜水泵6台（启动/停止、开状态），3×6=18点；出水阀门6个（开启/关闭），2×6=12点；合计49点。
模拟量输入：液位计2台，1×2=2点；流量计1台，1×1=1点；压力计1台，1×1=1点； 合计4点。
继电器输出：启闭机4台（启动、关闭），2×4=8点；格栅机2台（启动），1×2=2点；皮带机1台（启动），1×1=1点；潜水泵6台（启动），1×6=6点；出水阀门6个（开启、关闭），2×6=12点。
根据数字量和模拟量的点数要求，预留15%的数量，泵站控制器选用了西门子的S7-224XP作为控制系统，本机上具有14路数字量输入，10路继电器输出，2路模拟量输入，并配上了一个8路继电器输出EM222模块，一个4路模拟量输入模块EM231，由于要求本地有就地控制和显示的需求，配上了一个TD200作为显示和控制人机界面。
控制系统采用工控机一台，以太网接口用于连接污水处理厂内的控制系统，而串口直接用来连接7个泵站的S7-200，中间通过无线的PPI通信模块SY-S72进行连接。控制系统采用了Intellution IFix软件，运行在Windows Server 2003系统上。通过西门子S7-200的OPC软件PC Access进行在线实时读写S7-200的数据。
PPI无线通信模块SY-S72是一款基于433MHz的ISM频段的无线传输模块，收发一体，支持PPI协议，采用24VDC供电，由于本站最远的距离为8km，采用功率为5W的传输模块。
系统中采用的通信协议为PPI协议，具有安全性、稳定性。在泵站控制系统S7-200 PLC，不需要对通信进行编写任何一条通信语句，完全采用S7-200支持的PPI协议，完成主站的轮询通信任务。
系统网络结构图如图2所示。（图片） 2.2 系统通信方案的比较
最初考虑的是敷设通信电缆，但从中控室到每个泵站，全是市政设施，敷设困难，而且成本很高。
和市面上传统的无线电台通信比较而言，采用赛远的SY-S72专用PPI无线通信模块，保证了实时性（时延小于5ms），从而可以采用对于实时性要求相当高的PPI协议，进行上位机和S7-200的无线实时通信，在上位机组态软件中只要进行地址和所需要通信变量的设置即可，对于西门子PLC S7-200的V、M、I、Q等变量区均可以任意设置。
而传统的无线通信方式，一般的无线通信时延较大，大部分采用自定义协议，如自由口的ASCII传输，或者基于ASCII的MODBUS协议传输。该类传输，由于采用的都是明文传输，在空中无线传输时，协议容易被破解。对于工程师来说，除了在PLC上需要编写大量的接收和发送程序外，还需要在上位机上进行串口ASCII的程序编写，对工程师的电气和IT水平要求较高，并且延长了开发周期。
和传统的GPRS方式比较，通信的时间从不确定的几秒到十几秒，缩短为毫秒级，实时性提高了好几个数量级，而且不像通过GPRS公网的方式，需要不断产生较高的流量费，由于采用的是ISM免费频段，没有后续的费用产生。
3 控制系统的功能
在7个泵站，根据采集的泵坑液位，通过对S7-224XP编程以控制泵、阀门、格栅机等设备，实现泵站的独立控制，同时通过对7个泵站的信号采集，实现中央统一调控，满足生产的需要。
本系统对于7个泵站的轮询，将采集每个站的参数，并在远程控制时发送控制命令到S7-200。平时采集任务中，每个泵站的参数平均为30个字节，每个字节含有1个停止位，8个数据位，1个校验位和1个停止位，传输速率为9600bps。由于PPI协议需要在加密和校验上进行打包和拆包，传输的有效率为30%左右。理论上的传输所需时间为30×11÷30%÷9600×1000=114ms，加上主站的询问大约为30ms，每个站的轮询时间理论上为144ms，7个站轮询过后大约需要1s的时间。
而实际上需要1.5s左右，除了各个站通信间隙和无线通信的时延之外，主要是由于每个站的各个参数的地址和存储格式不同，造成主站和从站进行通信的过程中，需要多次询问。
为了提高效率，有如下方法：
（1）可以在PLC上开设一块连续的数据存储映射区，将M、I、Q等均映射到一个连续的V存储区，这样在上位机读写的时候，可以进行一个双字为单位的读写，并且数据区连续，提高通信的有效率。
（2）提高通信的波特率到19200bps。但提高无线的通信波特率，对于相同功率的无线通信模块来说，传输的距离将减少，如果距离不够，需要增加发射功率芯片或者加装增益更大的定向天线。
（3）通过主站增加不同频段的SY-S72，将更少的站建立成PPI网络，以获得更短的轮询时间。
4 项目中的难点及解决方案
本项目中的难点在于远距离的无线通信的建立，特别是对于西门子PPI协议的高实时性要求。利用赛远SY-S72无线通信模块解决了这个难题，充分利用西门子PPI协议的安全机制，并且给上位机和PLC的编写程序提供了便利。
由于系统为分布式构造，因此无线通信系统的安装、调试过程尤为重要。无线接收、发射器的位置选择直接影响信号的传输效果及设备的运行安全，项目中将收发器安装于房顶防雷雨处，减少了其他电器设备的干扰。调试过程中，不断地调整收发器方位以实现信号最强化，同时对通信模块及相应电源单元进行长时间测试，确保模块的运行性能质量不存在问题。项目中曾出现由于电源接触端子未接好，接收信号出现断续情况，通过多方面长时间的调试才能发现问题并予以解决，保证生产的正常运行。
5 项目运行
该无线系统针对污水提升泵站和排海泵站分散分布的特点，利用无线实时通信，构成SCADA控制系统，实现污水泵站无人值守，改善了过去人工记录和操控的弊端，提高了污水泵站使用效果，使污水泵站运行、控制与管理更加真实、准确，降低了运行费用，设计先进、运行可靠，自去年投入使用以来，运行一年多时间，取得了良好的社会和经济效益。
参考文献
[1] 杨启尧,项国云，徐柳娟.PLC在污水泵站群远程控制系统中的应用[J].浙江水利水电专科学校学报，22 (3):57
[2] 深圳市赛远自动化系统有限公司.无线SY-S72通信模块使用手册
9/20/2011
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