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GPRS城市管網(wǎng)供水調度監(jiān)控系統(tǒng)
一、前言
由于城市供水地理位置分散，采集、控制功能要求穩(wěn)定，安全性要求較高。一般采取人工抄表、電話報數(shù)、現(xiàn)場手動操作的原始調度方法。收集信息數(shù)量少、處理慢、傳遞遲，調度處于低級階段，以保證不缺水和維持正常運行為主，談不上優(yōu)化調度。遇上爆漏及其他事故，反映遲鈍損失擴大。
GPRS城市供水調度監(jiān)控系統(tǒng)可以對遠程現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)測和控制，以實現(xiàn)管網(wǎng)壓力、水流量等的數(shù)據(jù)傳送及閥門開關的自動控制，便于及時了解及控制遠端生產(chǎn)運行情況，降低故障率，縮短檢修時間，減少停水次數(shù)。各管網(wǎng)監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集終端可自動采集管道壓力、水流量等的實時數(shù)據(jù)，信息傳輸?shù)阶詠硭镜谋O(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過對傳輸回來的數(shù)據(jù)進行分析，可找到出故障的地點；當出現(xiàn)故障時，能在最短的時間內(nèi)解決問題。
目前，自來水供水調度監(jiān)控系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)通信可簡單分為有線和無線兩大類，其中有線通信主要包括架設光纜、電纜或租用電信電話線、X.25、DDN、 ADSL等，而無線則包括超短波通信、擴頻通信、衛(wèi)星通信、GSM短信/GPRS通信等。
在城市供水調度監(jiān)控系統(tǒng)中，由于各管網(wǎng)監(jiān)控點分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠，個別站點還地處偏僻，因此架設光纜（電纜）難度大、費用高，向電信部門租用專用電話線又要申請很多電話線，而且有些監(jiān)控點線路難以到達，況且采用電話線路時需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運營成本較高，不切合實際。總之，監(jiān)控系統(tǒng)采用有線通信方式建設周期長、工作難度大、運行費用高，不便于大規(guī)模使用；與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，它具有投資較少、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優(yōu)點。
在監(jiān)控系統(tǒng)中，無線通信方式主要包括：超短波（230MHz）無線數(shù)傳、擴頻、衛(wèi)星通信、GSM數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)等，其中衛(wèi)星通信由于通信費用昂貴，只在一些特殊的領域下使用，未得以普及；而擴頻通信技術雖然速率高，但只能在視距范圍內(nèi)傳輸，應用也受到限制。采用超短波數(shù)傳電臺作為傳輸信道具有組網(wǎng)靈活、擴展容易、維修方便、運行費用低等優(yōu)點，但由于系統(tǒng)工作于230MHz公共頻段，且多采用普通間接調制的數(shù)傳電臺，這就造成系統(tǒng)易受外界干擾、通信速率低、誤碼率高、數(shù)據(jù)傳送量不大、信號覆蓋范圍小等缺點。
經(jīng)過比較分析，我們選擇中國移動的 GPRS 系統(tǒng)作為供水調度監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺。目前 GSM 網(wǎng)絡經(jīng)過電信部門的多年建設，覆蓋范圍不斷擴大，已成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡，特別是中國移動新推出的 GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務。GSM/GPRS 系統(tǒng)可提供廣域的無線 IP 連接。在移動通信公司的 GPRS 業(yè)務平臺上構建城市自來水管網(wǎng)供水調度監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)管網(wǎng)監(jiān)控點的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡，縮短建設周期，降低建設成本的優(yōu)點，而且設備安裝方便、維護簡單。
二、系統(tǒng)結構
為了滿足對生產(chǎn)過程的調度和指揮，需要一個可靠的 SCADA 系統(tǒng)。它一般由企業(yè)生產(chǎn)調度指揮中心、管網(wǎng)測壓點、抄表遙測等組成。它所具有的功能一般包括：數(shù)據(jù)采集控制功能，數(shù)據(jù)傳輸功能，數(shù)據(jù)顯示及分析功能，報警功能，歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢功能，報表顯示及打印功能，遙控功能，網(wǎng)絡功能等。管網(wǎng)測點 SCADA 自動化控制系統(tǒng)，主要監(jiān)測分散管網(wǎng)測點站點。該系統(tǒng)采用兩級控制，一級為 SCADA 系統(tǒng)中心控制室,二級為管網(wǎng)測站點遠程測控終端 GPRS RTU（遠程測控終端）。中心控制室負責監(jiān)視、管理和控制等工作。站點 GPRS RTU 負責多個管網(wǎng)測點站點的數(shù)據(jù)采集，無線傳輸、管網(wǎng)測點壓力的自動控制。中心控制室對各個站點進行實時監(jiān)控，它是系統(tǒng)的信息采集和控制中心。中心控制室采集各站點的數(shù)據(jù)信息，并對這些信息進行存儲、分析匯總或打印等處理。通過數(shù)據(jù)分析，及時給出報警信息或向站點發(fā)出控制命令，控制站點設備的運行，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的調度和管理。
GPRS RTU是 SCADA 系統(tǒng)的基本組成單元，負責整個系統(tǒng)的采集、控制和遠程通信功能。對于具有分布式、集散型、網(wǎng)絡化特點的企業(yè)，其 SCADA 系統(tǒng)的建立，離不開承上啟下的 GPRS RTU 產(chǎn)品。城市供水綜合自動化系統(tǒng)中的 SCADA 系統(tǒng)，必須具備并且非常重要的一個功能就是：實時、準確地監(jiān)測遍布于全市的自來水管網(wǎng)的流量、壓力等變化情況。應用于管網(wǎng)測壓的 GPRS RTU 產(chǎn)品就是為此目的而設計的。由于管網(wǎng)測壓工藝簡單、無須控制、散布廣泛，因此就要求此類 GPRS RTU 產(chǎn)品具有結構簡單、性能可靠、價格便宜等特點。
2.1、 管網(wǎng)監(jiān)控點：
各監(jiān)控點采用我公司帶有模擬量、開關量采集功能的 YN4112 GPRS RTU。通過 GPRS 透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到 GPRS 網(wǎng)絡。
2.2、宇能 YN4112 GPRS RTU 產(chǎn)品介紹：
2.2.1、基本原理：
無線測控終端內(nèi)置：CPU模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、控制模塊、GPRS數(shù)據(jù)通信模塊�？涩F(xiàn)場接入多路模擬量、開關量、干觸點信號、繼電器信號等數(shù)據(jù)，然后直接通過 GPRS 無線模塊將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與遠程控制中心連接，將采集數(shù)據(jù)實時發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)庫服務器，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。通過該系統(tǒng)，即使在遠離觀測現(xiàn)場的異地，也能方便地對各種環(huán)境要素：如流量、壓力等數(shù)據(jù)的采集讀取，真正實現(xiàn)了遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享的功能。除數(shù)據(jù)遠程采集、實時監(jiān)控外，系統(tǒng)還可實現(xiàn)遠程手機報警，并通過用戶手機遠程控制現(xiàn)場設備。
2.2.2、功能特點：
● 配備多種接口資源，包括模擬信號采集、開關量輸入、輸出、脈沖信號輸入等；
● 支持一路RS232/RS485方式的用戶數(shù)據(jù)接口，可接入PLC等各種設備；
● 采集傳輸控制一體化，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本；
● 采用工業(yè)級超低功耗高性能的嵌入式處理器；
● 用戶可以編程的量程轉換和報警上下限設定；
● 內(nèi)設工業(yè)時鐘，精確計時；
● 自動定時上報和事件觸發(fā)上報功能；
● 內(nèi)置大容量FLASH存儲器，數(shù)據(jù)自動記錄，支持歷史數(shù)據(jù)檢索；
● 板載GSM/GPRS傳輸模塊，方便用戶選擇GSM、GPRS組網(wǎng)方式；
● 提供用戶設置軟件，開放式接口，方便與組態(tài)軟件及其它軟件連接；
● 工業(yè)級設計，穩(wěn)定可靠，堅固耐用；
2.2.3、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術特點：
GPRS是通用分組無線業(yè)務(General Packet Radio Service)的英文簡稱， 是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種承載業(yè)務，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS拋棄了傳統(tǒng)的獨占電路交換模式，采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，有效地利用了信道資源，帶寬最高可達 171.2Kb/s。目前中國移動的 GPRS 覆蓋范圍在中心城市幾乎達到了100%，在邊遠地區(qū)也達到了80%以上，實際應用帶寬大約在 20-40Kb/s，特別適合遠程監(jiān)測行業(yè)的通信需求，完全取代過去傳統(tǒng)的有線、MODEM、X.25、數(shù)傳電臺、短信等通信方式。
2.2.4、可靠性高：
與 SMS 短信息方式相比，YN4112 GPRS RTU 采用面向連接的 MODBUS 協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。中心可以與多個監(jiān)測點同時進行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。GPRS 網(wǎng)絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的多機頻段“碰撞”現(xiàn)象。
2.2.5、實時性強：
GPRS具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此 GPRS 監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以多個監(jiān)測點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在30Kbps 左右，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
2.2.6、監(jiān)控范圍廣：
GPRS網(wǎng)絡已經(jīng)實現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。比較很多無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（集群，雙向傳呼，CDPD，CDMA）而言，其網(wǎng)絡覆蓋是最好的。
2.2.7、系統(tǒng)建設成本低：
由于采用 GPRS 公網(wǎng)平臺，無需建設網(wǎng)絡，只需安裝設備就即可，建設成本低；也免去了網(wǎng)絡維護費用。
2.2.8、系統(tǒng)運營成本低：
采用GPRS公網(wǎng)通信，全國范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費率計費，省去昂貴的漫游費用, GPRS網(wǎng)絡可按實際通信數(shù)據(jù)流量計費，(1分-3分/1K字節(jié))，也可以按包月不限流量收費，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。
2.2.9、可對各監(jiān)測點儀器設備進行遠程控制：
通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態(tài)報告、開關等控制功能，并可進行系統(tǒng)遠程在線升級。
2.2.10、系統(tǒng)的傳輸容量，擴容性能好：
能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰�，�?FONT size=3>GPRS技術能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要；由于系統(tǒng)采用成熟的 MODBUS 通信架構，具備良好的擴展性能，一個監(jiān)測中心可輕松支持幾千個現(xiàn)場采集點的通信接入。
2.2.11、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環(huán)境：
雖然與遠在千里的數(shù)據(jù)中心進行雙向通信，GPRS數(shù)傳設備在工作時卻只需與附近的移動基站通信即可,其整體功耗與一臺普通GSM手機相當,比傳統(tǒng)數(shù)傳電臺小得多。因此GPRS傳輸方式非常適合在野外使用太陽能供電或蓄電池供電的場合下使用。
2.3、監(jiān)控中心:
服務器申請配置固定 IP 地址，采中國移動公司提供的專線，與 GPRS 網(wǎng)絡相連。由于專線可提供較高的帶寬，當管網(wǎng)監(jiān)控點數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求。
監(jiān)控中心服務器接收到 GPRS 網(wǎng)絡終端傳來的連接申請先進行認證，認證通過后接受傳來的數(shù)據(jù)并進行處理。
三、系統(tǒng)功能
3.1、中心控制室負責整個系統(tǒng)地控制監(jiān)控。配有電腦服務器、打印機等。
3.2、遙控遙測：測量各站點的狀態(tài)，通過監(jiān)視各個測壓點的壓力，調控供水系統(tǒng)的水泵的開關；測量、控制可人為干預進行，也可根據(jù)設定進行。
3.3、數(shù)據(jù)處理：可存儲系統(tǒng)各站點的工作狀態(tài)信息，并對信息進行統(tǒng)計處理產(chǎn)生各種報表輸出。
3.4、網(wǎng)絡連接：系統(tǒng)應用標準 MODBUS 協(xié)議，可以方便的聯(lián)入其他計算機系統(tǒng)。
3.5、報警指示：監(jiān)測數(shù)據(jù)量有上、下限報警指示功能。
3.6、系統(tǒng)參數(shù)輸入及組態(tài)：輸入系統(tǒng)參數(shù)，如巡檢周期、控制參數(shù)、報警限、計算公式、系統(tǒng)時間等，并對這些參數(shù)進行組態(tài)，以形成完整的系統(tǒng)操作、控制、統(tǒng)計、顯示、打印參數(shù)數(shù)據(jù)庫。整個系統(tǒng)以此數(shù)據(jù)庫為基礎運行。
3.7、自動巡檢：中心控制室自動巡檢多個站點及送水泵房工作情況。
3.8、手動采集：可以人為手動巡檢多個站點，得到監(jiān)控數(shù)據(jù)。
3.9、歷史數(shù)據(jù)打�。焊鶕�(jù)系統(tǒng)設定參數(shù)，自動打印系統(tǒng)遙測、遙控等運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。
3.10、供水數(shù)據(jù)統(tǒng)計：能實現(xiàn)對多個管網(wǎng)測點的壓力，生成報表。遠程診斷、遠程維護。
3.11、遠程升級：通過網(wǎng)絡，可以對 GPRS RTU 遠程診斷、遠程維護、遠程升級。
四、結論
本系統(tǒng)以自來水廠的生產(chǎn)過程為背景，提出了一套基于 PC 機的自動供水計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計方案。現(xiàn)場調試證明，該方案切實可行，既保證了水廠的不間斷生產(chǎn)又提高了水廠的管理水平。系統(tǒng)的開發(fā)時間短，成本低，節(jié)能效益明顯。適用于全國各大城市供水調度系統(tǒng)建設項目。
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