艾寶物聯(lián)供水生產(chǎn)遠程監控系統方案

1 概述

某供水公司承擔著(zhù)某地區生產(chǎn)、生活用水的取水、處理、輸送、監測等工作，生產(chǎn)單元非常分散，尤其是大量的水源井、水源站、用戶(hù)和龐大的給水、供水管網(wǎng)分散在整個(gè)遼河油田的礦區和盤(pán)錦市區內。采用原始的人工抄表、人工巡檢的工作方式，導致數據監測、匯總和應急處理能力的嚴重滯后?；谏鲜鲈?，為提升供水公司生產(chǎn)運行調度指揮能力，保障設備、管網(wǎng)安全運行，提高工作效率等，根據客戶(hù)的需求研發(fā)了一套生產(chǎn)遠程實(shí)時(shí)監控系統。

2 遠程監控的對象和主要功能

2.1 供水遠程監控系統的監控對象

 

監控對象是供水公司所屬水源井、水源站，集中監控的內容包括：

1）水源井監控：水源井口的出水壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累積流量，電機設備的啟、停狀態(tài)、三相電壓、三相電流、功率等生產(chǎn)數值，電機設備的遠程啟停。

 

2）水源站監控：水源站出水壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累積流量、儲水罐液位，電機設備的三相電壓、三相電流、功率等生產(chǎn)數值，電機設備的遠程啟停、設置電磁閥開(kāi)度。

 

3）安防監控：在每個(gè)水源井、水源站內安裝紅外報警器、門(mén)禁報警器、箱禁報警器、斷電報警器，報警信息通過(guò)本系統上傳至監控中心。

2.2 供水遠程監控系統的主要功能

 

供水遠程監控系統具有如下功能：

1)數據采集：對水源井、站的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數據進(jìn)行輪巡采集，采集間隔設成10秒。

 

2)數據處理：現場(chǎng)數據經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò )送到網(wǎng)關(guān)軟件接收，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）采集軟件對接收到的數據進(jìn)行顯示、存儲。根據生產(chǎn)要求將數據生成報表和曲線(xiàn)，SCADA采集軟件對數據進(jìn)行數值判斷，超出設定閥值的數據進(jìn)行報警處理。

 

3）用戶(hù)安全管理：監控系統設有三級用戶(hù)，第一級用戶(hù)擁有瀏覽和反控全部水源井、站數據的權限，第二級用戶(hù)擁有某一供水工區內的數據瀏覽和反控權限，第三級用戶(hù)僅擁有某一供水工區內的數據瀏覽權限。

3 遠程監控系統的工作原理

3.1 系統工作原理

 

安裝在水源井現場(chǎng)的傳感器將各種物理信號轉換成數據采集單元（RTU）能夠識別的標準工業(yè)信號，由RTU將生產(chǎn)數據打包成Modbus協(xié)議，經(jīng)DTU通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )將現場(chǎng)數據上傳到通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。 為了提高采集效率，對聯(lián)合站水泵組的監控還要增加SCM-2管理器。SCM-2下端可以連接254臺以?xún)鹊腞TU，每臺RTU又可以單獨的采集各種生產(chǎn)數據，上端以RS485總線(xiàn)與DTU相連，實(shí)現通過(guò)一個(gè)SCM-2 設備管理底端多個(gè)RTU設備，減少逐一輪巡RTU而造成采集效率低下的問(wèn)題?，F場(chǎng)安裝的流量計帶有HART協(xié)議輸出，使用HART-MODBUS協(xié)議轉換模塊將流量計采集到的瞬時(shí)流量、累積流量轉換成MODBUS協(xié)議，再由DTU將數據上傳到通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，通信網(wǎng)關(guān)軟件將Modbus協(xié)議的數據解析成現場(chǎng)裸數據，并對這些裸數據進(jìn)行處理、存儲和顯示。

 

系統監控原理圖見(jiàn)圖1。

 

 

3.2 系統軟硬件選擇及功能

 

3.2.1 硬件系統

1）在線(xiàn)儀表：壓力、溫度、液位傳感器負責將壓力、溫度、液位的物理信號轉換成標準的4~20ma的工業(yè)信號，門(mén)禁、紅外傳感器以開(kāi)關(guān)量的形式輸出，電流互感器以5：100的變比將現場(chǎng)0~100A的電流轉換成0~5A的標準信號。這些信號再以二線(xiàn)制的形式連接到RTU的AI、DI、Ix、Ux端口,RTU的DO端口并聯(lián)在啟停按鈕上，實(shí)現遠程的電機啟停功能。

 

2）數據采集單元（RTU, Remote Terminal Unit）：負責采集傳感器送來(lái)的標準工業(yè)信號，再將這些信號以modbus協(xié)議打包成數據包。本監控系統采用的RTU分兩種類(lèi)型，SC-112負責采集4~20ma的工業(yè)信號, 采集門(mén)禁、紅外傳感器的開(kāi)關(guān)量的輸出信號，負責控制電磁閥開(kāi)度的輸出信號。SC-101負責采集電機的電參量，控制電機的啟停。

 

3）數據傳輸單元（DTU, Data Terminal unit）：RTU和流量計與DTU模塊通過(guò)RS485總線(xiàn)連接，DTU模塊將MODBUS協(xié)議數據在TCP／IP上承載，DTU模塊登錄上GSM網(wǎng)絡(luò )后，自動(dòng)連接到數據監控中心，向數據監控中心報告其IP地址，并保持和維護鏈路的連接。監控中心通信主機上安裝通信網(wǎng)關(guān)軟件，數據監控中心擁有固定的公網(wǎng)IP地址。這樣，監控中心通信主機和DTU模塊之間就可以通過(guò)IP地址用TCP／IP協(xié)議進(jìn)行雙向數據通信。

 

4）中心服務(wù)器單元：監控中心通信主機接收DTU上傳的現場(chǎng)數據，將Modbus協(xié)議的數據解析成現場(chǎng)裸數據，再由SCADA采集服務(wù)器對數據進(jìn)行存儲、顯示、處理，WEB發(fā)布服務(wù)器提供監控終端的數據顯示和數據操作。

 

3.2.2 軟件系統

1)通信網(wǎng)關(guān)軟件：負責管理現場(chǎng)DTU設備，維護GPRS通信鏈路的穩定，遠程接收DTU透傳上來(lái)的生產(chǎn)數據，將這些數據通過(guò)虛擬串口轉發(fā)給SCADA服務(wù)器。

2）SCADA采集軟件：采用虛擬串口技術(shù)讀取通信網(wǎng)關(guān)軟件送來(lái)的實(shí)時(shí)數據，該軟件完成與遠程各GPRS采集點(diǎn)間的命令頒布、執行和接收諸事件，具有完全分布式C/S和B/S結構，可以方便靈活的組成分布式網(wǎng)絡(luò )結構，實(shí)現數據的顯示、曲線(xiàn)顯示、報表生成、數據打印、用戶(hù)管理、參數設置、軟件冗余，還可以模擬顯示電機的運行狀態(tài)、儲水罐液位，操作人員可以通過(guò)這些界面全面掌握系統運行情況，本系統的監控主界面如圖2所示，實(shí)時(shí)數據如圖3所示。（其他界面如曲線(xiàn)、報表略）

監控系統主畫(huà)面

水務(wù)工區實(shí)時(shí)數據

該軟件擁有開(kāi)放式軟件接口，通過(guò)ActiveX控件能夠實(shí)現視頻監控（視頻與現場(chǎng)數據聯(lián)動(dòng)）、GIS（Geographic Information System）等功能，ODBC Router插件能夠實(shí)現與Oracle、SQL Server2000、Sybase等關(guān)系型數據庫連接，將采集的數據轉存到關(guān)系型數據庫或從數據庫中讀取數據。

 

3）WEB發(fā)布軟件：負責對終端用戶(hù)的驗證與管理，以IE網(wǎng)頁(yè)形式提供給終端用戶(hù)使用，最大支持256用戶(hù)的同時(shí)在線(xiàn)瀏覽數據。

4 系統組網(wǎng)方式

供水監控系統網(wǎng)絡(luò )由RS485工業(yè)總線(xiàn)，GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，中心以太網(wǎng)絡(luò )三部分組成。組網(wǎng)框圖見(jiàn)圖4。

 

4.1 RS485現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)

 

RS485工業(yè)總線(xiàn)為二線(xiàn)制傳輸，具有抗干擾強、傳輸距離遠特點(diǎn)，廣泛應用在工業(yè)控制領(lǐng)域。RS485處在通信網(wǎng)絡(luò )的的物理介質(zhì)層和鏈路層，它負責承載各種協(xié)議數據，如modbus,hart,profibus等。本系統的RTU就是以RS485為接口載體，傳輸現場(chǎng)數據。

4.2 GPRS無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )

 

由于供水水源井、站分布廣泛，所以最經(jīng)濟、穩定的通信方式就是采用GPRS網(wǎng)絡(luò )傳輸數據。GPRS是一種基于數據包的無(wú)線(xiàn)通信服務(wù)，按GSM標準定義的封包交換協(xié)議，可快速接入數據網(wǎng)絡(luò )。它在移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò )之間實(shí)現了“永遠在線(xiàn)”的連接，網(wǎng)絡(luò )容量只有在實(shí)際進(jìn)行傳輸時(shí)才被占用。

 

GPRS供水遠程監控系統具備如下特點(diǎn)：

1、實(shí)時(shí)性強： 由于GPRS具有實(shí)時(shí)在線(xiàn)特性，系統無(wú)時(shí)延，無(wú)需輪巡就可以同步接收、處理多個(gè)數據采集點(diǎn)的數據?？珊芎玫臐M(mǎn)足系統對數據采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。

 

2、通過(guò)GPRS雙向系統還可實(shí)現對電機設備進(jìn)行遠程控制，進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制操作。

 

3、建設成本少低： 由于采用GPRS的無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)平臺，只需安裝好設備，不需要為本系統進(jìn)行專(zhuān)門(mén)布線(xiàn)，投資少、見(jiàn)效快，維護成本低；

 

4、監控范圍廣： GPRS覆蓋范圍廣，在無(wú)線(xiàn)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍之內，都可以完成對現場(chǎng)生產(chǎn)數據的采集和控制。擴容和接入地點(diǎn)無(wú)限制，能滿(mǎn)足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。

 

5、系統的傳輸容量大： 監控數據中心要和每一個(gè)數據采集點(diǎn)保持實(shí)時(shí)連接。由于數據采集點(diǎn)數量眾多，系統要求能滿(mǎn)足突發(fā)性數據傳輸的需要，而GPRS技術(shù)能很好地滿(mǎn)足傳輸突發(fā)性數據的需要。

 

6、通信費用低：采用包月計費方式，運營(yíng)成本低。

4.3 防火墻組成的局域網(wǎng)絡(luò )

 

中心服務(wù)器網(wǎng)絡(luò )具有公網(wǎng)IP和私網(wǎng)IP，公網(wǎng)IP負責接收GPRS傳來(lái)的數據，經(jīng)由防火墻將數據傳輸到私網(wǎng)IP服務(wù)器上，防火墻在這里主要實(shí)現網(wǎng)絡(luò )安全、數據過(guò)濾和地址轉換功能。地址轉換主要使用VIP NAT方式，見(jiàn)框圖5。

 

 

通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、SCADA服務(wù)器、WEB服務(wù)器公用一個(gè)公網(wǎng)IP地址，防火墻ISG1000根據傳輸層端口號分別映射到指定服務(wù)器。通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器使用9000端口與現場(chǎng)DTU設備交換數據，WEB服務(wù)器使用80端口為客戶(hù)機提供WEB服務(wù)。

5結束語(yǔ)

遠程監控系統投入使用以來(lái)，實(shí)踐證明其使用效果是顯著(zhù)的，它克服了因水源井、站覆蓋面廣而難以全面、實(shí)時(shí)監控邊遠地區水壓、水量、電機狀態(tài)的問(wèn)題。該監控系統邏輯合理正確,人機界面良好,運行可靠穩定,硬件擴展性強、操作方便,有良好的安全機制，確保了供水生產(chǎn)系統運行的穩定性和可靠性。該監控系統有效地起到以下幾方面的作用：① 及時(shí)、準確地反映供水流量、水壓、電機狀態(tài)，遠程采集系統各部分的實(shí)際運行情況，為合理實(shí)施調度操作提供了可靠的技術(shù)保證；②及時(shí)發(fā)現并消除事故隱患，有效避免重大事故(設備損毀、冒罐等)的發(fā)生，保證設備運行安全；③幫助管理人員對有關(guān)設備運行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并隨時(shí)調整其工作于經(jīng)濟運行區，延長(cháng)設備使用壽命，提高其運行效率，降低運行成本。在滿(mǎn)足供水水壓的前提下，綜合考慮各采集點(diǎn)的情況，制定合理的供水方案，既可合理平衡管網(wǎng)壓力，又能降低電耗及漏耗。