無線GPRS 城市燃氣遠程監控系統應用方案

GPRS 城市燃氣遠程監控系統應用方案
    一、前言
    先進的燃氣控制系統對于燃氣運營的正常進行非常重要。一個自動化程度高，功能完善的控制系統可以極大地提高工作效率，保證燃氣運營安全、可靠地運行。先進的燃氣控制系統設計必須依賴于先進的控制技術，所以控制系統占了氣場投資的相當比例。
    通過現場監控終端（DTU、RTU）和GSM/GPRS網絡，可對各地多個加氣站、儲配站、調壓站以及計量點進行組網，實現遠距離實時集中控制管理，能夠實現對管網壓力、流量以及環境參數、動力環境進行遠程無線實時監測、控制、報警、故障診斷和排除的功能。監控系統貼合氣站實際情況，無論其實用性、可靠性、技術先進性、經濟性等方面都有許多創新。
    調度管理中心和工作、維護人員利用“燃氣GPRS遠程監測系統”提供的遠程無線監測、控制、報警、報表、打印等功能，可實現對氣站的全面監控、管理。
   
    二、方案介紹
    由于GPRS是基于IP地址的數據分組通信網絡，監控中心計算機主機配置固定的IP地址，各個站點的GPRS終端和計算機主機進行通信和數據傳輸。
    各監測點使用GPRS透明數據傳輸終端，通過移動的GPRS網絡與監控中心相連。各數據采集點使用移動通信公司統一的SIM卡，同時監控中心對各點進行登記，保存相關資料以便識別和維護處理。各信息采集點運行監控系統軟件，支持24小時實時在線，實現信息采集點24小時傳送采集的信息數據。
    凡燃氣公司授權的信息采集點均可以使用本系統：
    1、管網監控點必須使用移動統一的SIM卡，用戶使用本卡只能用于與監控中心數據通信功能。
    2、終端設備使用廈門宇能科技有限公司提供的GPRS數據通信終端YN2200 DTU和YN4112 RTU。
    3、用戶登記，符合燃氣公司的規定。
    系統組成：
   
    燃氣GPRS遠程監測主系統由燃氣配送管網監控子系統、燃氣計量數據采集子系統和燃氣數據控制中心組成。燃氣配送管網監控子系統能夠實現對管網壓力、流量以及環境參數、動力環境進行遠程無線實時監測、控制、報警、故障診斷和排除的功能。燃氣計量數據采集子系統可監測燃氣用戶的燃氣使用量，支持GPRS在線監測功能，并可將監測的燃氣使用數據按圖表、報表等方式統計、查詢。整套監控系統貼合燃氣站實際情況，無論其實用性、可靠性、技術先進性、經濟性等方面都有許多技術創新。
    2.1、燃氣配送管網監控子系統
    2.1.1、燃氣配送管網監控子系統功能
    燃氣配送管網監控子系統可同時對各地多個加氣站、儲配站、調壓站進行組網監控，實現遠距離實時集中控制管理，能夠實現對管網壓力、流量以及環境參數、動力環境進行遠程無線實時監測、控制、故障診斷和預警等功能。
    2.1.2、燃氣配送管網監控終端技術性能
    GPRS數據傳輸終端實現監控中心主站與監控終端的通訊。本系統中采用YN4112 GRPS/DTU。該DTU功能與特點如下：
    1、標準的AT命令界面,方便程序設計。
    2、TCP/IP Internet 內嵌的協議棧，輕松互連。
    3、RS-232或RS-485接口方式，更加簡便的通訊方式。
    4、可通過串口升級程序。
    5、使用低功耗高性能的CPU 做處理器，16位內部數據總線， 1MB FLASH，可高速處理協議和大量數據。
    6、支持全透明及幀格式數據傳輸。
    7、簡化的接口設計，使用通用的232 接口和簡單的AT命令交互界面。
    8、供了更方便的電源接口，即可使用外掛電源。又可從串口直接取電。
    9、完善了GPRS 網絡中所出現的假撥號，掉線自動重啟，遠程喚醒等功能。
    10、支持遠程控制及動態域名解析。
    11、同時更具嵌入式系統要求，可提供內置式模塊（不帶外殼，可通過插針與嵌入式直接系統相連）。
    12、同時還有軟硬件雙重看門狗，在RTU不能正常工作時，能夠自動斷電復位。
   
    2.2、燃氣計量數據采集子系統
    燃氣計量數據采集子系統各監控點通過RS-485總線采集燃氣表計量的數據，通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到數據控制中心，實現實時在線監控的功能。
    2.2.1、燃氣計量數據采集子系統功能
    燃氣計量數據采集子系統位于燃氣計量中心，燃氣用戶的用氣數據先由燃氣表計量，再通過RS485總線使用雙絞線傳輸數據到GPRS通訊終端，通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GPRS網絡，最后，通過 GPRS網絡將抄表數據傳送至數據控制中心燃氣遠程抄表系統，實現燃氣表數據和數據控制中心系統的實時在線測控。
    燃氣抄表終端通過RS485接口直接連接到燃氣表上，既可支持單個燃氣表，也可以同時支持多個燃氣表，實現對電表參數的采集、存儲、預處理或并將采集到的燃氣表數據實時傳送到數據控制中心；同時，抄表終端還可將數據控制中心發送的遙控指令傳給燃氣表控制模塊，對燃氣表進行控制操作。
    2.2.2、燃氣抄表終端技術性能
    系統采用YN2200 GPRS無線透明數據傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網絡，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標準232數據口可直接與計算機、RTU、PLC、GPS接收機、數碼相機、數據終端等連接，傳輸速率達171Kbps，具有遠程診斷、測試、監管功能，滿足各行業調度或控制中心與眾多遠端站之間的數據采集和控制。
    1、支持900／1800／1900MHz三頻GSM/GPRS。
    2、接口： RS232、RS485、TTL。
    3、系統理論傳輸速率171Kbps，實際傳輸速率40Kbps。
    4、支持Windows95/98/2000/XP/LINUX操作系統。
    5、透明數據傳輸：YN2200-DTU內嵌TCP/IP協議，為用戶的數據設備提供透明傳輸通道。
    6、自動撥號連接：YN2200-DTU可配置上電自動撥號上網、連接網絡，同時支持用戶端發起命令連接或遠程喚醒連接。
    7、短信息備用數據通道：在GPRS網絡無法連接時可啟用短信作為備用數據傳輸通道。
    8、短信息遠程維護功能。
    9、實時監測網絡連接情況，掉線自動重撥功能。
    10、提供主副IP及動態域名解析。
    11、心跳報告時間間隔用戶可設定。
    12、數據通信幀長度用戶可設定。
    13、支持VPN安全功能。
    14、安裝靈活、使用方便、可靠。
   
    三、數據控制中心主站軟件功能介紹
    主控室監測軟件對采集來的現場數據和實時數據進行分析、處理、保存、入庫，制作輸出報表，繪出各種曲線，從而實現整個系統的遠程抄表、實時監測及自動化管理功能。
    1、用戶（GIS）地圖
    用戶管理界面采用數字地圖，界面可放大縮小，在此界面上可觀察到各個用戶子站的多種工藝參數運行情況，通過點擊用戶即可進入該用戶實時曲線界面。
    一、軟件GIS地圖界面 二、軟件監測界面
    2、報表功能
    日報表統計當天實時的運行數據，列出每天的用氣狀態和停電時間等情況；月報表統計當月每天的運行數據，列出每天的用氣狀態和停電時間等情況；年度報表統計一年12個月每月的用氣狀態和停電情況。報表格式可按照用戶要求定制，由軟件直接進行預覽、打印，無需另行轉換。
    3、圖表曲線功能
    系統可以針對某一站點、某一用戶或者整個系統自動做出多參數日用氣量直方圖趨勢曲線，月用氣量直方圖趨勢曲線，年用氣量直方圖趨勢曲線，或某一時間段內的用氣量趨勢曲線。直觀的反映出各個用戶的用氣情況。曲線可任意放大、縮小和拖動。
    4、故障處理和報警功能
    主控室對于出現的通信故障和參數數據超限、儀表單體故障、市電停電、儀表掉線產生報警，并將產生報警的時間和原因記自動記錄到數據庫當中，幫助操作員直接處理。報警方式為窗口提示、聲音報警等方式可選。
    5、強大的數據庫查詢功能
    查詢某一時刻的壓力、溫度、瞬時流量、累計流量等參數形成報表。也可查詢報警記錄，獲得產生報警的時間和原因并形成報表。
    6、兼容不同通信協議
    系統中可有不同廠家的儀表；并可根據用戶要求增加特定的通信協議。
    7、實時在線功能
    系統對所有監測子站能夠進行群收群發；根據系統要求，對各采集子站設定不同的采集間隔（可以任意設置）。
    8、系統安全設置
    系統設置多級權限，不同權限的功能有所不同。系統管理員可以使用所有的功能，而對于一般用戶來說，數據庫維護，系統維護等一些涉及系統內部安全的設置功能限制使用。
    9、時間同步
    中心監測軟件對整個系統現場控制器可進行時間同步化處理，保證用戶分站主動上發時刻和管網主站時間的整體一致性。
    10、網絡發布功能
    數據監控中心服務器運行網絡版的應用軟件，可以通過局域網把各個采集終端的數據共享給有關領導和部門；局域網內的授權用戶可以查看、調閱數據庫的內容，實現辦公自動化。
   
    用戶單位可申請配置固定IP地址，采用移動運營商提供的DDN專線，與GPRS網絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當管網監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求。
    監控中心服務器接受到GPRS網絡傳來的數據后先進行認證，后傳送到監控中心計算機主機，通過系統軟件對數據進行還原顯示，并進行數據處理。
    四、網絡安全
    由于供氣監測系統的特殊性，本系統需要極高的系統安全保障和穩定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環，網絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩定是指系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。
    數據中心可通過公網使用VPN接入到移動GPRS網，采用VPN方式成本比較低，企業不用租用專線，還可使用原有的VPN設備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應用服務器前，要經過Radius服務器的認證，整個數據傳送過程得到加密保護，安全性較高，可充分保障數傳速度和網絡服務質量。
    另外，數據中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設備上，這種成本高，安全性高、穩定可靠。
    對于安全性要求非常高的系統，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統的安全性。
    4.1、VPN虛擬專網模式：企業內部網絡中配置VPN服務器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術，用戶通過接入企業內部虛擬專網的方式與Internet進行隔離，可對整個數據傳送過程進行加密保護，有效避免非法入侵。
    4.2、利用SIM卡的唯一性，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
    4.3、對于特定用戶，可通過數據中心分配特定的用戶ID和密碼，其他沒有數據中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進入系統，系統的安全性進一步增強。
    4.4、數據加密：通過VPN對整個數據傳送過程進行加密保護。
    4.5、網絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。
    目前，在移動通信公司的GPRS業務平臺上構建城市燃氣遠程監測系統，實現管網監控點的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡，縮短建設周期，降低建設成本的優點，而且設備安裝方便、維護簡單。
   
    五、GPRS無線遠程監測的特點
    5.1、良好的實時響應與處理能：與短消息服務比較，由于GPRS具有實時在線特性，系統無時延，能夠同時實時收取、處理多個/所有監測點的各種數據，無需輪巡就可以同步監測點的時鐘，可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
    5.2、遠程儀器設備控制：由于采用GPRS雙向傳輸系統，監控中心可以反向實現對儀器設備的時間校正、狀態報告、開關以及其他監測、控制等功能。
    5.3、建設成本低：可充分利用現有GPRS網絡，設備安裝即接通，而采用超短波通信時需要充分考慮現場環境，還需要配備天線鐵架等附屬設備。
    5.4、安裝調試簡單，建設周期短：利用現有成熟GPRS網絡，系統投入運行時基本不需要調試，安裝簡捷。采用超短波通信時安裝調試工作量大，要先進行現場信號測試，天線鐵架架設，天線方向角度調試等工作。
    5.5、覆蓋范圍廣：構建城市燃氣遠程監測系統要求數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。
    由于管網監控點數量眾多，分布在全市范圍內，部分管網監控點位于偏僻地區，而且地理位置分散。采用超短波通訊方式，覆蓋范圍只有30多公里；而采用GPRS方式，理論上在無線GSM/GPRS網絡的覆蓋范圍之內，都可以實現監控。
    5.6、數據傳輸速率高：GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，實際應用時數據傳輸速率在40Kbps左右，而目前一般的超短波數傳電臺傳送速率多為2.4kbit/s或更低。
    5.7、系統的傳輸容量大：監控中心站要和每一個管網監控點實現實時連接。由于管網監控點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
    六、結論
    采用有線方式，租用靜態IP目前費用比較高約800-1500元/月。采用GPRS無線方式，GPRS數據流量費用目前有包月制和按數據量兩種收費方式，按流量計算0.03元K，而包月制15元/月可享受150 MB數據流量(福建移動公司資費)，完全可滿足燃氣公司目前燃氣數據采集系統的實際數據量，日后其費用還會逐步降低。對于燃氣公司等用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于GPRS終端可任意移動和組合使用，當燃氣監測站和燃氣信息采集點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續使用，可以保護用戶原有投資，適合于燃氣監測工作的特點。
    采用GPRS構建城市燃氣遠程監測系統，不僅能很好地滿足燃氣信息采集的需求，而且，做為GPRS網絡運營商的移動通信公司也將因此獲得業務穩定的集團用戶，隨著用戶數量的增加，移動通信公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網絡建設和網絡應用同步發展的要求。