GPRS城市管網(wǎng)供水調(diào)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(bào)數(shù)、現(xiàn)場手動操作的原始調(diào)度方法。收集信息數(shù)量少、處理慢、傳遞遲，調(diào)度處于低級階段，以保證不缺水和維持正常運(yùn)行為主，談不上優(yōu)化調(diào)度。遇上爆漏及其他事故，反映遲鈍損失擴(kuò)大。

GPRS城市供水調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)可以對遠(yuǎn)程現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制，以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力、水流量等的數(shù)據(jù)傳送及閥門開關(guān)的自動控制，便于及時(shí)了解及控制遠(yuǎn)端生產(chǎn)運(yùn)行情況，降低故障率，縮短檢修時(shí)間，減少停水次數(shù)。各管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集終端可自動采集管道壓力、水流量等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，信息傳輸?shù)阶詠硭�公司的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過對傳輸回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可找到出故障的地點(diǎn)；當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，能在最短的時(shí)間內(nèi)解決問題。

目前，自來水供水調(diào)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(shè)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(kuò)頻通信、衛(wèi)星通信、GSM短信/GPRS通信等。

在城市供水調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中，由于各管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，個(gè)別站點(diǎn)還地處偏僻，因此架設(shè)光纜（電纜）難度大、費(fèi)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(diǎn)線路難以到達(dá)，況且采用電話線路時(shí)需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運(yùn)營成本較高，不切合實(shí)際。總之，監(jiān)控系統(tǒng)采用有線通信方式建設(shè)周期長、工作難度大、運(yùn)行費(fèi)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(shè)周期短、運(yùn)行維護(hù)簡單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

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(kuò)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(fèi)用昂貴，只在一些特殊的領(lǐng)域下使用，未得以普及；而擴(kuò)頻通信技術(shù)雖然速率高，但只能在視距范圍內(nèi)傳輸，應(yīng)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(kuò)展容易、維修方便、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但由于系統(tǒng)工作于230MHz公共頻段，且多采用普通間接調(diào)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(diǎn)。

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(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺。目前 GSM 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過電信部門的多年建設(shè)，覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，已成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，特別是中國移動新推出的 GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。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(wù)平臺上構(gòu)建城市自來水管網(wǎng)供水調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本的優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)簡單。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了滿足對生產(chǎn)過程的調(diào)度和指揮，需要一個(gè)可靠的 SCADA 系統(tǒng)。它一般由企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度指揮中心、管網(wǎng)測壓點(diǎn)、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(bào)警功能，歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢功能，報(bào)表顯示及打印功能，遙控功能，網(wǎng)絡(luò)功能等。管網(wǎng)測點(diǎn) SCADA 自動化控制系統(tǒng)，主要監(jiān)測分散管網(wǎng)測點(diǎn)站點(diǎn)。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(diǎn)遠(yuǎn)程測控終端 GPRS RTU（遠(yuǎn)程測控終端）。中心控制室負(fù)責(zé)監(jiān)視、管理和控制等工作。站點(diǎn) GPRS RTU 負(fù)責(zé)多個(gè)管網(wǎng)測點(diǎn)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，無線傳輸、管網(wǎng)測點(diǎn)壓力的自動控制。中心控制室對各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，并對這些信息進(jìn)行存儲、分析匯總或打印等處理。通過數(shù)據(jù)分析，及時(shí)給出報(bào)警信息或向站點(diǎn)發(fā)出控制命令，控制站點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度和管理。

GPRS RTU是 SCADA 系統(tǒng)的基本組成單元，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的采集、控制和遠(yuǎn)程通信功能。對于具有分布式、集散型、網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)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(gè)功能就是：實(shí)時(shí)、準(zhǔn)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(yīng)用于管網(wǎng)測壓的 GPRS RTU 產(chǎn)品就是為此目的而設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。

2.1、    管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)：

各監(jiān)控點(diǎn)采用我公司帶有模擬量、開關(guān)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(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)。

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。可現(xiàn)場接入多路模擬量、開關(guān)量、干觸點(diǎn)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(yuǎn)程控制中心連接，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并存儲到數(shù)據(jù)庫中。通過該系統(tǒng)，即使在遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享的功能。除數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控外，系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手機(jī)報(bào)警，并通過用戶手機(jī)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備。

2.2.2、功能特點(diǎn)：

  ●  配備多種接口資源，包括模擬信號采集、開關(guān)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(shè)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(zhuǎn)換和報(bào)警上下限設(shè)定；

  ●  內(nèi)設(shè)工業(yè)時(shí)鐘，精確計(jì)時(shí)；

  ●  自動定時(shí)上報(bào)和事件觸發(fā)上報(bào)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(shè)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(shè)計(jì)，穩(wěn)定可靠，堅(jiān)固耐用；

2.2.3、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)特點(diǎn)：

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(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(wù)，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS拋棄了傳統(tǒng)的獨(dú)占電路交換模式，采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，有效地利用了信道資源，帶寬最高可達(dá) 171.2Kb/s。目前中國移動的 GPRS 覆蓋范圍在中心城市幾乎達(dá)到了100%，在邊遠(yuǎn)地區(qū)也達(dá)到了80%以上，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在 20-40Kb/s，特別適合遠(yuǎn)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(gè)監(jiān)測點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。GPRS 網(wǎng)絡(luò)本身具備完善的頻分復(fù)用機(jī)制，并具備極強(qiáng)的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的多機(jī)頻段“碰撞”現(xiàn)象。

2.2.5、實(shí)時(shí)性強(qiáng)：

GPRS具有實(shí)時(shí)在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小，并支持多點(diǎn)同時(shí)傳輸，因此 GPRS 監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間快速，實(shí)時(shí)地進(jìn)行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。目前GPRS實(shí)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(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容無限制，接入地點(diǎn)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(luò)（集群，雙向傳呼，CDPD，CDMA）而言，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋是最好的。

2.2.7、系統(tǒng)建設(shè)成本低：

由于采用 GPRS 公網(wǎng)平臺，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需安裝設(shè)備就即可，建設(shè)成本低；也免去了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用。

2.2.8、系統(tǒng)運(yùn)營成本低：

采用GPRS公網(wǎng)通信，全國范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費(fèi)率計(jì)費(fèi)，省去昂貴的漫游費(fèi)用, GPRS網(wǎng)絡(luò)可按實(shí)際通信數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，(1分-3分/1K字節(jié))，也可以按包月不限流量收費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。

2.2.9、可對各監(jiān)測點(diǎn)儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制：

通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備進(jìn)行反向控制，如：時(shí)間校正、狀態(tài)報(bào)告、開關(guān)等控制功能，并可進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線升級。

2.2.10、系統(tǒng)的傳輸容量，擴(kuò)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(shù)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(gòu)，具備良好的擴(kuò)展性能，一個(gè)監(jiān)測中心可輕松支持幾千個(gè)現(xiàn)場采集點(diǎn)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(yuǎn)在千里的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行雙向通信，GPRS數(shù)傳設(shè)備在工作時(shí)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(jī)相當(dāng),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(wù)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(luò)相連。由于專線可提供較高的帶寬，當(dāng)管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求。

監(jiān)控中心服務(wù)器接收到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)終端傳來的連接申請先進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過后接受傳來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

三、系統(tǒng)功能

3.1、中心控制室負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)地控制監(jiān)控。配有電腦服務(wù)器、打印機(jī)等。

3.2、遙控遙測：測量各站點(diǎn)的狀態(tài)，通過監(jiān)視各個(gè)測壓點(diǎn)的壓力，調(diào)控供水系統(tǒng)的水泵的開關(guān)；測量、控制可人為干預(yù)進(jìn)行，也可根據(jù)設(shè)定進(jìn)行。

3.3、數(shù)據(jù)處理：可存儲系統(tǒng)各站點(diǎn)的工作狀態(tài)信息，并對信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理產(chǎn)生各種報(bào)表輸出。

3.4、網(wǎng)絡(luò)連接：系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) MODBUS 協(xié)議，可以方便的聯(lián)入其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3.5、報(bào)警指示：監(jiān)測數(shù)據(jù)量有上、下限報(bào)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(bào)警限、計(jì)算公式、系統(tǒng)時(shí)間等，并對這些參數(shù)進(jìn)行組態(tài)，以形成完整的系統(tǒng)操作、控制、統(tǒng)計(jì)、顯示、打印參數(shù)數(shù)據(jù)庫。整個(gè)系統(tǒng)以此數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)運(yùn)行。

3.7、自動巡檢：中心控制室自動巡檢多個(gè)站點(diǎn)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(gè)站點(diǎn)，得到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

3.9、歷史數(shù)據(jù)打印：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)，自動打印系統(tǒng)遙測、遙控等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.10、供水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：能實(shí)現(xiàn)對多個(gè)管網(wǎng)測點(diǎn)的壓力，生成報(bào)表。遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)。

3.11、遠(yuǎn)程升級：通過網(wǎng)絡(luò)，可以對 GPRS RTU 遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程升級。

四、結(jié)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(jī)的自動供水計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)場調(diào)試證明，該方案切實(shí)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(shí)間短，成本低，節(jié)能效益明顯。適用于全國各大城市供水調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目。