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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(huà)報(bào)數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)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(jí)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(duì)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(mén)開(kāi)關(guān)的自動(dòng)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(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集終端可自動(dòng)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?lái)水公司的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過(guò)對(duì)傳輸回來(lái)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(wèn)題。
目前，自來(lái)水供水調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)通信可簡(jiǎn)單分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩大類(lèi)，其中有線(xiàn)通信主要包括架設(shè)光纜、電纜或租用電信電話(huà)線(xiàn)、X.25、DDN、 ADSL等，而無(wú)線(xiàn)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(mén)租用專(zhuān)用電話(huà)線(xiàn)又要申請(qǐng)很多電話(huà)線(xiàn)，而且有些監(jiān)控點(diǎn)線(xiàn)路難以到達(dá)，況且采用電話(huà)線(xiàn)路時(shí)需要等待漫長(zhǎng)的電話(huà)撥號(hào)過(guò)程，速度慢，運(yùn)營(yíng)成本較高，不切合實(shí)際�？傊�，監(jiān)控系統(tǒng)采用有線(xiàn)通信方式建設(shè)周期長(zhǎng)、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(wú)線(xiàn)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(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
在監(jiān)控系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)通信方式主要包括：超短波（230MHz）無(wú)線(xiàn)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(tái)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(tái)，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(hào)覆蓋范圍小等缺點(diǎn)。
經(jīng)過(guò)比較分析，我們選擇中國(guó)移動(dòng)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(tái)。目前 GSM 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)電信部門(mén)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(guó)移動(dòng)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(wú)線(xiàn) IP 連接。在移動(dòng)通信公司的 GPRS 業(yè)務(wù)平臺(tái)上構(gòu)建城市自來(lái)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(wú)線(xiàn)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(jiǎn)單。
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為了滿(mǎn)足對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(cè)壓點(diǎn)、抄表遙測(cè)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(chǔ)、檢索、查詢(xún)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(cè)點(diǎn) SCADA 自動(dòng)化控制系統(tǒng)，主要監(jiān)測(cè)分散管網(wǎng)測(cè)點(diǎn)站點(diǎn)。該系統(tǒng)采用兩級(jí)控制，一級(jí)為 SCADA 系統(tǒng)中心控制室,二級(jí)為管網(wǎng)測(cè)站點(diǎn)遠(yuǎn)程測(cè)控終端 GPRS RTU（遠(yuǎn)程測(cè)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(cè)點(diǎn)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，無(wú)線(xiàn)傳輸、管網(wǎng)測(cè)點(diǎn)壓力的自動(dòng)控制。中心控制室對(duì)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(duì)這些信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析匯總或打印等處理。通過(guò)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(duì)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(kāi)承上啟下的 GPRS RTU 產(chǎn)品。城市供水綜合自動(dòng)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(cè)遍布于全市的自來(lái)水管網(wǎng)的流量、壓力等變化情況。應(yīng)用于管網(wǎng)測(cè)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(cè)壓工藝簡(jiǎn)單、無(wú)須控制、散布廣泛，因此就要求此類(lèi) GPRS RTU 產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)量采集功能的 YN4112 GPRS RTU。通過(guò) GPRS 透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對(duì)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(wú)線(xiàn)測(cè)控終端內(nèi)置：CPU模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、控制模塊、GPRS數(shù)據(jù)通信模塊�？涩F(xiàn)場(chǎng)接入多路模擬量、開(kāi)關(guān)量、干觸點(diǎn)信號(hào)、繼電器信號(hào)等數(shù)據(jù)，然后直接通過(guò) GPRS 無(wú)線(xiàn)模塊將現(xiàn)場(chǎng)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(kù)服務(wù)器，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)該系統(tǒng)，即使在遠(yuǎn)離觀(guān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的異地，也能方便地對(duì)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(cè)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(guò)用戶(hù)手機(jī)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)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(hào)采集、開(kāi)關(guān)量輸入、輸出、脈沖信號(hào)輸入等；
● 支持一路RS232/RS485方式的用戶(hù)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(jí)超低功耗高性能的嵌入式處理器；
● 用戶(hù)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(dòng)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(chǔ)器，數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，支持歷史數(shù)據(jù)檢索；
● 板載GSM/GPRS傳輸模塊，方便用戶(hù)選擇GSM、GPRS組網(wǎng)方式；
● 提供用戶(hù)設(shè)置軟件，開(kāi)放式接口，方便與組態(tài)軟件及其它軟件連接；
● 工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，穩(wěn)定可靠，堅(jiān)固耐用；
2.2.3、GPRS無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)特點(diǎn)：
GPRS是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡(jiǎn)稱(chēng)， 是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的一種承載業(yè)務(wù)，目的是為 GSM 用戶(hù)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(hù)可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，同一無(wú)線(xiàn)信道又可以由多個(gè)用戶(hù)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(guó)移動(dòng)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(cè)行業(yè)的通信需求，完全取代過(guò)去傳統(tǒng)的有線(xiàn)、MODEM、X.25、數(shù)傳電臺(tái)、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(cè)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(tái)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(xiàn)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(cè)數(shù)據(jù)中心可以多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間快速，實(shí)時(shí)地進(jìn)行雙向通信，很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)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(mǎn)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(guó)范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容無(wú)限制，接入地點(diǎn)無(wú)限制，能滿(mǎn)足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。比較很多無(wú)線(xiàn)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(tái)，無(wú)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(yíng)成本低：
采用GPRS公網(wǎng)通信，全國(guó)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(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制：
通過(guò)GPRS雙向系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)關(guān)等控制功能，并可進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線(xiàn)升級(jí)。
2.2.10、系統(tǒng)的傳輸容量，擴(kuò)容性能好：
能滿(mǎn)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(mǎn)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(cè)中心可輕松支持幾千個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)基站通信即可,其整體功耗與一臺(tái)普通GSM手機(jī)相當(dāng),比傳統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)小得多。因此GPRS傳輸方式非常適合在野外使用太陽(yáng)能供電或蓄電池供電的場(chǎng)合下使用。
2.3、監(jiān)控中心:
服務(wù)器申請(qǐng)配置固定 IP 地址，采中國(guó)移動(dòng)公司提供的專(zhuān)線(xiàn)，與 GPRS 網(wǎng)絡(luò)相連。由于專(zhuān)線(xiàn)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(mǎn)足需求。
監(jiān)控中心服務(wù)器接收到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)終端傳來(lái)的連接申請(qǐng)先進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過(guò)后接受傳來(lái)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(cè)：測(cè)量各站點(diǎn)的狀態(tài)，通過(guò)監(jiān)視各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力，調(diào)控供水系統(tǒng)的水泵的開(kāi)關(guān)；測(cè)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(chǔ)系統(tǒng)各站點(diǎn)的工作狀態(tài)信息，并對(duì)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(cè)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(duì)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(kù)。整個(gè)系統(tǒng)以此數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)運(yùn)行。
3.7、自動(dòng)巡檢：中心控制室自動(dòng)巡檢多個(gè)站點(diǎn)及送水泵房工作情況。
3.8、手動(dòng)采集：可以人為手動(dòng)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(dòng)打印系統(tǒng)遙測(cè)、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(duì)多個(gè)管網(wǎng)測(cè)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(jí)：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì) GPRS RTU 遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程升級(jí)。
四、結(jié)論
本系統(tǒng)以自來(lái)水廠(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程為背景，提出了一套基于 PC 機(jī)的自動(dòng)供水計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案�，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試證明，該方案切實(shí)可行，既保證了水廠(chǎng)的不間斷生產(chǎn)又提高了水廠(chǎng)的管理水平。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間短，成本低，節(jié)能效益明顯。適用于全國(guó)各大城市供水調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目。
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