1 概述

某供水公司承擔(dān)著某地區(qū)生產(chǎn)、生活用水的取水、處理、輸送、監(jiān)測(cè)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(qū)和盤(pán)錦市區(qū)內(nèi)。采用原始的人工抄表、人工巡檢的工作方式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、匯總和應(yīng)急處理能力的嚴(yán)重滯后。基于上述原因，為提升供水公司生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度指揮能力，保障設(shè)備、管網(wǎng)安全運(yùn)行，提高工作效率等，根據(jù)客戶(hù)的需求研發(fā)了一套生產(chǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控的對(duì)象和主要功能

2.1 供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象

 

監(jiān)控對(duì)象是供水公司所屬水源井、水源站，集中監(jiān)控的內(nèi)容包括：

1）水源井監(jiān)控：水源井口的出水壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累積流量，電機(jī)設(shè)備的啟、停狀態(tài)、三相電壓、三相電流、功率等生產(chǎn)數(shù)值，電機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停。

 

2）水源站監(jiān)控：水源站出水壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累積流量、儲(chǔ)水罐液位，電機(jī)設(shè)備的三相電壓、三相電流、功率等生產(chǎn)數(shù)值，電機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停、設(shè)置電磁閥開(kāi)度。

 

3）安防監(jiān)控：在每個(gè)水源井、水源站內(nèi)安裝紅外報(bào)警器、門(mén)禁報(bào)警器、箱禁報(bào)警器、斷電報(bào)警器，報(bào)警信息通過(guò)本系統(tǒng)上傳至監(jiān)控中心。

2.2 供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

 

供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有如下功能：

1)數(shù)據(jù)采集：對(duì)水源井、站的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行輪巡采集，采集間隔設(shè)成10秒。

 

2)數(shù)據(jù)處理：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)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(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。根據(jù)生產(chǎn)要求將數(shù)據(jù)生成報(bào)表和曲線(xiàn)，SCADA采集軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值判斷，超出設(shè)定閥值的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理。

 

3）用戶(hù)安全管理：監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有三級(jí)用戶(hù)，第一級(jí)用戶(hù)擁有瀏覽和反控全部水源井、站數(shù)據(jù)的權(quán)限，第二級(jí)用戶(hù)擁有某一供水工區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)瀏覽和反控權(quán)限，第三級(jí)用戶(hù)僅擁有某一供水工區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)瀏覽權(quán)限。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

3.1 系統(tǒng)工作原理

 

安裝在水源井現(xiàn)場(chǎng)的傳感器將各種物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集單元（RTU）能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)，由RTU將生產(chǎn)數(shù)據(jù)打包成Modbus協(xié)議，經(jīng)DTU通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳到通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。 為了提高采集效率，對(duì)聯(lián)合站水泵組的監(jiān)控還要增加SCM-2管理器。SCM-2下端可以連接254臺(tái)以?xún)?nèi)的RTU，每臺(tái)RTU又可以單獨(dú)的采集各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，上端以RS485總線(xiàn)與DTU相連，實(shí)現(xiàn)通過(guò)一個(gè)SCM-2 設(shè)備管理底端多個(gè)RTU設(shè)備，減少逐一輪巡RTU而造成采集效率低下的問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的流量計(jì)帶有HART協(xié)議輸出，使用HART-MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將流量計(jì)采集到的瞬時(shí)流量、累積流量轉(zhuǎn)換成MODBUS協(xié)議，再由DTU將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)解析成現(xiàn)場(chǎng)裸數(shù)據(jù)，并對(duì)這些裸數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和顯示。

 

系統(tǒng)監(jiān)控原理圖見(jiàn)圖1。

 

 

3.2 系統(tǒng)軟硬件選擇及功能

 

3.2.1 硬件系統(tǒng)

1）在線(xiàn)儀表：壓力、溫度、液位傳感器負(fù)責(zé)將壓力、溫度、液位的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20ma的工業(yè)信號(hào)，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(xiàn)場(chǎng)0~100A的電流轉(zhuǎn)換成0~5A的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。這些信號(hào)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(xiàn)遠(yuǎn)程的電機(jī)啟停功能。

 

2）數(shù)據(jù)采集單元（RTU, Remote Terminal Unit）：負(fù)責(zé)采集傳感器送來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號(hào)，再將這些信號(hào)以modbus協(xié)議打包成數(shù)據(jù)包。本監(jiān)控系統(tǒng)采用的RTU分兩種類(lèi)型，SC-112負(fù)責(zé)采集4~20ma的工業(yè)信號(hào), 采集門(mén)禁、紅外傳感器的開(kāi)關(guān)量的輸出信號(hào)，負(fù)責(zé)控制電磁閥開(kāi)度的輸出信號(hào)。SC-101負(fù)責(zé)采集電機(jī)的電參量，控制電機(jī)的啟停。

 

3）數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU, Data Terminal unit）：RTU和流量計(jì)與DTU模塊通過(guò)RS485總線(xiàn)連接，DTU模塊將MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)監(jiān)控中心，向數(shù)據(jù)監(jiān)控中心報(bào)告其IP地址，并保持和維護(hù)鏈路的連接。監(jiān)控中心通信主機(jī)上安裝通信網(wǎng)關(guān)軟件，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心擁有固定的公網(wǎng)IP地址。這樣，監(jiān)控中心通信主機(jī)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(shù)據(jù)通信。

 

4）中心服務(wù)器單元：監(jiān)控中心通信主機(jī)接收DTU上傳的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，將Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)解析成現(xiàn)場(chǎng)裸數(shù)據(jù)，再由SCADA采集服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、處理，WEB發(fā)布服務(wù)器提供監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)操作。

 

3.2.2 軟件系統(tǒng)

1)通信網(wǎng)關(guān)軟件：負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場(chǎng)DTU設(shè)備，維護(hù)GPRS通信鏈路的穩(wěn)定，遠(yuǎn)程接收DTU透?jìng)魃蟻?lái)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬串口轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，該軟件完成與遠(yuǎn)程各GPRS采集點(diǎn)間的命令頒布、執(zhí)行和接收諸事件，具有完全分布式C/S和B/S結(jié)構(gòu)，可以方便靈活的組成分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、曲線(xiàn)顯示、報(bào)表生成、數(shù)據(jù)打印、用戶(hù)管理、參數(shù)設(shè)置、軟件冗余，還可以模擬顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、儲(chǔ)水罐液位，操作人員可以通過(guò)這些界面全面掌握系統(tǒng)運(yùn)行情況，本系統(tǒng)的監(jiān)控主界面如圖2所示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖3所示。（其他界面如曲線(xiàn)、報(bào)表略）

監(jiān)控系統(tǒng)主畫(huà)面

水務(wù)工區(qū)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

該軟件擁有開(kāi)放式軟件接口，通過(guò)ActiveX控件能夠?qū)崿F(xiàn)視頻監(jiān)控（視頻與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)）、GIS（Geographic Information System）等功能，ODBC Router插件能夠?qū)崿F(xiàn)與Oracle、SQL Server2000、Sybase等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)連接，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)或從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)。

 

3）WEB發(fā)布軟件：負(fù)責(zé)對(duì)終端用戶(hù)的驗(yàn)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(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

供水監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)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(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)特點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(fù)責(zé)承載各種協(xié)議數(shù)據(jù)，如modbus,hart,profibus等。本系統(tǒng)的RTU就是以RS485為接口載體，傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

4.2 GPRS無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

 

由于供水水源井、站分布廣泛，所以最經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的通信方式就是采用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。GPRS是一種基于數(shù)據(jù)包的無(wú)線(xiàn)通信服務(wù)，按GSM標(biāo)準(zhǔn)定義的封包交換協(xié)議，可快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。它在移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了“永遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

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

 

2、通過(guò)GPRS雙向系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制操作。

 

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

 

4、監(jiān)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(nèi)，都可以完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和控制。擴(kuò)容和接入地點(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。

 

5、系統(tǒng)的傳輸容量大： 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心要和每一個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)保持實(shí)時(shí)連接。由于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿(mǎn)足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而GPRS技術(shù)能很好地滿(mǎn)足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。

 

6、通信費(fèi)用低：采用包月計(jì)費(fèi)方式，運(yùn)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(fù)責(zé)接收GPRS傳來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)由防火墻將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿骄W(wǎng)IP服務(wù)器上，防火墻在這里主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)過(guò)濾和地址轉(zhuǎn)換功能。地址轉(zhuǎn)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(jù)傳輸層端口號(hào)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(xiàn)場(chǎng)DTU設(shè)備交換數(shù)據(jù)，WEB服務(wù)器使用80端口為客戶(hù)機(jī)提供WEB服務(wù)。

5結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)投入使用以來(lái)，實(shí)踐證明其使用效果是顯著的，它克服了因水源井、站覆蓋面廣而難以全面、實(shí)時(shí)監(jiān)控邊遠(yuǎn)地區(qū)水壓、水量、電機(jī)狀態(tài)的問(wèn)題。該監(jiān)控系統(tǒng)邏輯合理正確,人機(jī)界面良好,運(yùn)行可靠穩(wěn)定,硬件擴(kuò)展性強(qiáng)、操作方便,有良好的安全機(jī)制，確保了供水生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。該監(jiān)控系統(tǒng)有效地起到以下幾方面的作用：① 及時(shí)、準(zhǔn)確地反映供水流量、水壓、電機(jī)狀態(tài)，遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)各部分的實(shí)際運(yùn)行情況，為合理實(shí)施調(diào)度操作提供了可靠的技術(shù)保證；②及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除事故隱患，有效避免重大事故(設(shè)備損毀、冒罐等)的發(fā)生，保證設(shè)備運(yùn)行安全；③幫助管理人員對(duì)有關(guān)設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并隨時(shí)調(diào)整其工作于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高其運(yùn)行效率，降低運(yùn)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。