- 艾寶物聯(lián)IOBOV? ─ 工業(yè)無線測控專家
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、用戶和龐大的給水、供水管網(wǎng)分散在整個遼河油田的礦區(qū)和盤錦市區(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、匯總和應(yīng)急處理能力的嚴(yán)重滯后?；谏鲜鲈颍瑸樘嵘┧旧a(chǎn)運行調(diào)度指揮能力，保障設(shè)備、管網(wǎng)安全運行，提高工作效率等，根據(jù)客戶的需求研發(fā)了一套生產(chǎn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)。
2 遠(yuǎn)程監(jiān)控的對象和主要功能
監(jiān)控對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、瞬時流量、累積流量，電機設(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、瞬時流量、累積流量、儲水罐液位，電機設(shè)備的三相電壓、三相電流、功率等生產(chǎn)數(shù)值，電機設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停、設(shè)置電磁閥開度。
3）安防監(jiān)控：在每個水源井、水源站內(nèi)安裝紅外報警器、門禁報警器、箱禁報警器、斷電報警器，報警信息通過本系統(tǒng)上傳至監(jiān)控中心。
供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有如下功能：
1)數(shù)據(jù)采集：對水源井、站的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行輪巡采集，采集間隔設(shè)成10秒。
2)數(shù)據(jù)處理：現(xiàn)場數(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）采集軟件對接收到的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲。根據(jù)生產(chǎn)要求將數(shù)據(jù)生成報表和曲線，SCADA采集軟件對數(shù)據(jù)進行數(shù)值判斷，超出設(shè)定閥值的數(shù)據(jù)進行報警處理。
3）用戶安全管理：監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有三級用戶，第一級用戶擁有瀏覽和反控全部水源井、站數(shù)據(jù)的權(quán)限，第二級用戶擁有某一供水工區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)瀏覽和反控權(quán)限，第三級用戶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
安裝在水源井現(xiàn)場的傳感器將各種物理信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集單元（RTU）能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號，由RTU將生產(chǎn)數(shù)據(jù)打包成Modbus協(xié)議，經(jīng)DTU通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場數(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臺以內(nèi)的RTU，每臺RTU又可以單獨的采集各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，上端以RS485總線與DTU相連，實現(xiàn)通過一個SCM-2 設(shè)備管理底端多個RTU設(shè)備，減少逐一輪巡RTU而造成采集效率低下的問題?，F(xiàn)場安裝的流量計帶有HART協(xié)議輸出，使用HART-MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將流量計采集到的瞬時流量、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)場裸數(shù)據(jù)，并對這些裸數(shù)據(jù)進行處理、存儲和顯示。
系統(tǒng)監(jiān)控原理圖見圖1。
3.2.1 硬件系統(tǒng)
1）在線儀表：壓力、溫度、液位傳感器負(fù)責(zé)將壓力、溫度、液位的物理信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20ma的工業(yè)信號，門禁、紅外傳感器以開關(guān)量的形式輸出，電流互感器以5：100的變比將現(xiàn)場0~100A的電流轉(zhuǎn)換成0~5A的標(biāo)準(zhǔn)信號。這些信號再以二線制的形式連接到RTU的AI、DI、Ix、Ux端口,RTU的DO端口并聯(lián)在啟停按鈕上，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的電機啟停功能。
2）數(shù)據(jù)采集單元（RTU, Remote Terminal Unit）：負(fù)責(zé)采集傳感器送來的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號，再將這些信號以modbus協(xié)議打包成數(shù)據(jù)包。本監(jiān)控系統(tǒng)采用的RTU分兩種類型，SC-112負(fù)責(zé)采集4~20ma的工業(yè)信號, 采集門禁、紅外傳感器的開關(guān)量的輸出信號，負(fù)責(zé)控制電磁閥開度的輸出信號。SC-101負(fù)責(zé)采集電機的電參量，控制電機的啟停。
3）數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU, Data Terminal unit）：RTU和流量計與DTU模塊通過RS485總線連接，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，自動連接到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，向數(shù)據(jù)監(jiān)控中心報告其IP地址，并保持和維護鏈路的連接。監(jiān)控中心通信主機上安裝通信網(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)控中心通信主機和DTU模塊之間就可以通過IP地址用TCP／IP協(xié)議進行雙向數(shù)據(jù)通信。
4）中心服務(wù)器單元：監(jiān)控中心通信主機接收DTU上傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)解析成現(xiàn)場裸數(shù)據(jù)，再由SCADA采集服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行存儲、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DTU設(shè)備，維護GPRS通信鏈路的穩(wěn)定，遠(yuǎn)程接收DTU透傳上來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過虛擬串口轉(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)軟件送來的實時數(shù)據(jù)，該軟件完成與遠(yuǎn)程各GPRS采集點間的命令頒布、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)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、曲線顯示、報表生成、數(shù)據(jù)打印、用戶管理、參數(shù)設(shè)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，操作人員可以通過這些界面全面掌握系統(tǒng)運行情況，本系統(tǒng)的監(jiān)控主界面如圖2所示，實時數(shù)據(jù)如圖3所示。（其他界面如曲線、報表略）
監(jiān)控系統(tǒng)主畫面
水務(wù)工區(qū)實時數(shù)據(jù)
該軟件擁有開放式軟件接口，通過ActiveX控件能夠?qū)崿F(xiàn)視頻監(jiān)控（視頻與現(xiàn)場數(shù)據(jù)聯(lián)動）、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)庫連接，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)。
3）WEB發(fā)布軟件：負(fù)責(zé)對終端用戶的驗證與管理，以IE網(wǎng)頁形式提供給終端用戶使用，最大支持256用戶的同時在線瀏覽數(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，GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，中心以太網(wǎng)絡(luò)三部分組成。組網(wǎng)框圖見圖4。
RS485工業(yè)總線為二線制傳輸，具有抗干擾強、傳輸距離遠(yuǎn)特點，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)場數(shù)據(jù)。
由于供水水源井、站分布廣泛，所以最經(jīng)濟、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)包的無線通信服務(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)。它在移動終端和網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)了“永遠(yuǎn)在線”的連接，網(wǎng)絡(luò)容量只有在實際進行傳輸時才被占用。
GPRS供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點：
1、實時性強： 由于GPRS具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)。可很好的滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。
2、通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對電機設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制，進行開關(guān)控制操作。
3、建設(shè)成本少低： 由于采用GPRS的無線公網(wǎng)平臺，只需安裝好設(shè)備，不需要為本系統(tǒng)進行專門布線，投資少、見效快，維護成本低；
4、監(jiān)控范圍廣： GPRS覆蓋范圍廣，在無線GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi)，都可以完成對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和控制。擴容和接入地點無限制，能滿足山區(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)控數(shù)據(jù)中心要和每一個數(shù)據(jù)采集點保持實時連接。由于數(shù)據(jù)采集點數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而GPRS技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。
6、通信費用低：采用包月計費方式，運營成本低。
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現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)過濾和地址轉(zhuǎn)換功能。地址轉(zhuǎn)換主要使用VIP NAT方式，見框圖5。
通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、SCADA服務(wù)器、WEB服務(wù)器公用一個公網(wǎng)IP地址，防火墻ISG1000根據(jù)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(xiàn)場DTU設(shè)備交換數(shù)據(jù)，WEB服務(wù)器使用80端口為客戶機提供WEB服務(wù)。
遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)投入使用以來，實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、實時監(jiān)控邊遠(yuǎn)地區(qū)水壓、水量、電機狀態(tài)的問題。該監(jiān)控系統(tǒng)邏輯合理正確,人機界面良好,運行可靠穩(wěn)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(tǒng)運行的穩(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、準(zhǔn)確地反映供水流量、水壓、電機狀態(tài)，遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)各部分的實際運行情況，為合理實施調(diào)度操作提供了可靠的技術(shù)保證；②及時發(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)備運行安全；③幫助管理人員對有關(guān)設(shè)備運行工況進行實時監(jiān)測，并隨時調(diào)整其工作于經(jīng)濟運行區(qū)，延長設(shè)備使用壽命，提高其運行效率，降低運行成本。在滿足供水水壓的前提下，綜合考慮各采集點的情況，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。