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GPRS城市管網供水調度監控系統
一、前言
由于城市供水地理位置分散，采集、控制功能要求穩定，安全性要求較高。一般采取人工抄表、電話報數、現場手動操作的原始調度方法。收集信息數量少、處理慢、傳遞遲，調度處于低級階段，以保證不缺水和維持正常運行為主，談不上優化調度。遇上爆漏及其他事故，反映遲鈍損失擴大。
GPRS城市供水調度監控系統可以對遠程現場的運行設備進行監測和控制，以實現管網壓力、水流量等的數據傳送及閥門開關的自動控制，便于及時了解及控制遠端生產運行情況，降低故障率，縮短檢修時間，減少停水次數。各管網監測點的數據采集終端可自動采集管道壓力、水流量等的實時數據，信息傳輸到自來水公司的監控中心，監控中心通過對傳輸回來的數據進行分析，可找到出故障的地點；當出現故障時，能在最短的時間內解決問題。
目前，自來水供水調度監控系統中采用的數據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、擴頻通信、衛星通信、GSM短信/GPRS通信等。
在城市供水調度監控系統中，由于各管網監控點分布范圍廣、數量多、距離遠，個別站點還地處偏僻，因此架設光纜（電纜）難度大、費用高，向電信部門租用專用電話線又要申請很多電話線，而且有些監控點線路難以到達，況且采用電話線路時需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運營成本較高，不切合實際。總之，監控系統采用有線通信方式建設周期長、工作難度大、運行費用高，不便于大規模使用；與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，它具有投資較少、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優點。
在監控系統中，無線通信方式主要包括：超短波（230MHz）無線數傳、擴頻、衛星通信、GSM數字蜂窩通信系統等，其中衛星通信由于通信費用昂貴，只在一些特殊的領域下使用，未得以普及；而擴頻通信技術雖然速率高，但只能在視距范圍內傳輸，應用也受到限制。采用超短波數傳電臺作為傳輸信道具有組網靈活、擴展容易、維修方便、運行費用低等優點，但由于系統工作于230MHz公共頻段，且多采用普通間接調制的數傳電臺，這就造成系統易受外界干擾、通信速率低、誤碼率高、數據傳送量不大、信號覆蓋范圍小等缺點。
經過比較分析，我們選擇中國移動的 GPRS 系統作為供水調度監控系統的數據通信平臺。目前 GSM 網絡經過電信部門的多年建設，覆蓋范圍不斷擴大，已成為成熟、穩定、可靠的通信網絡，特別是中國移動新推出的 GPRS 數據業務。GSM/GPRS 系統可提供廣域的無線 IP 連接。在移動通信公司的 GPRS 業務平臺上構建城市自來水管網供水調度監控系統，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。
二、系統結構
為了滿足對生產過程的調度和指揮，需要一個可靠的 SCADA 系統。它一般由企業生產調度指揮中心、管網測壓點、抄表遙測等組成。它所具有的功能一般包括：數據采集控制功能，數據傳輸功能，數據顯示及分析功能，報警功能，歷史數據的存儲、檢索、查詢功能，報表顯示及打印功能，遙控功能，網絡功能等。管網測點 SCADA 自動化控制系統，主要監測分散管網測點站點。該系統采用兩級控制，一級為 SCADA 系統中心控制室,二級為管網測站點遠程測控終端 GPRS RTU（遠程測控終端）。中心控制室負責監視、管理和控制等工作。站點 GPRS RTU 負責多個管網測點站點的數據采集，無線傳輸、管網測點壓力的自動控制。中心控制室對各個站點進行實時監控，它是系統的信息采集和控制中心。中心控制室采集各站點的數據信息，并對這些信息進行存儲、分析匯總或打印等處理。通過數據分析，及時給出報警信息或向站點發出控制命令，控制站點設備的運行，以實現整個系統的調度和管理。
GPRS RTU是 SCADA 系統的基本組成單元，負責整個系統的采集、控制和遠程通信功能。對于具有分布式、集散型、網絡化特點的企業，其 SCADA 系統的建立，離不開承上啟下的 GPRS RTU 產品。城市供水綜合自動化系統中的 SCADA 系統，必須具備并且非常重要的一個功能就是：實時、準確地監測遍布于全市的自來水管網的流量、壓力等變化情況。應用于管網測壓的 GPRS RTU 產品就是為此目的而設計的。由于管網測壓工藝簡單、無須控制、散布廣泛，因此就要求此類 GPRS RTU 產品具有結構簡單、性能可靠、價格便宜等特點。
2.1、 管網監控點：
各監控點采用我公司帶有模擬量、開關量采集功能的 YN4112 GPRS RTU。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。
2.2、宇能 YN4112 GPRS RTU 產品介紹：
2.2.1、基本原理：
無線測控終端內置：CPU模塊、數據存儲模塊、控制模塊、GPRS數據通信模塊。可現場接入多路模擬量、開關量、干觸點信號、繼電器信號等數據，然后直接通過 GPRS 無線模塊將現場數據與遠程控制中心連接，將采集數據實時發送到遠程數據庫服務器，并存儲到數據庫中。通過該系統，即使在遠離觀測現場的異地，也能方便地對各種環境要素：如流量、壓力等數據的采集讀取，真正實現了遠程監測和數據共享的功能。除數據遠程采集、實時監控外，系統還可實現遠程手機報警，并通過用戶手機遠程控制現場設備。
2.2.2、功能特點：
● 配備多種接口資源，包括模擬信號采集、開關量輸入、輸出、脈沖信號輸入等；
● 支持一路RS232/RS485方式的用戶數據接口，可接入PLC等各種設備；
● 采集傳輸控制一體化，提高了系統可靠性，降低了成本；
● 采用工業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換和報警上下限設定；
● 內設工業時鐘，精確計時；
● 自動定時上報和事件觸發上報功能；
● 內置大容量FLASH存儲器，數據自動記錄，支持歷史數據檢索；
● 板載GSM/GPRS傳輸模塊，方便用戶選擇GSM、GPRS組網方式；
● 提供用戶設置軟件，開放式接口，方便與組態軟件及其它軟件連接；
● 工業級設計，穩定可靠，堅固耐用；
2.2.3、GPRS無線數據傳輸技術特點：
GPRS是通用分組無線業務(General Packet Radio Service)的英文簡稱， 是在現有GSM系統上發展起來的一種承載業務，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數據業務。GPRS拋棄了傳統的獨占電路交換模式，采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，有效地利用了信道資源，帶寬最高可達 171.2Kb/s。目前中國移動的 GPRS 覆蓋范圍在中心城市幾乎達到了100%，在邊遠地區也達到了80%以上，實際應用帶寬大約在 20-40Kb/s，特別適合遠程監測行業的通信需求，完全取代過去傳統的有線、MODEM、X.25、數傳電臺、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 協議通信，避免了數據包丟失的現象，保證數據可靠傳輸。中心可以與多個監測點同時進行數據傳輸，互不干擾。GPRS 網絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統數傳電臺的多機頻段“碰撞”現象。
2.2.5、實時性強：
GPRS具有實時在線的特性，數據傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此 GPRS 監測數據中心可以多個監測點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數據傳輸速率在30Kbps 左右，完全能滿足系統數據傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
2.2.6、監控范圍廣：
GPRS網絡已經實現全國范圍內覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。比較很多無線數據網絡（集群，雙向傳呼，CDPD，CDMA）而言，其網絡覆蓋是最好的。
2.2.7、系統建設成本低：
由于采用 GPRS 公網平臺，無需建設網絡，只需安裝設備就即可，建設成本低；也免去了網絡維護費用。
2.2.8、系統運營成本低：
采用GPRS公網通信，全國范圍內均按統一費率計費，省去昂貴的漫游費用, GPRS網絡可按實際通信數據流量計費，(1分-3分/1K字節)，也可以按包月不限流量收費，從而實現了系統的低成本通信。
2.2.9、可對各監測點儀器設備進行遠程控制：
通過GPRS雙向系統還可實現對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態報告、開關等控制功能，并可進行系統遠程在線升級。
2.2.10、系統的傳輸容量，擴容性能好：
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；由于系統采用成熟的 MODBUS 通信架構，具備良好的擴展性能，一個監測中心可輕松支持幾千個現場采集點的通信接入。
2.2.11、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環境：
雖然與遠在千里的數據中心進行雙向通信，GPRS數傳設備在工作時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手機相當,比傳統數傳電臺小得多。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、監控中心:
服務器申請配置固定 IP 地址，采中國移動公司提供的專線，與 GPRS 網絡相連。由于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。
監控中心服務器接收到 GPRS 網絡終端傳來的連接申請先進行認證，認證通過后接受傳來的數據并進行處理。
三、系統功能
3.1、中心控制室負責整個系統地控制監控。配有電腦服務器、打印機等。
3.2、遙控遙測：測量各站點的狀態，通過監視各個測壓點的壓力，調控供水系統的水泵的開關；測量、控制可人為干預進行，也可根據設定進行。
3.3、數據處理：可存儲系統各站點的工作狀態信息，并對信息進行統計處理產生各種報表輸出。
3.4、網絡連接：系統應用標準 MODBUS 協議，可以方便的聯入其他計算機系統。
3.5、報警指示：監測數據量有上、下限報警指示功能。
3.6、系統參數輸入及組態：輸入系統參數，如巡檢周期、控制參數、報警限、計算公式、系統時間等，并對這些參數進行組態，以形成完整的系統操作、控制、統計、顯示、打印參數數據庫。整個系統以此數據庫為基礎運行。
3.7、自動巡檢：中心控制室自動巡檢多個站點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站點，得到監控數據。
3.9、歷史數據打印：根據系統設定參數，自動打印系統遙測、遙控等運行狀態數據。
3.10、供水數據統計：能實現對多個管網測點的壓力，生成報表。遠程診斷、遠程維護。
3.11、遠程升級：通過網絡，可以對 GPRS RTU 遠程診斷、遠程維護、遠程升級。
四、結論
本系統以自來水廠的生產過程為背景，提出了一套基于 PC 機的自動供水計算機監控系統設計方案。現場調試證明，該方案切實可行，既保證了水廠的不間斷生產又提高了水廠的管理水平。系統的開發時間短，成本低，節能效益明顯。適用于全國各大城市供水調度系統建設項目。
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