艾寶物聯供水生產遠程監控系統方案
發表時間：2019-04-08
1 概述
某供水公司承擔著某地區生產、生活用水的取水、處理、輸送、監測等工作，生產單元非常分散，尤其是大量的水源井、水源站、用戶和龐大的給水、供水管網分散在整個遼河油田的礦區和盤錦市區內。采用原始的人工抄表、人工巡檢的工作方式，導致數據監測、匯總和應急處理能力的嚴重滯后?；谏鲜鲈?，為提升供水公司生產運行調度指揮能力，保障設備、管網安全運行，提高工作效率等，根據客戶的需求研發了一套生產遠程實時監控系統。
2 遠程監控的對象和主要功能
監控對象是供水公司所屬水源井、水源站，集中監控的內容包括：
1）水源井監控：水源井口的出水壓力、溫度、瞬時流量、累積流量，電機設備的啟、停狀態、三相電壓、三相電流、功率等生產數值，電機設備的遠程啟停。
2）水源站監控：水源站出水壓力、溫度、瞬時流量、累積流量、儲水罐液位，電機設備的三相電壓、三相電流、功率等生產數值，電機設備的遠程啟停、設置電磁閥開度。
3）安防監控：在每個水源井、水源站內安裝紅外報警器、門禁報警器、箱禁報警器、斷電報警器，報警信息通過本系統上傳至監控中心。
供水遠程監控系統具有如下功能：
1)數據采集：對水源井、站的實時生產數據進行輪巡采集，采集間隔設成10秒。
2)數據處理：現場數據經由通信網絡送到網關軟件接收，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）采集軟件對接收到的數據進行顯示、存儲。根據生產要求將數據生成報表和曲線，SCADA采集軟件對數據進行數值判斷，超出設定閥值的數據進行報警處理。
3）用戶安全管理：監控系統設有三級用戶，第一級用戶擁有瀏覽和反控全部水源井、站數據的權限，第二級用戶擁有某一供水工區內的數據瀏覽和反控權限，第三級用戶僅擁有某一供水工區內的數據瀏覽權限。
3 遠程監控系統的工作原理
安裝在水源井現場的傳感器將各種物理信號轉換成數據采集單元（RTU）能夠識別的標準工業信號，由RTU將生產數據打包成Modbus協議，經DTU通過GPRS網絡將現場數據上傳到通信網關服務器。 為了提高采集效率，對聯合站水泵組的監控還要增加SCM-2管理器。SCM-2下端可以連接254臺以內的RTU，每臺RTU又可以單獨的采集各種生產數據，上端以RS485總線與DTU相連，實現通過一個SCM-2 設備管理底端多個RTU設備，減少逐一輪巡RTU而造成采集效率低下的問題?，F場安裝的流量計帶有HART協議輸出，使用HART-MODBUS協議轉換模塊將流量計采集到的瞬時流量、累積流量轉換成MODBUS協議，再由DTU將數據上傳到通信網關服務器，通信網關軟件將Modbus協議的數據解析成現場裸數據，并對這些裸數據進行處理、存儲和顯示。
系統監控原理圖見圖1。
3.2.1 硬件系統
1）在線儀表：壓力、溫度、液位傳感器負責將壓力、溫度、液位的物理信號轉換成標準的4~20ma的工業信號，門禁、紅外傳感器以開關量的形式輸出，電流互感器以5：100的變比將現場0~100A的電流轉換成0~5A的標準信號。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端口并聯在啟停按鈕上，實現遠程的電機啟停功能。
2）數據采集單元（RTU, Remote Terminal Unit）：負責采集傳感器送來的標準工業信號，再將這些信號以modbus協議打包成數據包。本監控系統采用的RTU分兩種類型，SC-112負責采集4~20ma的工業信號, 采集門禁、紅外傳感器的開關量的輸出信號，負責控制電磁閥開度的輸出信號。SC-101負責采集電機的電參量，控制電機的啟停。
3）數據傳輸單元（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協議數據在TCP／IP上承載，DTU模塊登錄上GSM網絡后，自動連接到數據監控中心，向數據監控中心報告其IP地址，并保持和維護鏈路的連接。監控中心通信主機上安裝通信網關軟件，數據監控中心擁有固定的公網IP地址。這樣，監控中心通信主機和DTU模塊之間就可以通過IP地址用TCP／IP協議進行雙向數據通信。
4）中心服務器單元：監控中心通信主機接收DTU上傳的現場數據，將Modbus協議的數據解析成現場裸數據，再由SCADA采集服務器對數據進行存儲、顯示、處理，WEB發布服務器提供監控終端的數據顯示和數據操作。
3.2.2 軟件系統
1)通信網關軟件：負責管理現場DTU設備，維護GPRS通信鏈路的穩定，遠程接收DTU透傳上來的生產數據，將這些數據通過虛擬串口轉發給SCADA服務器。
2）SCADA采集軟件：采用虛擬串口技術讀取通信網關軟件送來的實時數據，該軟件完成與遠程各GPRS采集點間的命令頒布、執行和接收諸事件，具有完全分布式C/S和B/S結構，可以方便靈活的組成分布式網絡結構，實現數據的顯示、曲線顯示、報表生成、數據打印、用戶管理、參數設置、軟件冗余，還可以模擬顯示電機的運行狀態、儲水罐液位，操作人員可以通過這些界面全面掌握系統運行情況，本系統的監控主界面如圖2所示，實時數據如圖3所示。（其他界面如曲線、報表略）
監控系統主畫面
水務工區實時數據
該軟件擁有開放式軟件接口，通過ActiveX控件能夠實現視頻監控（視頻與現場數據聯動）、GIS（Geographic Information System）等功能，ODBC Router插件能夠實現與Oracle、SQL Server2000、Sybase等關系型數據庫連接，將采集的數據轉存到關系型數據庫或從數據庫中讀取數據。
3）WEB發布軟件：負責對終端用戶的驗證與管理，以IE網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據。
4 系統組網方式
供水監控系統網絡由RS485工業總線，GPRS無線傳輸網絡，中心以太網絡三部分組成。組網框圖見圖4。
RS485工業總線為二線制傳輸，具有抗干擾強、傳輸距離遠特點，廣泛應用在工業控制領域。RS485處在通信網絡的的物理介質層和鏈路層，它負責承載各種協議數據，如modbus,hart,profibus等。本系統的RTU就是以RS485為接口載體，傳輸現場數據。
由于供水水源井、站分布廣泛，所以最經濟、穩定的通信方式就是采用GPRS網絡傳輸數據。GPRS是一種基于數據包的無線通信服務，按GSM標準定義的封包交換協議，可快速接入數據網絡。它在移動終端和網絡之間實現了“永遠在線”的連接，網絡容量只有在實際進行傳輸時才被占用。
GPRS供水遠程監控系統具備如下特點：
1、實時性強： 由于GPRS具有實時在線特性，系統無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個數據采集點的數據?？珊芎玫臐M足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
2、通過GPRS雙向系統還可實現對電機設備進行遠程控制，進行開關控制操作。
3、建設成本少低： 由于采用GPRS的無線公網平臺，只需安裝好設備，不需要為本系統進行專門布線，投資少、見效快，維護成本低；
4、監控范圍廣： GPRS覆蓋范圍廣，在無線GSM/GPRS網絡的覆蓋范圍之內，都可以完成對現場生產數據的采集和控制。擴容和接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。
5、系統的傳輸容量大： 監控數據中心要和每一個數據采集點保持實時連接。由于數據采集點數量眾多，系統要求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。
6、通信費用低：采用包月計費方式，運營成本低。
中心服務器網絡具有公網IP和私網IP，公網IP負責接收GPRS傳來的數據，經由防火墻將數據傳輸到私網IP服務器上，防火墻在這里主要實現網絡安全、數據過濾和地址轉換功能。地址轉換主要使用VIP NAT方式，見框圖5。
通信網關服務器、SCADA服務器、WEB服務器公用一個公網IP地址，防火墻ISG1000根據傳輸層端口號分別映射到指定服務器。通信網關服務器使用9000端口與現場DTU設備交換數據，WEB服務器使用80端口為客戶機提供WEB服務。
遠程監控系統投入使用以來，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、實時監控邊遠地區水壓、水量、電機狀態的問題。該監控系統邏輯合理正確,人機界面良好,運行可靠穩定,硬件擴展性強、操作方便,有良好的安全機制，確保了供水生產系統運行的穩定性和可靠性。該監控系統有效地起到以下幾方面的作用：① 及時、準確地反映供水流量、水壓、電機狀態，遠程采集系統各部分的實際運行情況，為合理實施調度操作提供了可靠的技術保證；②及時發現并消除事故隱患，有效避免重大事故(設備損毀、冒罐等)的發生，保證設備運行安全；③幫助管理人員對有關設備運行工況進行實時監測，并隨時調整其工作于經濟運行區，延長設備使用壽命，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，既可合理平衡管網壓力，又能降低電耗及漏耗。
