GPRS城市管网供水调度监控系统

　　一、前言 

　　由于城市供水地理位置分散，采集、控制功能要求稳定，安全性要求较高。一般采取人工抄表、电话报数、现场手动操作的原始调度方法。收集信息数量少、处理慢、传递迟，调度处于低级阶段，以保证不缺水和维持正常运行为主，谈不上优化调度。遇上爆漏及其他事故，反映迟钝损失扩大。 

　　GPRS城市供水调度监控系统可以对远程现场的运行设备进行监测和控制，以实现管网压力、水流量等的数据传送及阀门开关的自动控制，便于及时了解及控制远端生产运行情况，降低故障率，缩短检修时间，减少停水次数。各管网监测点的数据采集终端可自动采集管道压力、水流量等的实时数据，信息传输到自来水公司的监控中心，监控中心通过对传输回来的数据进行分析，可找到出故障的地点；当出现故障时，能在最短的时间内解决问题。 

　　目前，自来水供水调度监控系统中采用的数据通信可简单分为有线和无线两大类，其中有线通信主要包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、X.25、DDN、 ADSL等，而无线则包括超短波通信、扩频通信、卫星通信、GSM短信/GPRS通信等。 

　　在城市供水调度监控系统中，由于各管网监控点分布范围广、数量多、距离远，个别站点还地处偏僻，因此架设光缆（电缆）难度大、费用高，向电信部门租用专用电话线又要申请很多电话线，而且有些监控点线路难以到达，况且采用电话线路时需要等待漫长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高，不切合实际。总之，监控系统采用有线通信方式建设周期长、工作难度大、运行费用高，不便于大规模使用；与之相比，无线通信方式则显得非常灵活，它具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。 

　　在监控系统中，无线通信方式主要包括：超短波（230MHz）无线数传、扩频、卫星通信、GSM数字蜂窝通信系统等，其中卫星通信由于通信费用昂贵，只在一些特殊的领域下使用，未得以普及；而扩频通信技术虽然速率高，但只能在视距范围内传输，应用也受到限制。采用超短波数传电台作为传输信道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点，但由于系统工作于230MHz公共频段，且多采用普通间接调制的数传电台，这就造成系统易受外界干扰、通信速率低、误码率高、数据传送量不大、信号覆盖范围小等缺点。 

　　经过比较分析，我们选择中国移动的 GPRS 系统作为供水调度监控系统的数据通信平台。目前 GSM 网络经过电信部门的多年建设，覆盖范围不断扩大，已成为成熟、稳定、可靠的通信网络，特别是中国移动新推出的 GPRS 数据业务。GSM/GPRS 系统可提供广域的无线 IP 连接。在移动通信公司的 GPRS 业务平台上构建城市自来水管网供水调度监控系统，实现管网监控点的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。

　　二、系统结构 

　　为了满足对生产过程的调度和指挥，需要一个可靠的 SCADA 系统。它一般由企业生产调度指挥中心、管网测压点、抄表遥测等组成。它所具有的功能一般包括：数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析功能，报警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控功能，网络功能等。管网测点 SCADA 自动化控制系统，主要监测分散管网测点站点。该系统采用两级控制，一级为 SCADA 系统中心控制室,二级为管网测站点远程测控终端 GPRS RTU（远程测控终端）。中心控制室负责监视、管理和控制等工作。站点 GPRS RTU 负责多个管网测点站点的数据采集，无线传输、管网测点压力的自动控制。中心控制室对各个站点进行实时监控，它是系统的信息采集和控制中心。中心控制室采集各站点的数据信息，并对这些信息进行存储、分析汇总或打印等处理。通过数据分析，及时给出报警信息或向站点发出控制命令，控制站点设备的运行，以实现整个系统的调度和管理。 

　　GPRS RTU是 SCADA 系统的基本组成单元，负责整个系统的采集、控制和远程通信功能。对于具有分布式、集散型、网络化特点的企业，其 SCADA 系统的建立，离不开承上启下的 GPRS RTU 产品。城市供水综合自动化系统中的 SCADA 系统，必须具备并且非常重要的一个功能就是：实时、准确地监测遍布于全市的自来水管网的流量、压力等变化情况。应用于管网测压的 GPRS RTU 产品就是为此目的而设计的。由于管网测压工艺简单、无须控制、散布广泛，因此就要求此类 GPRS RTU 产品具有结构简单、性能可靠、价格便宜等特点。 

　　2.1、 管网监控点：
　　各监控点采用我公司带有模拟量、开关量采集功能的 YN4112 GPRS RTU。通过 GPRS 透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到 GPRS 网络。 

　　2.2、宇能 YN4112 GPRS RTU 产品介绍： 

　　2.2.1、基本原理：
　　无线测控终端内置：CPU模块、数据存储模块、控制模块、GPRS数据通信模块。可现场接入多路模拟量、开关量、干触点信号、继电器信号等数据，然后直接通过 GPRS 无线模块将现场数据与远程控制中心连接，将采集数据实时发送到远程数据库服务器，并存储到数据库中。通过该系统，即使在远离观测现场的异地，也能方便地对各种环境要素：如流量、压力等数据的采集读取，真正实现了远程监测和数据共享的功能。除数据远程采集、实时监控外，系统还可实现远程手机报警，并通过用户手机远程控制现场设备。 

　　2.2.2、功能特点： 

　　● 配备多种接口资源，包括模拟信号采集、开关量输入、输出、脉冲信号输入等；
　　● 支持一路RS232/RS485方式的用户数据接口，可接入PLC等各种设备；
　　● 采集传输控制一体化，提高了系统可靠性，降低了成本；
　　● 采用工业级超低功耗高性能的嵌入式处理器；
　　● 用户可以编程的量程转换和报警上下限设定；
　　● 内设工业时钟，精确计时；
　　● 自动定时上报和事件触发上报功能；
　　● 内置大容量FLASH存储器，数据自动记录，支持历史数据检索；
　　● 板载GSM/GPRS传输模块，方便用户选择GSM、GPRS组网方式；
　　● 提供用户设置软件，开放式接口，方便与组态软件及其它软件连接；
　　● 工业级设计，稳定可靠，坚固耐用； 

　　2.2.3、GPRS无线数据传输技术特点： 

　　GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称， 是在现有GSM系统上发展起来的一种承载业务，目的是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源，带宽最高可达 171.2Kb/s。目前中国移动的 GPRS 覆盖范围在中心城市几乎达到了100%，在边远地区也达到了80%以上，实际应用带宽大约在 20-40Kb/s，特别适合远程监测行业的通信需求，完全取代过去传统的有线、MODEM、X.25、数传电台、短信等通信方式。 

　　2.2.4、可靠性高： 

　　与 SMS 短信息方式相比，YN4112 GPRS RTU 采用面向连接的 MODBUS 协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证数据可靠传输。中心可以与多个监测点同时进行数据传输，互不干扰。GPRS 网络本身具备完善的频分复用机制，并具备极强的抗干扰性能，完全避免了传统数传电台的多机频段“碰撞”现象。 

　　2.2.5、实时性强： 

　　GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小，并支持多点同时传输，因此 GPRS 监测数据中心可以多个监测点之间快速，实时地进行双向通信，很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。目前GPRS实际数据传输速率在30Kbps 左右，完全能满足系统数据传输速率（≥10Kbps）的需求。 

　　2.2.6、监控范围广： 

　　GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。比较很多无线数据网络（集群，双向传呼，CDPD，CDMA）而言，其网络覆盖是最好的。 

　　2.2.7、系统建设成本低： 

　　由于采用 GPRS 公网平台，无需建设网络，只需安装设备就即可，建设成本低；也免去了网络维护费用。 

　　2.2.8、系统运营成本低： 

　　采用GPRS公网通信，全国范围内均按统一费率计费，省去昂贵的漫游费用, GPRS网络可按实际通信数据流量计费，(1分-3分/1K字节)，也可以按包月不限流量收费，从而实现了系统的低成本通信。 

　　2.2.9、可对各监测点仪器设备进行远程控制： 

　　通过GPRS双向系统还可实现对仪器设备进行反向控制，如：时间校正、状态报告、开关等控制功能，并可进行系统远程在线升级。 

　　2.2.10、系统的传输容量，扩容性能好： 

　　能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要；由于系统采用成熟的 MODBUS 通信架构，具备良好的扩展性能，一个监测中心可轻松支持几千个现场采集点的通信接入。 

　　2.2.11、GPRS传输功耗小，适合野外供电环境： 

　　虽然与远在千里的数据中心进行双向通信，GPRS数传设备在工作时却只需与附近的移动基站通信即可,其整体功耗与一台普通GSM手机相当,比传统数传电台小得多。因此GPRS传输方式非常适合在野外使用太阳能供电或蓄电池供电的场合下使用。 

　　2.3、监控中心: 

　　服务器申请配置固定 IP 地址，采中国移动公司提供的专线，与 GPRS 网络相连。由于专线可提供较高的带宽，当管网监控点数量增加，中心不用扩容即可满足需求。
　　监控中心服务器接收到 GPRS 网络终端传来的连接申请先进行认证，认证通过后接受传来的数据并进行处理。 

　　三、系统功能 

　　3.1、中心控制室负责整个系统地控制监控。配有电脑服务器、打印机等。
　　3.2、遥控遥测：测量各站点的状态，通过监视各个测压点的压力，调控供水系统的水泵的开关；测量、控制可人为干预进行，也可根据设定进行。
　　3.3、数据处理：可存储系统各站点的工作状态信息，并对信息进行统计处理产生各种报表输出。
　　3.4、网络连接：系统应用标准 MODBUS 协议，可以方便的联入其他计算机系统。
　　3.5、报警指示：监测数据量有上、下限报警指示功能。
　　3.6、系统参数输入及组态：输入系统参数，如巡检周期、控制参数、报警限、计算公式、系统时间等，并对这些参数进行组态，以形成完整的系统操作、控制、统计、显示、打印参数数据库。整个系统以此数据库为基础运行。
　　3.7、自动巡检：中心控制室自动巡检多个站点及送水泵房工作情况。
　　3.8、手动采集：可以人为手动巡检多个站点，得到监控数据。
　　3.9、历史数据打印：根据系统设定参数，自动打印系统遥测、遥控等运行状态数据。
　　3.10、供水数据统计：能实现对多个管网测点的压力，生成报表。远程诊断、远程维护。
　　3.11、远程升级：通过网络，可以对 GPRS RTU 远程诊断、远程维护、远程升级。 

　　四、结论 

　　本系统以自来水厂的生产过程为背景，提出了一套基于 PC 机的自动供水计算机监控系统设计方案。现场调试证明，该方案切实可行，既保证了水厂的不间断生产又提高了水厂的管理水平。系统的开发时间短，成本低，节能效益明显。适用于全国各大城市供水调度系统建设项目。