供水生产远程监控系统的设计与实现

1 概述

　　辽河油田供水公司承担着辽河油田生产、生活用水的取水、处理、输送、监测等工作，生产单元非常分散，尤其是大量的水源井、水源站、用户和庞大的给水、供水管网分散在整个辽河油田的矿区和盘锦市区内。采用原始的人工抄表、人工巡检的工作方式，导致数据监测、汇总和应急处理能力的严重滞后。基于上述原因，为提升供水公司生产运行调度指挥能力，保障设备、管网安全运行，提高工作效率等，根据客户的需求研发了一套生产远程实时监控系统。

2 远程监控系统的监控对象和主要功能

2.1 供水远程监控系统的监控对象

　　监控对象是供水公司所属水源井、水源站，集中监控的内容包括：

　　1）水源井监控：水源井口的出水压力、温度、瞬时流量、累积流量，电机设备的启、停状态、三相电压、三相电流、功率等生产数值，电机设备的远程启停。
　　2）水源站监控：水源站出水压力、温度、瞬时流量、累积流量、储水罐液位，电机设备的三相电压、三相电流、功率等生产数值，电机设备的远程启停、设置电磁阀开度。
　　3）安防监控：在每个水源井、水源站内安装红外报警器、门禁报警器、箱禁报警器、断电报警器，报警信息通过本系统上传至监控中心。

2.2 供水远程监控系统的主要功能

供水远程监控系统具有如下功能：

　　1)数据采集：对水源井、站的实时生产数据进行轮巡采集，采集间隔设成10秒。
　　2)数据处理：现场数据经由通信网络送到网关软件接收，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）采集软件对接收到的数据进行显示、存储。根据生产要求将数据生成报表和曲线，SCADA采集软件对数据进行数值判断，超出设定阀值的数据进行报警处理。
　　3）用户安全管理：监控系统设有三级用户，第一级用户拥有浏览和反控全部水源井、站数据的权限，第二级用户拥有某一供水工区内的数据浏览和反控权限，第三级用户仅拥有某一供水工区内的数据浏览权限。

3 远程监控系统的工作原理

3.1 系统工作原理

　　安装在水源井现场的传感器将各种物理信号转换成数据采集单元（RTU）能够识别的标准工业信号，由RTU将生产数据打包成Modbus协议，经DTU通过GPRS网络将现场数据上传到通信网关服务器。 为了提高采集效率，对联合站水泵组的监控还要增加SCM-2管理器。SCM-2下端可以连接254台以内的RTU，每台RTU又可以单独的采集各种生产数据，上端以RS485总线与DTU相连，实现通过一个SCM-2 设备管理底端多个RTU设备，减少逐一轮巡RTU而造成采集效率低下的问题。现场安装的流量计带有HART协议输出，使用HART-MODBUS协议转换模块将流量计采集到的瞬时流量、累积流量转换成MODBUS协议，再由DTU将数据上传到通信网关服务器，通信网关软件将Modbus协议的数据解析成现场裸数据，并对这些裸数据进行处理、存储和显示。

系统监控原理图见图1。

3.2 系统软硬件选择及功能

3.3.1 硬件系统

　　1）在线仪表：压力、温度、液位传感器负责将压力、温度、液位的物理信号转换成标准的4~20ma的工业信号，门禁、红外传感器以开关量的形式输出，电流互感器以5：100的变比将现场0~100A的电流转换成0~5A的标准信号。这些信号再以二线制的形式连接到RTU的AI、DI、Ix、Ux端口,RTU的DO端口并联在启停按钮上，实现远程的电机启停功能。

　　2）数据采集单元（RTU, Remote Terminal Unit）：负责采集传感器送来的标准工业信号，再将这些信号以modbus协议打包成数据包。本监控系统采用的RTU分两种类型，SC-112负责采集4~20ma的工业信号, 采集门禁、红外传感器的开关量的输出信号，负责控制电磁阀开度的输出信号。SC-101负责采集电机的电参量，控制电机的启停。

　　3）数据传输单元（DTU, Data Terminal unit）：RTU和流量计与DTU模块通过RS485总线连接，DTU模块将MODBUS协议数据在TCP／IP上承载，DTU模块登录上GSM网络后，自动连接到数据监控中心，向数据监控中心报告其IP地址，并保持和维护链路的连接。监控中心通信主机上安装通信网关软件，数据监控中心拥有固定的公网IP地址。这样，监控中心通信主机和DTU模块之间就可以通过IP地址用TCP／IP协议进行双向数据通信。

　　4）中心服务器单元：监控中心通信主机接收DTU上传的现场数据，将Modbus协议的数据解析成现场裸数据，再由SCADA采集服务器对数据进行存储、显示、处理，WEB发布服务器提供监控终端的数据显示和数据操作。

3.3.2 软件系统

　　1)通信网关软件：负责管理现场DTU设备，维护GPRS通信链路的稳定，远程接收DTU透传上来的生产数据，将这些数据通过虚拟串口转发给SCADA服务器。

　　2）SCADA采集软件：采用虚拟串口技术读取通信网关软件送来的实时数据，该软件完成与远程各GPRS采集点间的命令颁布、执行和接收诸事件，具有完全分布式C/S和B/S结构，可以方便灵活的组成分布式网络结构，实现数据的显示、曲线显示、报表生成、数据打印、用户管理、参数设置、软件冗余，还可以模拟显示电机的运行状态、储水罐液位，操作人员可以通过这些界面全面掌握系统运行情况，本系统的监控主界面如图2所示，实时数据如图3所示。（其他界面如曲线、报表略）

 　　 该软件拥有开放式软件接口，通过ActiveX控件能够实现视频监控（视频与现场数据联动）、GIS（Geographic Information System）等功能，ODBC Router插件能够实现与Oracle、SQL Server2000、Sybase等关系型数据库连接，将采集的数据转存到关系型数据库或从数据库中读取数据。[page]

　　3）WEB发布软件：负责对终端用户的验证与管理，以IE网页形式提供给终端用户使用，最大支持256用户的同时在线浏览数据。

4 系统组网方式

　　供水监控系统网络由RS485工业总线，GPRS无线传输网络，中心以太网络三部分组成。组网框图见图4。
 

4.1 RS485现场工业总线

　　RS485工业总线为二线制传输，具有抗干扰强、传输距离远特点，广泛应用在工业控制领域。RS485处在通信网络的的物理介质层和链路层，它负责承载各种协议数据，如modbus,hart,profibus等。本系统的RTU就是以RS485为接口载体，传输现场数据。

4.2 GPRS无线数据传输网络

　　由于供水水源井、站分布广泛，所以最经济、稳定的通信方式就是采用GPRS网络传输数据。GPRS是一种基于数据包的无线通信服务，按GSM标准定义的封包交换协议，可快速接入数据网络。它在移动终端和网络之间实现了“永远在线”的连接，网络容量只有在实际进行传输时才被占用。

　　GPRS供水远程监控系统具备如下特点：

 　　1、实时性强： 由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个数据采集点的数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

　　2、通过GPRS双向系统还可实现对电机设备进行远程控制，进行开关控制操作。

　　3、建设成本少低： 由于采用GPRS的无线公网平台，只需安装好设备，不需要为本系统进行专门布线，投资少、见效快，维护成本低；

　　4、监控范围广： GPRS覆盖范围广，在无线GSM/GPRS网络的覆盖范围之内，都可以完成对现场生产数据的采集和控制。扩容和接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。

　　5、系统的传输容量大： 监控数据中心要和每一个数据采集点保持实时连接。由于数据采集点数量众多，系统要求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。

　　6、通信费用低：采用包月计费方式，运营成本低。

4.3 防火墙组成的局域网络

　　中心服务器网络具有公网IP和私网IP，公网IP负责接收GPRS传来的数据，经由防火墙将数据传输到私网IP服务器上，防火墙在这里主要实现网络安全、数据过滤和地址转换功能。地址转换主要使用VIP NAT方式，见框图3。
 

　　通信网关服务器、SCADA服务器、WEB服务器公用一个公网IP地址，防火墙ISG1000根据传输层端口号分别映射到指定服务器。通信网关服务器使用9000端口与现场DTU设备交换数据，WEB服务器使用80端口为客户机提供WEB服务。

5　结束语

　　远程监控系统投入使用以来，实践证明其使用效果是显著的，它克服了因水源井、站覆盖面广而难以全面、实时监控边远地区水压、水量、电机状态的问题。该监控系统逻辑合理正确,人机界面良好,运行可靠稳定,硬件扩展性强、操作方便,有良好的安全机制，确保了供水生产系统运行的稳定性和可靠性。该监控系统有效地起到以下几方面的作用：① 及时、准确地反映供水流量、水压、电机状态，远程采集系统各部分的实际运行情况，为合理实施调度操作提供了可靠的技术保证；②及时发现并消除事故隐患，有效避免重大事故(设备损毁、冒罐等)的发生，保证设备运行安全；③帮助管理人员对有关设备运行工况进行实时监测，并随时调整其工作于经济运行区，延长设备使用寿命，提高其运行效率，降低运行成本。在满足供水水压的前提下，综合考虑各采集点的情况，制定合理的供水方案，既可合理平衡管网压力，又能降低电耗及漏耗。