基于GPRS網(wǎng)絡的熱網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)

一、前言
　　 我國北方地區(qū)冬季目前普遍采用集中供暖方式進行供熱。熱電廠通過城市高溫供熱管道將熱水送至各居民小區(qū)、企業(yè)中的換熱站。在換熱站，高溫管道（以下簡稱一次網(wǎng)）中的熱水與進居室暖氣片（以下簡稱二次網(wǎng)）的熱水通過換熱器交換熱量。經(jīng)過換熱后，二次網(wǎng)中熱水流入各居室中。
　　
　　在以上過程中，供熱調(diào)度部門需要對分散在不同地理位置換熱站中溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)集中實時監(jiān)視，控制換熱站中各設備的運行。同時，根據(jù)從現(xiàn)場監(jiān)測到的各換熱站運行參數(shù)，調(diào)節(jié)熱電廠運行工況，保證冬季整個供暖的穩(wěn)定運行。
　　
　　我國現(xiàn)行的熱力站運行管理仍處于手工操作階段，影響了集中供熱優(yōu)越性的充分發(fā)揮。主要反映在：缺少全面的參數(shù)測量手段，無法對運行工況進行系統(tǒng)的分析判斷；系統(tǒng)運行工況失調(diào)難以消除，造成用戶冷熱不均；供熱參數(shù)未能在最佳工況下運行，供熱量與需熱量不匹配；運行數(shù)據(jù)不全，難以實現(xiàn)量化管理。
　　
　　搞好城市集中供熱工程，必須要全面提高供熱技術水平。因此，建立基于GPRS無線網(wǎng)絡的自動監(jiān)控系統(tǒng)，來實現(xiàn)各換熱站現(xiàn)場參數(shù)的采集、調(diào)度室與各換熱站的數(shù)據(jù)實時通訊控制，可以很好的解決上述缺點，可以有效提高供熱系統(tǒng)的自動化控制水平，并且能很大程度上提高供熱行業(yè)的管理水平。供熱工程中的自動控制對于保證供熱系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)供熱、安全運行、經(jīng)濟節(jié)能、環(huán)境保護具有十分重要的作用。
　　
　　GPRS是通用分組無線業(yè)務(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當前的電路交換的話音業(yè)務信道極其相似。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)(BSS)從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS理論帶寬可達171.2Kbit/s，實際應用帶寬大約在40~100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?。GPRS是一種新的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP或X.25服務。GPRS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，資源被有效的利用，數(shù)據(jù)傳輸速率高達160Kbps。使用GPRS技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠在線且按流量計費，迅速降低了服務成本。
　　
　　基于GPRS網(wǎng)絡組建的熱網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)有如下特點：
　　永遠在線 GPRS DTU一開機就能自動附著到GPRS網(wǎng)絡上，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設備的數(shù)據(jù)，具有很高的實時性；
　　
　　按流量計費 GPRS DTU一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時不收費用；
　　
　　高速傳輸 GPRS網(wǎng)絡的傳輸速度最快將達到160Kbps，速率的高低取決于移動運營商的網(wǎng)絡設置，根據(jù)中國移動的網(wǎng)絡情況，目前可提供20~40Kbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸；
　　
　　組網(wǎng)簡單、迅速、靈活 GPRS無線DDN系統(tǒng)可以通過Internet網(wǎng)絡隨時隨地的構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡，為廣大中小用戶提供接入便利，節(jié)省接入投資；
　　
　　通信鏈路由專業(yè)運營商維護 由于采用中國移動的GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務，因此鏈路維護也由中國移動負責，免除通信鏈路維護的后顧之憂；
　　
　　防雷擊 由于采用中國移動的GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務，所以在不影響上網(wǎng)的前提下，GPRS DTU的發(fā)射功率非常小，天線非常短，而且無需高架，克服了有線傳輸和無線電臺傳輸容易引雷擊壞設備的缺點。
　　
　　二、系統(tǒng)方案
　　 整個熱網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)如圖所示由三部分組成：現(xiàn)場換熱站控制部分、GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分、調(diào)度室數(shù)據(jù)中心。通過控制模塊完成與SARO GPRS DTU的數(shù)據(jù)交互。PLC定時將數(shù)據(jù)發(fā)送給SARO GPRS DTU，同時PLC實時接收DTU發(fā)來的數(shù)據(jù)完成相應控制功能。SARO GPRS DTU在收到PLC發(fā)來的數(shù)據(jù)會立即轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心。
　　
　　 (1) 現(xiàn)場換熱站PLC將各工藝參數(shù)實時采集后通過RS-232串口通信模塊將數(shù)據(jù)送往SARO GPRS DTU通信模塊；同時，還可通過該通信模塊接收調(diào)度中心的指令。
　　 (2) GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分 在對SARO GPRS DTU通信模塊進行配置時預先輸入數(shù)據(jù)中心的固定IP地址。SARO GPRS DTU通信模塊收到PLC發(fā)來的數(shù)據(jù)后，把這些數(shù)據(jù)送到前面設置的IP地址網(wǎng)絡服務器中，通過端口映射轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心服務器。SARO GPRS DTU發(fā)送數(shù)據(jù)的過程為：數(shù)據(jù)送到中國移動GPRS網(wǎng)絡中，然后再經(jīng)過Internet，最后在數(shù)據(jù)中心通過ADSL進行接收。
　　 (3) 調(diào)度室數(shù)據(jù)中心 由ADSL MODEM、網(wǎng)絡服務器、防火墻、數(shù)據(jù)中心服務器、工作站。數(shù)據(jù)中心服務器通過ADSL Modem接收來自各換熱站的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行存儲、歷史趨勢分析、報表打印等，其中一部分數(shù)據(jù)還傳送到全廠MIS系統(tǒng)。
　　
　　三、 系統(tǒng)網(wǎng)絡
　　 該系統(tǒng)主要是通過SARO GPRS DTU和移動公司GPRS網(wǎng)絡來完成。DTU主要完成PLC與調(diào)度中心數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)發(fā)的任務，同時也是與移動GPRS網(wǎng)絡的工作接口。主要設置的參數(shù)如下：
　　 (1) 本方案是通過Internet(CMNET)實現(xiàn)的，這樣用戶的實現(xiàn)成本比較低。如需要高可靠性數(shù)據(jù)傳輸。中國移動為這種應用提供了直接接入GPRS網(wǎng)絡的方式。網(wǎng)絡服務器通過專線方式直接接入GPRS移動基站，并獲得一個固定的IP地址。各熱交換站點數(shù)據(jù)無需路由到Internet網(wǎng)絡，監(jiān)測點DTU也采用固定IP地址的SIM卡。采用這種方式組成點對多點網(wǎng)絡具有實時性好、安全性高的特點，但接入費用相對較高。
　　 (2) 數(shù)據(jù)發(fā)送目的地，即數(shù)據(jù)中心服務器或者路由器的IP地址或者域名。
　　 (3) 與PLC的接口參數(shù)，包括波特率、停止位、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、流控制。
　　 (4) SARO GPRS DTU對于不同地區(qū)GPRS網(wǎng)絡質(zhì)量的一些參數(shù)配置。
　　
　　數(shù)據(jù)經(jīng)DTU發(fā)送到移動GPRS網(wǎng)絡上的CGSN后，移動的GPRS網(wǎng)絡與Internet有通道接口，因此，移動CGSN服務器可將數(shù)據(jù)經(jīng)Internet再轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心服務器。
　　
　　移動GPRS網(wǎng)絡傳輸送來的各換熱站數(shù)據(jù)經(jīng)Internet，通過ADSL Modem信號解調(diào)經(jīng)防火墻檢測后送達網(wǎng)絡服務器，再將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到指定的數(shù)據(jù)中心服務器上進行數(shù)據(jù)接收處理，與此同時數(shù)據(jù)中心服務器擔負著向各換熱站發(fā)送相應控制指令數(shù)據(jù)的任務。各工作站從數(shù)據(jù)中心服務器上取得數(shù)據(jù)在各自的人機界面軟件上完成對各換熱站的監(jiān)視控制、報警、歷史曲線等功能。
　　
　　 此外，在調(diào)度中心網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡服務器與全廠MIS網(wǎng)絡連接，負責把熱網(wǎng)的各種運行參數(shù)送到MIS網(wǎng)上，供上一級相應MIS軟件完成數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等功能，大大提高熱網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。在這里，網(wǎng)絡服務器與MIS網(wǎng)數(shù)據(jù)服務器的數(shù)據(jù)接口選用OPC，該接口使用方便、調(diào)試配置十分簡單。
　　
　　 四、系統(tǒng)工藝控制描述
　　 該方案中，所采用PLC在各換熱站完成以下功能：現(xiàn)場溫度、壓力、流量、液位信號的采集；現(xiàn)場各調(diào)節(jié)閥的控制；現(xiàn)場電機、變頻器的控制及運行監(jiān)視。在換熱站中，通過觸摸屏簡單易行的完成人機交互，控制各種設備穩(wěn)定運行。對于現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥及各種電機的控制，設計了就地控制、觸摸屏控制、遠程調(diào)度中心控制三種方式。
　　 (1) 根據(jù)室外氣象溫度和二次網(wǎng)的供回水平均溫度調(diào)節(jié)一次網(wǎng)供水或回水管道上電動調(diào)節(jié)閥，從而改變一次網(wǎng)進換熱器的流量，保證二次網(wǎng)的供熱量。
　　 (2) 根據(jù)室外氣象溫度、二次網(wǎng)的供回水溫度、供回水壓力共五個參數(shù)，來通過變頻器調(diào)整循環(huán)水泵的運行頻率，從而改變二次網(wǎng)的運行流量。（對于目前換熱站中循環(huán)水泵為變頻控制的采用該方案）。
　　 (3) 根據(jù)恒壓點的實測壓力值與設定壓力值的比較偏差，來通過變頻器改變補水泵的運行頻率，保證恒壓點的壓力恒定。
　　 (4) 其中，室外氣象溫度數(shù)據(jù)采用各新機組室外溫度加權(quán)平均后經(jīng)中心站處理后送往各改造機組進行自動控制。
　　
　　五、系統(tǒng)功能與特點
　　 5.1 功能
　　 該供暖監(jiān)控系統(tǒng)（GPRS遠程監(jiān)控）主要完成對工藝流程的監(jiān)測、控制以及數(shù)據(jù)的處理、存儲、分析以及報表打印等任務。
　　
　　 工藝流程顯示 顯示各換熱站工藝流程，包括溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)、所有設備運行狀態(tài)以及各控制回路的詳細參數(shù)等；
　　 調(diào)節(jié)回路顯示 包括所有調(diào)節(jié)回路，可修改設定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)等，并有實時趨勢圖便于進行PID回路整定；
　　 設定值顯示 包括所有必需參數(shù)的設定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)以及其它聯(lián)鎖值、報警值等；
　　
　　報表顯示和打印
　　 采用了DDE技術，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報表，借助Excel的強大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報表；
　　 歷史數(shù)據(jù)的存儲與檢索 對重要的數(shù)據(jù)進行在線存儲，數(shù)據(jù)的存儲時間最長為10年?？梢酝ㄟ^歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數(shù)據(jù)；
　　
　　控制
　　在監(jiān)控計算機上可以進行遠程手動控制，使用鼠標、鍵盤控制PLC來啟動和停止現(xiàn)場的設備；
　　
　　安全管理
　　對重要設備的操作、重要參數(shù)的修改均會自動記錄，包括登錄的操作員、對設備進行的操作、時間以及修改前的參數(shù)值、修改后的參數(shù)等，以利于進行管理及事故分析；
　　
　　5.2 特點
　　 (1) 先進性
　　 本方案設計中不僅采用了先進的軟、硬件，而且著眼于企業(yè)“管控一體化”的需求，貫徹了數(shù)字化、信息化環(huán)保的先進思想，使企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進一步智能應用成為現(xiàn)實。該方案使控制系統(tǒng)有機地成為企業(yè)整個IT架構(gòu)的一部分。
　　 本系統(tǒng)采用先進的計算機控制系統(tǒng)，主要用于城市熱網(wǎng)的生產(chǎn)控制、運行操作、監(jiān)視管理。控制系統(tǒng)配有可靠的硬件設備和功能強大、運行可靠、界面友好的系統(tǒng)軟件、編程軟件、控制軟件。
　　 (2) 高可靠性
　　 ① 與傳統(tǒng)的無線電臺傳輸相比，GPRS網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力更強，且通訊覆蓋范圍遠遠強于前者；
　　 ② 現(xiàn)場控制站PLC對工藝過程的控制不會因監(jiān)控計算機的癱瘓而受影響；
　　 ③ 現(xiàn)場控制站的PLC能夠在惡劣的環(huán)境中長期可靠運行，并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅固、抗腐蝕、適應較寬的溫度變化范圍，平均無故障間隔時間（MTBF）15年。
　　 (3) 強大的功能
　　 ① PLC的編程語言符合IEC61131-3標準，易學、易懂、易用；
　　 ② CPU內(nèi)置軟PID，并提供了豐富的指令集及函數(shù)庫，用戶直接調(diào)用；
　　 ③ 組態(tài)軟件圖庫豐富，網(wǎng)絡功能強大，報警、報表、歷史數(shù)據(jù)以及二次開發(fā)功能完善而易用。
　　 (4) 優(yōu)良的開放性
　　 ① TCP/IP協(xié)議是目前開放性最好的協(xié)議，可以輕松進行系統(tǒng)擴展；
　　 ② 組態(tài)軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API編程接口，方便接入全廠MIS系統(tǒng)；
　　 ③ 同時也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設備提供了完善的驅(qū)動程序庫，從而可以將其它系統(tǒng)輕松接入本系統(tǒng)。
　　
　　六、結(jié)束語
　　 該方案實現(xiàn)了對換熱站運行參數(shù)的集中監(jiān)視、控制，與老系統(tǒng)相比，可以大量的減少維護人員，部分換熱站還實現(xiàn)了無人值守，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。與使用傳統(tǒng)無線電臺相比，該方案具備更好的抗干擾性（尤其是在城市中）、數(shù)據(jù)傳輸安全性。相信這種遠程監(jiān)控方案將在城市管網(wǎng)、熱網(wǎng)、石油、地震檢測、電力等一些無線遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中得到更大范圍應用。