基于GPRS網絡的熱網遠程監(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）中的熱水與進居室暖氣片（以下簡稱二次網）的熱水通過換熱器交換熱量。經過換熱后，二次網中熱水流入各居室中。
　　
　　在以上過程中，供熱調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、液位等參數集中實時監(jiān)視，控制換熱站中各設備的運行。同時，根據從現場監(jiān)測到的各換熱站運行參數，調節(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)運行工況失調難以消除，造成用戶冷熱不均；供熱參數未能在最佳工況下運行，供熱量與需熱量不匹配；運行數據不全，難以實現量化管理。
　　
　　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無線網絡的自動監(jiān)控系統(tǒng)，來實現各換熱站現場參數的采集、調度室與各換熱站的數據實時通訊控制，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)質供熱、安全運行、經濟節(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據業(yè)務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結構、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結構，這種新的分組數據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移模式下發(fā)送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業(yè)務。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。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、數據傳輸等應用。GPRS是一種新的移動數據通信業(yè)務，在移動用戶和數據網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，數據傳輸速率高達160Kbps。使用GPRS技術實現數據分組發(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網絡組建的熱網遠程監(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網絡上，并與數據中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數據設備的數據，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)送數據包的數量來收取費用，沒有數據流量的傳遞時不收費用；
　　
　　高速傳輸 GPRS網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絡設置，根據中國移動的網絡情況，目前可提供20~40Kbps的穩(wěn)定數據傳輸；
　　
　　組網簡單、迅速、靈活 GPRS無線DDN系統(tǒng)可以通過Internet網絡隨時隨地的構建覆蓋全中國的虛擬移動數據通信專用網絡，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 數據業(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 數據業(yè)務，所以在不影響上網的前提下，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
　　 整個熱網遠程監(jiān)控系統(tǒng)如圖所示由三部分組成：現場換熱站控制部分、GPRS數據傳輸部分、調度室數據中心。通過控制模塊完成與SARO GPRS DTU的數據交互。PLC定時將數據發(fā)送給SARO GPRS DTU，同時PLC實時接收DTU發(fā)來的數據完成相應控制功能。SARO GPRS DTU在收到PLC發(fā)來的數據會立即轉發(fā)到數據中心。
　　
　　 (1) 現場換熱站PLC將各工藝參數實時采集后通過RS-232串口通信模塊將數據送往SARO GPRS DTU通信模塊；同時，還可通過該通信模塊接收調度中心的指令。
　　 (2) GPRS數據傳輸部分 在對SARO GPRS DTU通信模塊進行配置時預先輸入數據中心的固定IP地址。SARO GPRS DTU通信模塊收到PLC發(fā)來的數據后，把這些數據送到前面設置的IP地址網絡服務器中，通過端口映射轉發(fā)到數據中心服務器。SARO GPRS DTU發(fā)送數據的過程為：數據送到中國移動GPRS網絡中，然后再經過Internet，最后在數據中心通過ADSL進行接收。
　　 (3) 調度室數據中心 由ADSL MODEM、網絡服務器、防火墻、數據中心服務器、工作站。數據中心服務器通過ADSL Modem接收來自各換熱站的數據，并對數據進行存儲、歷史趨勢分析、報表打印等，其中一部分數據還傳送到全廠MIS系統(tǒng)。
　　
　　三、 系統(tǒng)網絡
　　 該系統(tǒng)主要是通過SARO GPRS DTU和移動公司GPRS網絡來完成。DTU主要完成PLC與調度中心數據傳輸轉發(fā)的任務，同時也是與移動GPRS網絡的工作接口。主要設置的參數如下：
　　 (1) 本方案是通過Internet(CMNET)實現的，這樣用戶的實現成本比較低。如需要高可靠性數據傳輸。中國移動為這種應用提供了直接接入GPRS網絡的方式。網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。各熱交換站點數據無需路由到Internet網絡，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) 數據發(fā)送目的地，即數據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，包括波特率、停止位、奇偶校驗、數據位、流控制。
　　 (4) SARO GPRS DTU對于不同地區(qū)GPRS網絡質量的一些參數配置。
　　
　　數據經DTU發(fā)送到移動GPRS網絡上的CGSN后，移動的GPRS網絡與Internet有通道接口，因此，移動CGSN服務器可將數據經Internet再轉發(fā)到數據中心服務器。
　　
　　移動GPRS網絡傳輸送來的各換熱站數據經Internet，通過ADSL Modem信號解調經防火墻檢測后送達網絡服務器，再將數據包轉發(fā)到指定的數據中心服務器上進行數據接收處理，與此同時數據中心服務器擔負著向各換熱站發(fā)送相應控制指令數據的任務。各工作站從數據中心服務器上取得數據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，在調度中心網絡中，網絡服務器與全廠MIS網絡連接，負責把熱網的各種運行參數送到MIS網上，供上一級相應MIS軟件完成數據分析、數據挖掘等功能，大大提高熱網運行的經濟性。在這里，網絡服務器與MIS網數據服務器的數據接口選用OPC，該接口使用方便、調試配置十分簡單。
　　
　　 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：現場溫度、壓力、流量、液位信號的采集；現場各調節(jié)閥的控制；現場電機、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。對于現場調節(jié)閥及各種電機的控制，設計了就地控制、觸摸屏控制、遠程調度中心控制三種方式。
　　 (1) 根據室外氣象溫度和二次網的供回水平均溫度調節(jié)一次網供水或回水管道上電動調節(jié)閥，從而改變一次網進換熱器的流量，保證二次網的供熱量。
　　 (2) 根據室外氣象溫度、二次網的供回水溫度、供回水壓力共五個參數，來通過變頻器調整循環(huán)水泵的運行頻率，從而改變二次網的運行流量。（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，室外氣象溫度數據采用各新機組室外溫度加權平均后經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、控制以及數據的處理、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、所有設備運行狀態(tài)以及各控制回路的詳細參數等；
　　 調節(jié)回路顯示 包括所有調節(jié)回路，可修改設定值、控制方式、調節(jié)參數等，并有實時趨勢圖便于進行PID回路整定；
　　 設定值顯示 包括所有必需參數的設定值、控制方式、調節(jié)參數以及其它聯鎖值、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；
　　 歷史數據的存儲與檢索 對重要的數據進行在線存儲，數據的存儲時間最長為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據；
　　
　　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來啟動和停止現場的設備；
　　
　　安全管理
　　對重要設備的操作、重要參數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值、修改后的參數等，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，貫徹了數字化、信息化環(huán)保的先進思想，使企業(yè)生產數據的進一步智能應用成為現實。該方案使控制系統(tǒng)有機地成為企業(yè)整個IT架構的一部分。
　　 本系統(tǒng)采用先進的計算機控制系統(tǒng)，主要用于城市熱網的生產控制、運行操作、監(jiān)視管理?？刂葡到y(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網的數據傳輸抗干擾能力更強，且通訊覆蓋范圍遠遠強于前者；
　　 ② 現場控制站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，結構堅固、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內置軟PID，并提供了豐富的指令集及函數庫，用戶直接調用；
　　 ③ 組態(tài)軟件圖庫豐富，網絡功能強大，報警、報表、歷史數據以及二次開發(fā)功能完善而易用。
　　 (4) 優(yōu)良的開放性
　　 ① TCP/IP協議是目前開放性最好的協議，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動程序庫，從而可以將其它系統(tǒng)輕松接入本系統(tǒng)。
　　
　　六、結束語
　　 該方案實現了對換熱站運行參數的集中監(jiān)視、控制，與老系統(tǒng)相比，可以大量的減少維護人員，部分換熱站還實現了無人值守，提高企業(yè)的經濟效益。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）、數據傳輸安全性。相信這種遠程監(jiān)控方案將在城市管網、熱網、石油、地震檢測、電力等一些無線遠程數據監(jiān)控中得到更大范圍應用。