基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的熱網(wǎng)遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)視，控制換熱站中各設(shè)備的運(yùn)行。同時(shí)，根據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的各換熱站運(yùn)行參數(shù)，調(diào)節(jié)熱電廠運(yùn)行工況，保證冬季整個(gè)供暖的穩(wěn)定運(yùn)行。
　　
　　我國現(xiàn)行的熱力站運(yùn)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(cè)量手段，無法對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行系統(tǒng)的分析判斷；系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行，供熱量與需熱量不匹配；運(yùn)行數(shù)據(jù)不全，難以實(shí)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(shù)水平。因此，建立基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)各換熱站現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的采集、調(diào)度室與各換熱站的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊控制，可以很好的解決上述缺點(diǎn)，可以有效提高供熱系統(tǒng)的自動(dòng)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(dòng)控制對(duì)于保證供熱系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)供熱、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、環(huán)境保護(hù)具有十分重要的作用。
　　
　　GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(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(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、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(dāng)前的電路交換的話音業(yè)務(wù)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(luò)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(wù)。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(dá)171.2Kbit/s，實(shí)際應(yīng)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?yīng)用。GPRS是一種新的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動(dòng)用戶提供高速無線IP或X.25服務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，資源被有效的利用，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)160Kbps。使用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本。
　　
　　基于GPRS網(wǎng)絡(luò)組建的熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：
　　永遠(yuǎn)在線 GPRS DTU一開機(jī)就能自動(dòng)附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)，具有很高的實(shí)時(shí)性；
　　
　　按流量計(jì)費(fèi) 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(fèi)用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時(shí)不收費(fèi)用；
　　
　　高速傳輸 GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度最快將達(dá)到160Kbps，速率的高低取決于移動(dòng)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，根據(jù)中國移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)隨時(shí)隨地的構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動(dòng)數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)，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(yùn)營商維護(hù) 由于采用中國移動(dòng)的GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此鏈路維護(hù)也由中國移動(dòng)負(fù)責(zé)，免除通信鏈路維護(hù)的后顧之憂；
　　
　　防雷擊 由于采用中國移動(dòng)的GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，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(tái)傳輸容易引雷擊壞設(shè)備的缺點(diǎn)。
　　
　　二、系統(tǒng)方案
　　 整個(gè)熱網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖所示由三部分組成：現(xiàn)場(chǎng)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(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給SARO GPRS DTU，同時(shí)PLC實(shí)時(shí)接收DTU發(fā)來的數(shù)據(jù)完成相應(yīng)控制功能。SARO GPRS DTU在收到PLC發(fā)來的數(shù)據(jù)會(huì)立即轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心。
　　
　　 (1) 現(xiàn)場(chǎng)換熱站PLC將各工藝參數(shù)實(shí)時(shí)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(shí)，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(duì)SARO GPRS DTU通信模塊進(jìn)行配置時(shí)預(yù)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(shè)置的IP地址網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，通過端口映射轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心服務(wù)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(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)中，然后再經(jīng)過Internet，最后在數(shù)據(jù)中心通過ADSL進(jìn)行接收。
　　 (3) 調(diào)度室數(shù)據(jù)中心 由ADSL MODEM、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、防火墻、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、工作站。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通過ADSL Modem接收來自各換熱站的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、歷史趨勢(shì)分析、報(bào)表打印等，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還傳送到全廠MIS系統(tǒng)。
　　
　　三、 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
　　 該系統(tǒng)主要是通過SARO GPRS DTU和移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò)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(wù)，同時(shí)也是與移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)的工作接口。主要設(shè)置的參數(shù)如下：
　　 (1) 本方案是通過Internet(CMNET)實(shí)現(xiàn)的，這樣用戶的實(shí)現(xiàn)成本比較低。如需要高可靠性數(shù)據(jù)傳輸。中國移動(dòng)為這種應(yīng)用提供了直接接入GPRS網(wǎng)絡(luò)的方式。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過專線方式直接接入GPRS移動(dòng)基站，并獲得一個(gè)固定的IP地址。各熱交換站點(diǎn)數(shù)據(jù)無需路由到Internet網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DTU也采用固定IP地址的SIM卡。采用這種方式組成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)具有實(shí)時(shí)性好、安全性高的特點(diǎn)，但接入費(fèi)用相對(duì)較高。
　　 (2) 數(shù)據(jù)發(fā)送目的地，即數(shù)據(jù)中心服務(wù)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(yàn)、數(shù)據(jù)位、流控制。
　　 (4) SARO GPRS DTU對(duì)于不同地區(qū)GPRS網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的一些參數(shù)配置。
　　
　　數(shù)據(jù)經(jīng)DTU發(fā)送到移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)上的CGSN后，移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet有通道接口，因此，移動(dòng)CGSN服務(wù)器可將數(shù)據(jù)經(jīng)Internet再轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。
　　
　　移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸送來的各換熱站數(shù)據(jù)經(jīng)Internet，通過ADSL Modem信號(hào)解調(diào)經(jīng)防火墻檢測(cè)后送達(dá)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，再將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到指定的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理，與此同時(shí)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器擔(dān)負(fù)著向各換熱站發(fā)送相應(yīng)控制指令數(shù)據(jù)的任務(wù)。各工作站從數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上取得數(shù)據(jù)在各自的人機(jī)界面軟件上完成對(duì)各換熱站的監(jiān)視控制、報(bào)警、歷史曲線等功能。
　　
　　 此外，在調(diào)度中心網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與全廠MIS網(wǎng)絡(luò)連接，負(fù)責(zé)把熱網(wǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)送到MIS網(wǎng)上，供上一級(jí)相應(yīng)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在這里，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與MIS網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)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(chǎng)溫度、壓力、流量、液位信號(hào)的采集；現(xiàn)場(chǎng)各調(diào)節(jié)閥的控制；現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)、變頻器的控制及運(yùn)行監(jiān)視。在換熱站中，通過觸摸屏簡單易行的完成人機(jī)交互，控制各種設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥及各種電機(jī)的控制，設(shè)計(jì)了就地控制、觸摸屏控制、遠(yuǎn)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(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而改變一次網(wǎng)進(jìn)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(gè)參數(shù)，來通過變頻器調(diào)整循環(huán)水泵的運(yùn)行頻率，從而改變二次網(wǎng)的運(yùn)行流量。（對(duì)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(diǎn)的實(shí)測(cè)壓力值與設(shè)定壓力值的比較偏差，來通過變頻器改變補(bǔ)水泵的運(yùn)行頻率，保證恒壓點(diǎn)的壓力恒定。
　　 (4) 其中，室外氣象溫度數(shù)據(jù)采用各新機(jī)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(jī)組進(jìn)行自動(dòng)控制。
　　
　　五、系統(tǒng)功能與特點(diǎn)
　　 5.1 功能
　　 該供暖監(jiān)控系統(tǒng)（GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控）主要完成對(duì)工藝流程的監(jiān)測(cè)、控制以及數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、分析以及報(bào)表打印等任務(wù)。
　　
　　 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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及各控制回路的詳細(xì)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(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)等，并有實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖便于進(jìn)行PID回路整定；
　　 設(shè)定值顯示 包括所有必需參數(shù)的設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)以及其它聯(lián)鎖值、報(bào)警值等；
　　
　　報(bào)表顯示和打印
　　 采用了DDE技術(shù)，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報(bào)表，借助Excel的強(qiáng)大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報(bào)表；
　　 歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索 對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間最長為10年?？梢酝ㄟ^歷史報(bào)表或者歷史趨勢(shì)曲線的方式來檢索歷史數(shù)據(jù)；
　　
　　控制
　　在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上可以進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，使用鼠標(biāo)、鍵盤控制PLC來啟動(dòng)和停止現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備；
　　
　　安全管理
　　對(duì)重要設(shè)備的操作、重要參數(shù)的修改均會(huì)自動(dòng)記錄，包括登錄的操作員、對(duì)設(shè)備進(jìn)行的操作、時(shí)間以及修改前的參數(shù)值、修改后的參數(shù)等，以利于進(jìn)行管理及事故分析；
　　
　　5.2 特點(diǎn)
　　 (1) 先進(jìn)性
　　 本方案設(shè)計(jì)中不僅采用了先進(jìn)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(jìn)思想，使企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步智能應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。該方案使控制系統(tǒng)有機(jī)地成為企業(yè)整個(gè)IT架構(gòu)的一部分。
　　 本系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，主要用于城市熱網(wǎng)的生產(chǎn)控制、運(yùn)行操作、監(jiān)視管理。控制系統(tǒng)配有可靠的硬件設(shè)備和功能強(qiáng)大、運(yùn)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(tái)傳輸相比，GPRS網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力更強(qiáng)，且通訊覆蓋范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于前者；
　　 ② 現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC對(duì)工藝過程的控制不會(huì)因監(jiān)控計(jì)算機(jī)的癱瘓而受影響；
　　 ③ 現(xiàn)場(chǎng)控制站的PLC能夠在惡劣的環(huán)境中長期可靠運(yùn)行，并且易配置、易接線、易維護(hù)、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、抗腐蝕、適應(yīng)較寬的溫度變化范圍，平均無故障間隔時(shí)間（MTBF）15年。
　　 (3) 強(qiáng)大的功能
　　 ① PLC的編程語言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，易學(xué)、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(luò)功能強(qiáng)大，報(bào)警、報(bào)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(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)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(shí)也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron等的設(shè)備提供了完善的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)換熱站運(yùn)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(hù)人員，部分換熱站還實(shí)現(xiàn)了無人值守，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。與使用傳統(tǒng)無線電臺(tái)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(yuǎn)程監(jiān)控方案將在城市管網(wǎng)、熱網(wǎng)、石油、地震檢測(cè)、電力等一些無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中得到更大范圍應(yīng)用。