供水生产远程监控系统的设计与实现

1、供水生产远程监控系统的设计与实现罗建涛 李海龙 （辽河油田通信公司 124010）【摘 要】 辽河油田供水公司水源井分布在油田各个生产生活区域，针对供水公司对水源井生产数据实时性、可操控性的要求，采用以数据采集板RTU为现场采集核心，实时采集水泵压力、温度、流量，以及电机电参量等现场生产数据，通过GPRS网络传送到监控中心服务器，对数据进行接收处理。经过SCADA系统一年的实地运行，在数据的稳定性、实时性、准确性等方面均达到了设计要求，为供水公司的安全稳定生产提供了保障。【关键字】 SCADA,数据采集，RTU，GPRS，监控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

2、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

3、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。压力变送器温度变送器液位变送器三相电压三相电流SC112 RTU流量计RS485DTUHART转MO

4、DBUSSC101 RTU Xn台红外、门禁SC112 RTU压力变送器温度变送器液位变送器三相电压三相电流红外、门禁SCM-2 设备管理模块RS485DTURS485GPRS无线网络移动基站IP网络JUNIPER防火墙通信网关服务器SCADA采集服务器WEB发布服务器企业局域网SC101 RTU Xn图1 系统监控原理图图13.2 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420ma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0100A的电流转换成05A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420ma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

5、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TCPIP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TCPIP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

6、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） 图2 监控系统主画面 图3 水务工区实时数据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。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。图4RS485Mobus协议RTURS485LLCDTUTCPIP

7、GPRS中心服务器应用软件LLCTCPIPTCPIPRS485工业总线GPRS无线网络中心以太网图4 系统组网框图物理层链路层网络层传输层应用层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、

8、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。图5公网internet防火墙ISG1000交换机ZXR2826服务器组：通信网关服务器SCADA服务器，WEB服务器公网私网202.x.x.x:9000 192.168.0.1:9000202.x.x.x.:80 192.168.

9、0.2:80图5 防火墙组网框图通信网关服务器、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： 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；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；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。参考文献1 魏忠风SCADA系统在供水调度优化的应用齐鲁石油化工，2006，34(增刊)：5-92 赵俊国热网分布式计算机监控系统国内外机电一体化技术，2008，10(3)：1691 713

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