遠程供水監視系統功能分析與方案設計

張 成 姚萬業

（華北電力大學 河北 保定 071000）

我國加入世貿組織以后， 各方面都強調加快與國際接軌。 隨著科學技術的高速發展， 世界發達國家城市供水的現代化建設已相當普遍，在水資源保護的規劃和措施、水廠各項處理程序的自動化操作和控制、輸配水系統的信息化管理等方面都值得我們借鑒。 現代化要求我們發展新思路、新觀念，開發、采用新技術、 新設備，實現降低成本、提高效率和管理水平的目標。

1 供水自動化遠程監控系統的總體設計

1.1 系統設計的主要功能分析

1.1.1 供水管網壓力數據在線監測系統

必須于城市供水管網中配置合適數量的壓力測點，這樣是為了使壓力監測點能夠較為整體地表現出管網內、外部擾動所造成的壓力或者流量波動，還能準確及時的掌握實時狀態。 此外，條件好的企業能夠在城市里不同供水區的代表點提高測量流量、余氛、濁度的測點，這就可以反映出網絡中的供水量和水質。 通過監測長期的數據，掌握供水區的需水量隨各個不同因素所產生的變化，為供水自動化進行合理的調度供給所需的數據。 在測壓點上的測量方面，我們可以運用類型各異的控制設備執行現場的數據收集，遠程發送到調度中心進行集中化的管理，還能在網絡計算機網絡終端上實時的顯示。

1.1.2 分站的監測

為了實現廠級調度，必須在管網中的各個節點搭建成廠內計算機網絡在線監測系統。監測分站系統的主要任務是：各種數據的實時采集，且由例如PLC 之類的設備變換而成的數據上傳給上位機；計算機網絡終端對這些數據執行分析與處理，構成與之相應的實時狀態圖表，給出相關的報告；對參數執行整合與分析，進而產生相關的趨勢圖和報表。 與此同時，調度中心還會收到實時的發送信號。

1.1.3 實現地理信息系統

城市地形圖作為供水管網地理信息系統的背景，由供水管網的相關數據為主，并且運用相關的計算機、網絡、管理等等技術， 生產出符合實際水平的供水管網在線管理系統，動態管理管網基礎情況。 供給網絡及其主要數據的搜索、合計還有相關的管理功能；管網分析也可以實現，包括事故的關閥處理，大火產生時消防栓的查詢等；通過和調度系統的接口，管理測壓點、流量計的壓力、流量等實時數據。 為供水系統管網模型供給依據，進而全面管理管網的各項參數。

1.2 系統的總體設計

從水廠的調度情況出發，進而引出城市管網的調度。 水廠的工藝特點是各工藝單元既相對獨立，同時各單元之間又存在一定的聯系。 正因為各工藝單元相對獨立，通常將整個供水監控系統按工藝特點劃分成幾個相互聯系的控制單元。

中央控制室：通過各種接口與各工藝單元相聯，對整個系統進行監控和調度。

配電控制：對高壓及低壓配電系統進行監控。

取水控制：取水泵、真空泵、潛污泵及軸流風機等進行監控。

送水控制：對送水泵、潛污泵等進行監控。

沉淀控制：對快開排泥閥、刮泥機進行監控。

過濾控制：對反沖洗公共部分（反沖洗泵、鼓風機、干燥機及相關閥門）進行監控。

濾池控制：根據單格濾池數量進行配置，每格濾池一個，對單個濾池設備進行監控。

管網監控終端：對分布于城市內的各監測點的數據采集和監測。

在城市管網調度中，總調度下轄m 個分調度和n 個壓力監測點，處于系統的最高層。 它根據供水管網的壓力和各個分調度提供的供水參數和設備運行情況進行綜合調度。 分調度一般地對應一個水廠或一組相對獨立的供水設備，負責對其下轄的供水設備的監控和各種供水參數(壓力、 流量、水位、余氯等)的監測；向總調度提供設備運行狀態和供水參數；執行總調度下達的指令。

1.3 系統軟件平臺

基于穩定性等多方面的考慮， 本系統采用Windows XP系統作為軟件平臺的操作系統。 當前國際流行的大型數據庫，主要有SQL Server 2000，Oracle9i，Sybase 等。 本項目選用SQL Server 2000 數據庫開發平臺建立的MS SQL 數據服務器。

1.4 系統硬件平臺需求分析

1.4.1 監視機。 監視機的主要用途為，對建筑物內重要部位的事態、人流等動態狀況進行監視、控制，以便對各種異常情況進行實時取證、復核，并實現現場監視和遠程控制傳輸圖像信息功能。

1.4.2 大屏幕顯示設備。 在本系統中選用壁掛式大屏幕顯示器，主要用于調度室和監控室的畫面顯示。

1.4.3 后備電源。 對于調度中心來講，需要實時監控現場的情況，所以后備電源是十分必要的，以防止突發的情況。

2 供水自動化遠程監控系統網絡組建

數據中心采用GPRS 內網APN 專線方式進行連接(固定IP 地址)， 由一根2M 的APN 專線直接與移動運營商后臺企業網接入服務器連接；遠程采集端GPRS DTU 也使用該APN的SIM 卡。 整個網絡組網采用“自動站—數據中心—應用”結構方式對全網各個自動氣象站的數據統一收集，自動氣象站直接與數據中心產生對話。 這樣的組網方式減少了中間環節的設備開支，即可提高數據傳輸速度，又可以提高管理的統一性，也可以提高了應用端的靈活性，可以不斷的擴展應用端的功能。

2.1 中心數據

在信息中心的機房內，中心數據就搭建于此。 接入的移動公司網絡是由一個2 兆速率的專線接入的，廣域連接是由二者的路由設備構成的。 為了躲避數據泄漏于過程中，兩個站之間采用了點對點的加密方式。 防火墻方式隔離二者之間，而且在它里面進行端口和IP 地址過濾，以此來檢測通路的有效。

2.2 遠程采集端

遠程采集端即自動氣象站， 通信設備采用GPRS DTU，SIM 卡綁定APN 參數，GPRS DTU 設置GPRS/SMS 主備通道，主備通道自動切換，以GPRS 為主通道，當主通道不暢通，則自動切換至SMS(即短信)備用通道，任務結束后切回主通道。

2.3 數據中心與遠程采集端的會話

遠程采集端的GPRS DTU 工作時根據預先設置其內的服務端IP 地址主動訪問數據中心專線路由器，通過安全性審核后和數據中心服務器平臺建立TCP/IP 鏈路，遠程采集端可以進行與數據中心服務器平臺的會話，服務器平臺經過鏈路合法性驗證后才給予回復；服務器平臺向某個遠程采集端提出數據請求時，根據GPRS DTU ID 尋找對應的鏈路，將命令下發至遠程采集端，遠程采集端響應后返回數據，即完成一個應答式的通訊流程。

3 供水遠程監控系統的架構實現

3.1 網絡自動化信息化的層次模型

自動化和信息化是如今許多產業的發展目標。 現在，許多企業的管理和組織模式正在朝著“層次化”的目標開展，進而形成一種新的層次模型。

3.1.1 設備層面。 設備的種類相當復雜是這個層面的一大特點，有驅動部件、傳感部件、I/O 設備、變送設備、電磁閥等等。開放性要求滿足設備層面的種種需求，公認標準廣泛的被認同，這樣一來標準化就可以被滿足，以便能夠用具有一樣功能的另外部件替換不同商家的設備，并且設備的功能不會受到限制，集成度也不會被削弱。

3.1.2 自動化層面。 控制網絡化實現與這個自動化層面，開放的協議體系與體系同時也會被遵守。 一定要方便地接入具有開放性的標準部件，以便讓來自多種商家的部件間通訊容易，其功能也可以在不一樣的環境里達成，及和上個層面（信息層面)相互通訊。

3.1.3 信息化層面。 協議TCP/IP 被這個層面所遵循，由于其擁有很強的開放性，有力地支撐了實時的控制。 生產現場被控制過程所指向，這個信息化層面必須要求它擁有較高的實時性、優良的時間一定性、強大的容錯性、可靠的安全性、實用而又簡易的發散網絡結構和網絡協議等特點。

3.2 系統的硬件拓撲結構

三層的C/S 體系被本遠程監控系統所采用。 以傳感設備將監測到的現場生產中的各種在線數據通過DataSocket 服務器上傳到網上；所以，用戶們就可以在終端設備的網絡計算機顯示器里就能夠看到現場生產的信息工況。 這樣的模式結構亦能夠讓它同時連接其他客戶并且下載在線數據。 以下的若干環節組成了這個系統：

3.2.1 可以給因特網供給服務方面信息的應用服務器，也就是服務器DataSocket。

3.2.2 和生產過程聯系緊密的監視網絡計算機。

3.2.3 客戶端網絡設備和相關的軟件。

3.2.4 因特網與DateSocket 之間的代理/防火墻服務器，進而使得網絡控制的安全性能得到保障。

一般情況下， 建立在C/S 模式的遠程監控系統可以劃分為以客戶子系統、現場子系統、中間層子系統。 請求的信息被客戶子系統發出，接受由以下中間層子系統處理完畢并且發送的數據； 現場子系統可以接收中間層子系統發送的指令，并對這條指令驗證、解析，隨后產生相應的控制動作；此外，它還可以收集各個不同現場的控制節點的運營數據，通過預處理、匯總后反饋給中間層子系統；中間層子系統可以看作是一個中間系統，通常情況下由數據庫服務器和應用服務器組成。 客戶與現場子系統進行交互就靠它來負責。

3.3 采集現場的數據

在國內的供水管網里，絕大多數的終端設備還有著串行通訊不流暢、速度不快、抗擾性能不佳、通訊聯系的長度被限、運作方式固定和較為保守的缺點[36]。 原來人值守站的RTU 自動化程度很低，工作強度很大，相關數據的發送與接收也受到很大程度上的限制。 鑒于此，在計算機技術和過程控制自動化技術相結合的情況下，非常有必要并且也會很容易的開發出數據的傳輸、接收以及其相關流程的功能于一個整體的RTU 現場自動化監視系統。 這樣，工作人員便能夠在一個監控室內，對現場的工作情況進行監視與控制，這就會同時節約許多的人員配備，工作效率也會被提高。 此外，分布在管網中的測壓點、測流點應具有一定的代表性。

這樣，我們就可以總結出遠程檢測在RTU 運行情況下的主要任務：

（1）把RTU 與其他設備隔離，運用自動的切換設備，把設備柜里的RTU 部件一步步切換，并且連結到RTU 設備上，這樣便使其能夠校驗虛負荷自動比對。 當然，不隔離RTU 設備也是可以的， 通過自動化裝置切換把RTU 的二次測量數據串聯或者并聯的連到RTU 設備中校驗實負荷自動比對。

（2）數據庫中存入比對結果，原始記錄和檢查結果同時也顯示生成。

（3）通訊過程也可能產生不夠流暢，有些許障礙的情況，這就急需現場測試工作者測試，數據接口也會被提供，這能夠將現場的監測數據還有監測報告上傳于主機的系統。

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