遠(yuǎn)程供水監(jiān)視系統(tǒng)功能分析與方案設(shè)計(jì)

張 成 姚萬(wàn)業(yè)

（華北電力大學(xué) 河北 保定 071000）

我國(guó)加入世貿(mào)組織以后， 各方面都強(qiáng)調(diào)加快與國(guó)際接軌。 隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展， 世界發(fā)達(dá)國(guó)家城市供水的現(xiàn)代化建設(shè)已相當(dāng)普遍，在水資源保護(hù)的規(guī)劃和措施、水廠各項(xiàng)處理程序的自動(dòng)化操作和控制、輸配水系統(tǒng)的信息化管理等方面都值得我們借鑒。 現(xiàn)代化要求我們發(fā)展新思路、新觀念，開發(fā)、采用新技術(shù)、 新設(shè)備，實(shí)現(xiàn)降低成本、提高效率和管理水平的目標(biāo)。

1 供水自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能分析

1.1.1 供水管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

必須于城市供水管網(wǎng)中配置合適數(shù)量的壓力測(cè)點(diǎn)，這樣是為了使壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠較為整體地表現(xiàn)出管網(wǎng)內(nèi)、外部擾動(dòng)所造成的壓力或者流量波動(dòng)，還能準(zhǔn)確及時(shí)的掌握實(shí)時(shí)狀態(tài)。 此外，條件好的企業(yè)能夠在城市里不同供水區(qū)的代表點(diǎn)提高測(cè)量流量、余氛、濁度的測(cè)點(diǎn)，這就可以反映出網(wǎng)絡(luò)中的供水量和水質(zhì)。 通過(guò)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)，掌握供水區(qū)的需水量隨各個(gè)不同因素所產(chǎn)生的變化，為供水自動(dòng)化進(jìn)行合理的調(diào)度供給所需的數(shù)據(jù)。 在測(cè)壓點(diǎn)上的測(cè)量方面，我們可以運(yùn)用類型各異的控制設(shè)備執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)收集，遠(yuǎn)程發(fā)送到調(diào)度中心進(jìn)行集中化的管理，還能在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上實(shí)時(shí)的顯示。

1.1.2 分站的監(jiān)測(cè)

為了實(shí)現(xiàn)廠級(jí)調(diào)度，必須在管網(wǎng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)搭建成廠內(nèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)分站系統(tǒng)的主要任務(wù)是：各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，且由例如PLC 之類的設(shè)備變換而成的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端對(duì)這些數(shù)據(jù)執(zhí)行分析與處理，構(gòu)成與之相應(yīng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)圖表，給出相關(guān)的報(bào)告；對(duì)參數(shù)執(zhí)行整合與分析，進(jìn)而產(chǎn)生相關(guān)的趨勢(shì)圖和報(bào)表。 與此同時(shí)，調(diào)度中心還會(huì)收到實(shí)時(shí)的發(fā)送信號(hào)。

1.1.3 實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)

城市地形圖作為供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的背景，由供水管網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)為主，并且運(yùn)用相關(guān)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、管理等等技術(shù)， 生產(chǎn)出符合實(shí)際水平的供水管網(wǎng)在線管理系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)管理管網(wǎng)基礎(chǔ)情況。 供給網(wǎng)絡(luò)及其主要數(shù)據(jù)的搜索、合計(jì)還有相關(guān)的管理功能；管網(wǎng)分析也可以實(shí)現(xiàn)，包括事故的關(guān)閥處理，大火產(chǎn)生時(shí)消防栓的查詢等；通過(guò)和調(diào)度系統(tǒng)的接口，管理測(cè)壓點(diǎn)、流量計(jì)的壓力、流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 為供水系統(tǒng)管網(wǎng)模型供給依據(jù)，進(jìn)而全面管理管網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)。

1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

從水廠的調(diào)度情況出發(fā)，進(jìn)而引出城市管網(wǎng)的調(diào)度。 水廠的工藝特點(diǎn)是各工藝單元既相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)各單元之間又存在一定的聯(lián)系。 正因?yàn)楦鞴に噯卧鄬?duì)獨(dú)立，通常將整個(gè)供水監(jiān)控系統(tǒng)按工藝特點(diǎn)劃分成幾個(gè)相互聯(lián)系的控制單元。

中央控制室：通過(guò)各種接口與各工藝單元相聯(lián)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度。

配電控制：對(duì)高壓及低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

取水控制：取水泵、真空泵、潛污泵及軸流風(fēng)機(jī)等進(jìn)行監(jiān)控。

送水控制：對(duì)送水泵、潛污泵等進(jìn)行監(jiān)控。

沉淀控制：對(duì)快開排泥閥、刮泥機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

過(guò)濾控制：對(duì)反沖洗公共部分（反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)、干燥機(jī)及相關(guān)閥門）進(jìn)行監(jiān)控。

濾池控制：根據(jù)單格濾池?cái)?shù)量進(jìn)行配置，每格濾池一個(gè)，對(duì)單個(gè)濾池設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

管網(wǎng)監(jiān)控終端：對(duì)分布于城市內(nèi)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。

在城市管網(wǎng)調(diào)度中，總調(diào)度下轄m 個(gè)分調(diào)度和n 個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，處于系統(tǒng)的最高層。 它根據(jù)供水管網(wǎng)的壓力和各個(gè)分調(diào)度提供的供水參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行綜合調(diào)度。 分調(diào)度一般地對(duì)應(yīng)一個(gè)水廠或一組相對(duì)獨(dú)立的供水設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)其下轄的供水設(shè)備的監(jiān)控和各種供水參數(shù)(壓力、 流量、水位、余氯等)的監(jiān)測(cè)；向總調(diào)度提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和供水參數(shù)；執(zhí)行總調(diào)度下達(dá)的指令。

1.3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)

基于穩(wěn)定性等多方面的考慮， 本系統(tǒng)采用Windows XP系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)的操作系統(tǒng)。 當(dāng)前國(guó)際流行的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，主要有SQL Server 2000，Oracle9i，Sybase 等。 本項(xiàng)目選用SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)平臺(tái)建立的MS SQL 數(shù)據(jù)服務(wù)器。

1.4 系統(tǒng)硬件平臺(tái)需求分析

1.4.1 監(jiān)視機(jī)。 監(jiān)視機(jī)的主要用途為，對(duì)建筑物內(nèi)重要部位的事態(tài)、人流等動(dòng)態(tài)狀況進(jìn)行監(jiān)視、控制，以便對(duì)各種異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)取證、復(fù)核，并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制傳輸圖像信息功能。

1.4.2 大屏幕顯示設(shè)備。 在本系統(tǒng)中選用壁掛式大屏幕顯示器，主要用于調(diào)度室和監(jiān)控室的畫面顯示。

1.4.3 后備電源。 對(duì)于調(diào)度中心來(lái)講，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的情況，所以后備電源是十分必要的，以防止突發(fā)的情況。

2 供水自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組建

數(shù)據(jù)中心采用GPRS 內(nèi)網(wǎng)APN 專線方式進(jìn)行連接(固定IP 地址)， 由一根2M 的APN 專線直接與移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商后臺(tái)企業(yè)網(wǎng)接入服務(wù)器連接；遠(yuǎn)程采集端GPRS DTU 也使用該APN的SIM 卡。 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)采用“自動(dòng)站—數(shù)據(jù)中心—應(yīng)用”結(jié)構(gòu)方式對(duì)全網(wǎng)各個(gè)自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集，自動(dòng)氣象站直接與數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生對(duì)話。 這樣的組網(wǎng)方式減少了中間環(huán)節(jié)的設(shè)備開支，即可提高數(shù)據(jù)傳輸速度，又可以提高管理的統(tǒng)一性，也可以提高了應(yīng)用端的靈活性，可以不斷的擴(kuò)展應(yīng)用端的功能。

2.1 中心數(shù)據(jù)

在信息中心的機(jī)房?jī)?nèi)，中心數(shù)據(jù)就搭建于此。 接入的移動(dòng)公司網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)2 兆速率的專線接入的，廣域連接是由二者的路由設(shè)備構(gòu)成的。 為了躲避數(shù)據(jù)泄漏于過(guò)程中，兩個(gè)站之間采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的加密方式。 防火墻方式隔離二者之間，而且在它里面進(jìn)行端口和IP 地址過(guò)濾，以此來(lái)檢測(cè)通路的有效。

2.2 遠(yuǎn)程采集端

遠(yuǎn)程采集端即自動(dòng)氣象站， 通信設(shè)備采用GPRS DTU，SIM 卡綁定APN 參數(shù)，GPRS DTU 設(shè)置GPRS/SMS 主備通道，主備通道自動(dòng)切換，以GPRS 為主通道，當(dāng)主通道不暢通，則自動(dòng)切換至SMS(即短信)備用通道，任務(wù)結(jié)束后切回主通道。

2.3 數(shù)據(jù)中心與遠(yuǎn)程采集端的會(huì)話

遠(yuǎn)程采集端的GPRS DTU 工作時(shí)根據(jù)預(yù)先設(shè)置其內(nèi)的服務(wù)端IP 地址主動(dòng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心專線路由器，通過(guò)安全性審核后和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器平臺(tái)建立TCP/IP 鏈路，遠(yuǎn)程采集端可以進(jìn)行與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器平臺(tái)的會(huì)話，服務(wù)器平臺(tái)經(jīng)過(guò)鏈路合法性驗(yàn)證后才給予回復(fù)；服務(wù)器平臺(tái)向某個(gè)遠(yuǎn)程采集端提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)GPRS DTU ID 尋找對(duì)應(yīng)的鏈路，將命令下發(fā)至遠(yuǎn)程采集端，遠(yuǎn)程采集端響應(yīng)后返回?cái)?shù)據(jù)，即完成一個(gè)應(yīng)答式的通訊流程。

3 供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化信息化的層次模型

自動(dòng)化和信息化是如今許多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。 現(xiàn)在，許多企業(yè)的管理和組織模式正在朝著“層次化”的目標(biāo)開展，進(jìn)而形成一種新的層次模型。

3.1.1 設(shè)備層面。 設(shè)備的種類相當(dāng)復(fù)雜是這個(gè)層面的一大特點(diǎn)，有驅(qū)動(dòng)部件、傳感部件、I/O 設(shè)備、變送設(shè)備、電磁閥等等。開放性要求滿足設(shè)備層面的種種需求，公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)廣泛的被認(rèn)同，這樣一來(lái)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備，并且設(shè)備的功能不會(huì)受到限制，集成度也不會(huì)被削弱。

3.1.2 自動(dòng)化層面。 控制網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)與這個(gè)自動(dòng)化層面，開放的協(xié)議體系與體系同時(shí)也會(huì)被遵守。 一定要方便地接入具有開放性的標(biāo)準(zhǔn)部件，以便讓來(lái)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(huán)境里達(dá)成，及和上個(gè)層面（信息層面)相互通訊。

3.1.3 信息化層面。 協(xié)議TCP/IP 被這個(gè)層面所遵循，由于其擁有很強(qiáng)的開放性，有力地支撐了實(shí)時(shí)的控制。 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)被控制過(guò)程所指向，這個(gè)信息化層面必須要求它擁有較高的實(shí)時(shí)性、優(yōu)良的時(shí)間一定性、強(qiáng)大的容錯(cuò)性、可靠的安全性、實(shí)用而又簡(jiǎn)易的發(fā)散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等特點(diǎn)。

3.2 系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三層的C/S 體系被本遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所采用。 以傳感設(shè)備將監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中的各種在線數(shù)據(jù)通過(guò)DataSocket 服務(wù)器上傳到網(wǎng)上；所以，用戶們就可以在終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)顯示器里就能夠看到現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的信息工況。 這樣的模式結(jié)構(gòu)亦能夠讓它同時(shí)連接其他客戶并且下載在線數(shù)據(jù)。 以下的若干環(huán)節(jié)組成了這個(gè)系統(tǒng)：

3.2.1 可以給因特網(wǎng)供給服務(wù)方面信息的應(yīng)用服務(wù)器，也就是服務(wù)器DataSocket。

3.2.2 和生產(chǎn)過(guò)程聯(lián)系緊密的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。

3.2.3 客戶端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相關(guān)的軟件。

3.2.4 因特網(wǎng)與DateSocket 之間的代理/防火墻服務(wù)器，進(jìn)而使得網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以劃分為以客戶子系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)、中間層子系統(tǒng)。 請(qǐng)求的信息被客戶子系統(tǒng)發(fā)出，接受由以下中間層子系統(tǒng)處理完畢并且發(fā)送的數(shù)據(jù)； 現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)可以接收中間層子系統(tǒng)發(fā)送的指令，并對(duì)這條指令驗(yàn)證、解析，隨后產(chǎn)生相應(yīng)的控制動(dòng)作；此外，它還可以收集各個(gè)不同現(xiàn)場(chǎng)的控制節(jié)點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)處理、匯總后反饋給中間層子系統(tǒng)；中間層子系統(tǒng)可以看作是一個(gè)中間系統(tǒng)，通常情況下由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器組成。 客戶與現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)進(jìn)行交互就靠它來(lái)負(fù)責(zé)。

3.3 采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)

在國(guó)內(nèi)的供水管網(wǎng)里，絕大多數(shù)的終端設(shè)備還有著串行通訊不流暢、速度不快、抗擾性能不佳、通訊聯(lián)系的長(zhǎng)度被限、運(yùn)作方式固定和較為保守的缺點(diǎn)[36]。 原來(lái)人值守站的RTU 自動(dòng)化程度很低，工作強(qiáng)度很大，相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收也受到很大程度上的限制。 鑒于此，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和過(guò)程控制自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的情況下，非常有必要并且也會(huì)很容易的開發(fā)出數(shù)據(jù)的傳輸、接收以及其相關(guān)流程的功能于一個(gè)整體的RTU 現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)視系統(tǒng)。 這樣，工作人員便能夠在一個(gè)監(jiān)控室內(nèi)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工作情況進(jìn)行監(jiān)視與控制，這就會(huì)同時(shí)節(jié)約許多的人員配備，工作效率也會(huì)被提高。 此外，分布在管網(wǎng)中的測(cè)壓點(diǎn)、測(cè)流點(diǎn)應(yīng)具有一定的代表性。

這樣，我們就可以總結(jié)出遠(yuǎn)程檢測(cè)在RTU 運(yùn)行情況下的主要任務(wù)：

（1）把RTU 與其他設(shè)備隔離，運(yùn)用自動(dòng)的切換設(shè)備，把設(shè)備柜里的RTU 部件一步步切換，并且連結(jié)到RTU 設(shè)備上，這樣便使其能夠校驗(yàn)虛負(fù)荷自動(dòng)比對(duì)。 當(dāng)然，不隔離RTU 設(shè)備也是可以的， 通過(guò)自動(dòng)化裝置切換把RTU 的二次測(cè)量數(shù)據(jù)串聯(lián)或者并聯(lián)的連到RTU 設(shè)備中校驗(yàn)實(shí)負(fù)荷自動(dòng)比對(duì)。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)中存入比對(duì)結(jié)果，原始記錄和檢查結(jié)果同時(shí)也顯示生成。

（3）通訊過(guò)程也可能產(chǎn)生不夠流暢，有些許障礙的情況，這就急需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作者測(cè)試，數(shù)據(jù)接口也會(huì)被提供，這能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還有監(jiān)測(cè)報(bào)告上傳于主機(jī)的系統(tǒng)。

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