南水北調(diào)配套工程滄州管道輸水無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探討

劉長征，趙衛(wèi)國，胡榮花，武中強(qiáng)

(河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北滄州 061000)

南水北調(diào)配套工程滄州管道輸水無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探討

劉長征，趙衛(wèi)國，胡榮花，武中強(qiáng)

(河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北滄州 061000)

管道輸水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過中國移動(dòng)GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)沿線管理所、分水口監(jiān)測(cè)站的流量計(jì)、壓力變送器、液位計(jì)、工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、歷史曲線、數(shù)據(jù)查詢，流量、壓力、報(bào)警、報(bào)表等統(tǒng)計(jì)分析處理，完成用水動(dòng)態(tài)變化和監(jiān)測(cè)水廠以上輸水管道的安全運(yùn)行，充分發(fā)揮南水北調(diào)配套工程的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

南水北調(diào);管道輸水;運(yùn)行監(jiān)測(cè);自動(dòng)化

南水北調(diào)工程是我國水資源配置的戰(zhàn)略性工程，興建南水北調(diào)中線工程是黨中央、國務(wù)院根據(jù)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要做出的重大決定。滄州市南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程承擔(dān)著向9個(gè)供水目標(biāo)輸送長江水的任務(wù)，共涉及泊頭市(2個(gè)供水目標(biāo))、東光、吳橋、青縣、肅寧、獻(xiàn)縣、河間及任丘，共8個(gè)縣(市)。工程引水線路總廠191.18 km，一級(jí)加壓泵站5座，二級(jí)加壓泵站座。

輸水管線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)以信息技術(shù)、智能數(shù)據(jù)采集處理、監(jiān)測(cè)儀表的信號(hào)轉(zhuǎn)換、GPRS通信和工業(yè)組態(tài)軟件及二次應(yīng)用開發(fā)等技術(shù)為支撐，對(duì)沿線管理所、分水口的監(jiān)測(cè)站儀表(流量計(jì)、壓力變送器)的流量、管路壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)傳回到建管中心監(jiān)測(cè)服務(wù)器完成分析處理，為管理人員提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)服務(wù)器向監(jiān)測(cè)站發(fā)布數(shù)據(jù)采集命令，經(jīng)GPRS設(shè)備傳到中國移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞到各監(jiān)測(cè)站的GPRS設(shè)備，再到監(jiān)測(cè)站智能數(shù)據(jù)處理器(MCU)，MCU根據(jù)命令將監(jiān)測(cè)站儀表的流量、管道壓力等數(shù)據(jù)傳到監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析、處理操作，并將監(jiān)測(cè)儀表的數(shù)據(jù)發(fā)到各分中心、移動(dòng)分中心，完成一次任務(wù)的執(zhí)行。

1.1 監(jiān)測(cè)中心

1.1.1 組成結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)中心由監(jiān)測(cè)服務(wù)器(一用一備)、GPRS設(shè)備、信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備、微電腦控制器、開關(guān)電源、不間斷電源UPS、蓄電池、打印機(jī)、交換機(jī)、防雷設(shè)備(終端器、電位開關(guān)、接地極、電源及信號(hào)防雷器)等組成。監(jiān)測(cè)中心組成結(jié)構(gòu)見圖1。

監(jiān)測(cè)服務(wù)器運(yùn)行著實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊軟件、通信模塊軟件和分析報(bào)表模塊軟件等應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)中心與各監(jiān)測(cè)站的聯(lián)絡(luò)，對(duì)所有監(jiān)測(cè)站的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析處理等操作，保存系統(tǒng)及各監(jiān)測(cè)站的配置信息和儀表的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)可以將所有監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到分中心、移動(dòng)分中心的服務(wù)器上。

圖1 監(jiān)測(cè)中心組成結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 軟件系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)中心軟件系統(tǒng)采用了性能穩(wěn)定的工業(yè)組態(tài)軟件作為監(jiān)測(cè)中心的支持平臺(tái)，GPRS數(shù)據(jù)的接入采用動(dòng)態(tài)加載Winsock資源的方式來完成各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集處理設(shè)備數(shù)據(jù)的通信。

監(jiān)測(cè)站MCU采集的數(shù)據(jù)，直接召測(cè)到監(jiān)測(cè)中心。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)站儀表的運(yùn)行信息。具備數(shù)據(jù)分析報(bào)表、數(shù)據(jù)匯總報(bào)表及打印功能，可給出日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表。繪出相應(yīng)各監(jiān)測(cè)站的用水曲線圖，可統(tǒng)計(jì)管路總的供水量圖。繪制某幾個(gè)遙測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)流量曲線圖、壓力曲線圖。應(yīng)用軟件由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、通信模塊、分析報(bào)表模塊三個(gè)模塊組成，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 軟件組成結(jié)構(gòu)圖

1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)運(yùn)行的控制中樞。當(dāng)系統(tǒng)到設(shè)置的輪詢周期時(shí)，監(jiān)測(cè)模塊自動(dòng)下發(fā)出指令，各監(jiān)測(cè)站MCU收到指令后，上報(bào)相應(yīng)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)模塊收到數(shù)據(jù)后，顯示實(shí)時(shí)曲線，并把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。

2)通信模塊

監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)中心與各監(jiān)測(cè)站的聯(lián)絡(luò)，通過通訊服務(wù)模塊向監(jiān)測(cè)站下達(dá)命令，由GPRS設(shè)備發(fā)布出去，命令經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)，傳遞到各監(jiān)測(cè)站，各監(jiān)測(cè)站上報(bào)數(shù)據(jù)通過相反的路徑返回。

3)分析報(bào)表模塊

本模塊負(fù)責(zé)查詢、打印各種報(bào)表和圖表，采用Client/Server模式，并自動(dòng)匯總，生成報(bào)表。也可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，繪制歷史用水量、管道壓力走勢(shì)圖等。

1.3 監(jiān)測(cè)站

1.3.1 組成結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)站由計(jì)量?jī)x表(流量計(jì)、壓力傳感器)、監(jiān)測(cè)站智能采集處理設(shè)備(MCU)、GPRS設(shè)備、信號(hào)處理設(shè)備(各轉(zhuǎn)換器、接口模塊)、供電系統(tǒng)(開關(guān)電源、微電腦控制器、光伏發(fā)電板、控制器、蓄電池組、UPS)、防雷設(shè)備(終端器、電位開關(guān)、接地極)等組成。監(jiān)測(cè)站組成結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)站組成結(jié)構(gòu)圖

智能MCU是監(jiān)測(cè)站的核心設(shè)備，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換和控制設(shè)備。和各監(jiān)測(cè)儀表相連接，接受監(jiān)測(cè)中心的命令，完成數(shù)據(jù)的采集、上報(bào)。全系統(tǒng)采用光伏自發(fā)電裝置的12V DC供電方式，現(xiàn)場(chǎng)不提供交流電源。

1.3.2 監(jiān)測(cè)站布設(shè)原則

(1)管道長度≤2公里，可在進(jìn)水端或出水段設(shè)置1處監(jiān)測(cè)站。大于2公里的管道，則在進(jìn)水端和出水段必須各設(shè)置1處監(jiān)測(cè)站即至少設(shè)置2處監(jiān)測(cè)站。

(2)管道長度≥10公里，則在中間位置擇處設(shè)1處中間監(jiān)測(cè)站，管道長度≥20公里，則在中間位置擇處設(shè)1－2處中間監(jiān)測(cè)站。

1.4 無線APN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都是在中國移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)VPN網(wǎng)內(nèi)的GRE隧道內(nèi)傳輸。監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器通過GPRS電臺(tái)來接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)監(jiān)測(cè)站的智能數(shù)據(jù)采集處理器想要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，使用綁定GPRS網(wǎng)內(nèi)IP地址的SIM卡撥號(hào)上網(wǎng)，撥號(hào)上網(wǎng)時(shí)首先要到GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行注冊(cè)，獲得監(jiān)測(cè)中心授權(quán)以后雙方才能建立通信。監(jiān)測(cè)站登陸成功后，校正時(shí)鐘，保持時(shí)間同步，隨時(shí)等待監(jiān)測(cè)中心連接。監(jiān)測(cè)中心下發(fā)命令，經(jīng)各監(jiān)測(cè)站的智能數(shù)據(jù)采集處理器完成數(shù)據(jù)上報(bào)后，在GPRS網(wǎng)絡(luò)中撤銷鏈路，完成了一次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。不需要通信時(shí)，進(jìn)行注銷操作，從網(wǎng)絡(luò)上斷開。

2 系統(tǒng)功能

2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

(1)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)(累計(jì)流量、瞬時(shí)流量、管線壓力、工作狀態(tài)等信息)能夠?qū)崟r(shí)顯示在監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器上，準(zhǔn)確地反映輸水管線的運(yùn)行狀態(tài)。

(2)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每30分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)間隔可自由設(shè)置。

(3)監(jiān)測(cè)分中心可以同步實(shí)時(shí)遠(yuǎn)端演示、顯示每個(gè)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)。

(4)系統(tǒng)主動(dòng)召測(cè)，即任何時(shí)候可以在服務(wù)器上主動(dòng)提取監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站能夠隨時(shí)接受召測(cè)，上報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。

(5)數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)算法，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。

2.2 報(bào)表、圖表功能

(1)數(shù)據(jù)的顯示方式既有電子地圖動(dòng)態(tài)文字?jǐn)?shù)據(jù)，也有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、歷史曲線，具有友好的人機(jī)界面。

(2)自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)，也可隨時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表、打印。

(3)自動(dòng)數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計(jì)管路總的供水量趨勢(shì)圖。

(4)實(shí)時(shí)繪制某監(jiān)測(cè)站瞬時(shí)流量曲線圖、壓力曲線圖。

(5)提供數(shù)據(jù)報(bào)表及查詢功能，選擇監(jiān)測(cè)站以及日期便可得到相應(yīng)的報(bào)表。

2.3 分析處理功能

(1)實(shí)現(xiàn)所有監(jiān)測(cè)站的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

(2)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析各個(gè)取水點(diǎn)的用水情況(如小時(shí)用水量、日用水量)，對(duì)于異常情況產(chǎn)生告警?；诠艿罃?shù)據(jù)分析沿線的壓力損失和流量損失，對(duì)于壓力異常產(chǎn)生告警。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及共享備份

(1)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多級(jí)管理和數(shù)據(jù)共享，和監(jiān)測(cè)分中心、移動(dòng)分中心的數(shù)據(jù)交換。

(2)數(shù)據(jù)信息本地存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)時(shí)間為3個(gè)月。(3)提供完善的數(shù)據(jù)備份功能。

(4)通過內(nèi)部計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享。

2.5 數(shù)據(jù)接口

(1)模塊化結(jié)構(gòu)，便于擴(kuò)展;具有標(biāo)準(zhǔn)的開放通信和網(wǎng)絡(luò)接口，方便系統(tǒng)后期增容。

(2)監(jiān)測(cè)站MCU設(shè)計(jì)光纖接口、GPRS接口通信。拓展1路485接口、1道開關(guān)量、2路模擬信號(hào)接口、1路設(shè)置接口。

(3)模擬信號(hào)提供4－20 mA電流、0－5V DC電壓，數(shù)字信號(hào)采用 RS485、RS232、MODBUS，現(xiàn)場(chǎng)處理采用RS232便于和工控電腦通信。

2.6 安全性設(shè)計(jì)

(1)服務(wù)器采用一用一備的冗余工作方式，主服務(wù)器失效后，備用服務(wù)器啟動(dòng)工作。

(2)軟硬件總體采用分布結(jié)構(gòu)，如果某一局部出現(xiàn)故障，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。

(3)故障自動(dòng)報(bào)警。監(jiān)測(cè)站MCU自動(dòng)將故障信息上報(bào)到監(jiān)測(cè)中心，便于操作人員迅速處理。如有故障造成數(shù)據(jù)漏召，可以補(bǔ)召數(shù)據(jù)以保證有利于數(shù)據(jù)的完整。

(4)采用低功耗工業(yè)級(jí)器件，具有高抗干擾能力和穩(wěn)定性，防雷、防浪涌、防電磁干擾。

(5)電源采用了帶防雷設(shè)計(jì)的開關(guān)電源技術(shù)。配備獨(dú)立的光伏發(fā)電、儲(chǔ)電、穩(wěn)定用電系統(tǒng)，無外接220伏工頻電源。

(6)機(jī)箱防護(hù)等級(jí)為IP65，溫度－300C－600C，滿足全天候無人值守的功能要求。

3 結(jié)語

南水北調(diào)配套工程滄州管道輸水無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過中國移動(dòng)GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)沿線管理所、分水口監(jiān)測(cè)站的流量計(jì)、壓力變送器、液位計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、歷史曲線、數(shù)據(jù)查詢，流量、壓力、報(bào)警等統(tǒng)計(jì)分析處理，達(dá)到監(jiān)測(cè)整個(gè)輸水管道安全運(yùn)行的目的，極大限度發(fā)揮輸水工程的作用，充分發(fā)揮南水北調(diào)配套工程的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

［1］滄州市南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程可行性研究報(bào)告滄州水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.

［2］劉長征.GPRS長距離管道輸水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究技術(shù)報(bào)告.滄州市水利科學(xué)研究所.

［3］韓斌杰.GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化.機(jī)械工業(yè)出版社.

［4］沈振元，葉芝慧.通信系統(tǒng)原理(第二版).西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［5］張明德，孫小菡.光纖通信原理與系統(tǒng) (第3版).東南大學(xué)出版社，2003.

TV213.4

B

1004－1184(2013)05－0099－02

2013-04-01

劉長征(1978-)，男，河北海興人，高級(jí)工程師，主要從事水利科研和水利自動(dòng)化工作。