基于GPRS熱網實現無線解決方案 應用方案

摘要：本文提供了一種基于GPRS網絡的城市熱網供應系統設計原理和實現方案，簡要介紹了GPRS技術的基本知識，描述了GPRS無線傳輸應用于城市熱網供應系統的實現方法。通過實際應用，獲得了理想的效果.

關鍵詞：GPRS；DTU；Internet；熱網監控；

一．概述：

按照新一輪城市建設和經濟發展規劃，城市建設和經濟發展對優化城市能源結構提出了更高的要求。而推行熱電聯產、城市集中供熱，是解決城市能源結構和環境污染問題的有效措施，充分體現節約能源、保護環境，提高能源利用效率、企業經濟效益和社會效益的最佳途徑。所以既有利于節約能源，又有利于提高熱電企業的經濟效益和社會環境效益，給熱電企業的發展創造了更加廣闊的前景。
    隨著熱用戶的不斷增加，熱用量不斷的加大，而怎樣才能更好，更有效的對整個熱網管道，熱用戶計量進行管理呢？利用遠程監測，對整個熱網管道，儀表進行跟蹤監控，不僅可以全面掌握整個熱網管線供熱狀態，還能快速、準確的反映儀表故障報警信息，方便維護人員及時查修，這樣不僅節省大量的人力、物力，而且極大的提高了熱網的現代化管理水平。城市熱網監控作為數字化城市的一個方面，已顯示出越來越重要的作用。

一、 項目需求

  將下屬的眾多分站的數據傳遞到傳送到熱網控制中心，由于各站之間與熱網控制中心距離很遠，因此針對本項目，采用GPRS無線網絡進行數據通訊是最具性價比的方式。同時，由于系統以后需要根據需求擴展，要求對系統的開放性、可維護性和擴展性給予充分考慮。

三、 系統設計原則

        1．安全可靠穩定性原則：系統的安全可靠運行起著十分關鍵的作用，因此在系統建設過程中，將系統的安全可靠性穩定性作為設計的首選原則。

  2．開放性原則：堅持開放行原則，為今后系統的升級擴展維護和二次開放過程提供較大的靈活性。

  3．技術先進性原則：保證系統的先進性，只有這樣，系統才能經受實際的考驗，保證不會被淘汰。

  4．經濟性原則：經濟性原則不僅體現在設計過程中，而且會為系統今后的維護降低成本。

    5．操作維護簡單原則：系統不僅要功能完善，而且應該操作簡單，維護方便，這會為使用人員帶來很多操作的方便性。

    6．可擴展性原則：為了使系統具有一定的應變能力，可以方便的修改和靈活的擴充，應使系統保證一定的可伸縮性。

四、 系統拓撲圖

系統應用于城市集中供熱，主要解決供熱廠、熱交換站及熱網運行狀態監測，及時有效地獲取城市供熱、輸熱、管網末端的實際運行數據，為供熱管網的質調和量調提供科學的依據。 

城市供熱系統主要由控制中心、供熱站（傳感器和PLC）、加熱站（包括泵和PLC）、才茂通信CM510無線傳輸設備組成的。

1、應用方案：

系統主要由中心監控軟件(力控)、廈門才茂CM3150、西門子 PLC、VIPA  PLC構成，這種方式的主要特點是結構分散、開放性好、穩定性強、性價比高并且擴展容易。
主要工作方式：
力控軟件主要負責數據采集、通訊處理、人機界面和WEB發布等工作；

VIPA  PLC主要是安裝在供熱站中，用來控制現場溫度、壓力、流量、液位信號的采集；現場各調節閥的控制。

廈門才茂通信技術有限公司CM3150無線通信模塊主要將vIPA PLC采集到的各個供熱站數據轉為無線通訊，并將數據通過無線GPRS網絡傳遞給力控軟件；
兩臺SIEMENS PLC互作冗余，同時負責加熱站的現場儀表和設備的通訊及數據采集和控制。一旦有一臺PLC癱瘓，系統可以在最短的時間內自動實現冗余PLC的智能切換，以此來保證加熱站系統監控的絕對可靠性。

CM3150的技術參數  （現在GPRS 已經全面升級為4G網絡）

CM3150 GPRS DTU采用ARM9高性能工業級嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺,超大內存,內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧。為用戶提供高速，穩定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬專用網絡。針對網絡流量控制的用戶，產品支持語音，短信，數據觸發上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數據中心備份，以及多數據中心同步接收數據等功能。公司產品已廣泛應用于金融，水利，環保，電力，郵政，氣象等行業。

無線參數

支持EGSM900/GSM1800無線網絡

GPRS multi-slot class 10

編碼方案：CS1~CS4

符合SMG31bis技術規范

Compliant to GSM phase 2/2+

支持數據、語音、短信和傳真

硬件系統

CPU:工業級ARM9 CPU，200MPS,16K Dcache，16K Icache(業內最高級CPU)

FLASH：8MB（可擴展至32MB）(業內最大內存容量)

SDRAM：64MB（可擴展至256MB）

接口：

1個RS485接口（根據需要，可支持TTL/RS422/RS232），

串口速率110~230400bits/s

指示燈：具有電源、通信及在線指示燈。

天線接口：標準SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐。

SIM卡接口：3V/5V標準的推桿式用戶卡接口。

電源接口：標準的3芯火車頭電源插座。

語音接口：標準的耳機麥克風接口。

供電：

外接電源：DC 9V 500mA

寬電壓供電：DC 5-35V

通信電流：350mA

待機電流：35mA

工業級無線模塊

GRPS模塊：Simens MC39i

尺寸

外形尺寸：92.7x61.3x23 mm（不包括天線及固定件）  

其他參數:

工作環境溫度 -25~+65oC

儲存溫度 -40~+85oC

相對濕度 95%(無凝結)

軟件功能

智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線。

支持RSA，RC4加密算法

支持虛擬值守VWM（Virtual Man Watch）功能，確保系統穩定可靠

支持虛擬數據專用網（APN）

透明數據傳輸與協議轉換，支持多種工作模式

支持數據中心動態域名和IP地址訪問

支持雙數據中心備份

支持多數據中心

支持主從模式

支持短信、語音、數據等喚醒方式以及超時斷開網絡連接。

支持短消息備份及告警。

多重軟硬件看門狗

數據包傳輸狀態報告。

標準的AT命令界面

可以用做普通撥號MODEM

支持telnet功能。

支持遠程配置，遠程控制

通過串口軟件升級

同時支持LINUX和WINDOWS操作系統

加熱站：
力控軟件設在中央數據中心。由兩臺嵌入CP5611通訊卡的采集服務器互作冗余備份，同時采集下位SIEMENS PLC的現場數據。一旦一臺采集站的計算機癱瘓，另一臺計算機的力控軟件可以自動的接過監控的任務，實現上位機的冗余，畫面同步，數據同步顯示、歷史保存。
力控軟件采用典型的C/S和B/S結構，B/S方式是作為WEB服務器，將實時數據和畫面通過WEB進行發布，遠端用戶經過授權，無須安裝任何插件，使用標準的瀏覽器通過固定IP或域名綁定進行訪問即可在遠程進行監視。C/S方式是力控軟件作為標準服務器端與各分站多個客戶端（通過力控NETSERVER通訊組件）進行通訊。客戶端通過局域網的IP地址訪問采集站的數據庫數據，在非本地中控室的其他控制室就可實現對現場數據的采集，各儀表和執行器的下置控制。

供熱站：
力控同樣設置在中控室內，現場66個供熱站點分散在一定的區域內。
在每個供熱站需要有一組相應的采集設備。這里使用VIPA的214CPU作為RTU（數據采集模塊）。由該CPU上的IO模塊，采集供熱站的現場數據，并由自帶的串口和DTU連接。上位的力控在進入運行后，通過因特網的TCP/IP協議與各個分供熱站的DTU進行通訊，采集每個供熱站現場的開關量、模擬量。同時還可以通過對力控HMI（人機界面）上一些參數的設定來控制現場電動執行器或者一些閥門的啟停或開度，來達到根據現場的實際情況調整供暖的溫度。真正做到了在線的遠程監控。
為了保證系統的穩定性和便利的管理方式，人性化的操作。該供熱站系統的DTU全部采用自動呼叫，斷線智能重新連接的方式。這樣在現場一旦停電或出現電話線信號不穩定甚至斷線的情況下，不需要現場再去重新對DTU進行重新的配置。節省了維護成本，大大提高了系統的自動化程度，并保證了該系統的穩定性。

2、工藝流程

PLC不僅要控制循環水泵的起、停，還要間接控制定壓補水泵的起、停和報警輸出。下面以一個供熱站的結構為例進行說明，設P1、P2、P3為三臺循環水泵，P4、P5為兩臺定壓補水泵，P6為PLC的報警輸出。兩臺定壓水泵公用一臺變頻器，由變頻器直接控制，兩泵電器互鎖。變頻器的起、停控制分為手動和PLC控制。變頻器輸入有一路壓力傳感器信號（反饋量），一路電位器信號（參考量），三路開關量（起、停和復位）。有兩路輸出信號（故障報警和低于5 Hz運行）。手動控制設有兩個停止按鈕，一個為接觸器的分斷按鈕，一個為變頻器的軟停車按鈕。需要注意的是因為變頻器的停車均設為軟停車，所以手動停車時應該先按軟停車按鈕，軟停車結束后再分斷接觸器（時間由實際情況定）。變頻器的故障復位信號也設有手動和自動兩路輸入。每面柜有一套氣候補償器，其輸入由外接傳感器輸入，輸出控制電動調節閥，氣候補償器具有聲光報警功能。

水流開關用于檢測水泵啟動后管路內是否有水流通過，若泵運行為兩用一備則每臺泵前端安裝一個水流傳感器、共計3個。或一用一備則兩臺泵共計安裝一個水流傳感器。具體工作過程為：PLC啟動某臺泵后，經過設定的延時，PLC將檢測該泵的水流傳感器輸出信號，若該信號指示無水流動則PLC判定該水泵故障，產生故障報警信號、并通過dtu向中心控制軟件發出信號，再由中心將該水泵斷電并將該泵的備用泵投入運行。

當管路壓力趨于設定值，變頻器工作頻率很低，此時水泵的轉速非常低，水流開關亦有可能發出無水流信號，這種情況并非故障，PLC將通過檢測變頻器的低頻輸出信號來區別（低于5 Hz時變頻器輸出一路信號）。正常情況下水泵24小時進行自動切換，運行備用泵。

3、通信方式    

(1) 現場發起通訊（下位為主，上位為從），如下圖所示： 

   GPRS 通訊控制器 是控制中心與數據采集器（PLC）之間通訊的樞紐，所謂通訊方式以供熱現場為“主”指的即是如此。定制的 GPRS 通訊控制器掌握著數據采集器（PLC）通訊協議的控制命令。定時上傳數據前， GPRS 通訊控制器先從 PLC 中讀取數據并存儲，然后再向控制中心傳輸已取到的數據。

從控制中心發起通訊（上位為主，下位為從），如下圖所示：

先由控制中心向數據采集器（ RTU ）發出“要數據的”請求，數據采集器（ RTU ）接到通訊請求后，再向控制中心傳輸數據。這種通訊方式：是將 GPRS 通訊模塊看作是透明的。也既是“透傳”方式。這種通訊方式，是控制中心上位軟件掌握著數據采集器（ RTU ）通訊協議的控制命令。所謂通訊方式以控制中心為“主”指的即是如此

五、系統功能與特點

1、功能

該供暖監控系統（GPRS 遠程監控）主要完成對工藝流程的監測、控制以及數據的處理、存儲、分析以及報表打印等任務。

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、所有設備運行狀態以及各控制回路的詳細參數等；

調節回路顯示包括所有調節回路，可修改設定值、控制方式、調節參數等，并有實時趨勢圖便于進行PID 回路整定；

設定值顯示包括所有必需參數的設定值、控制方式、調節參數以及其它聯鎖值、報警值等；

報表顯示和打印

采用了DDE 技術，從而使用戶能夠直接使用Excel 編制報表，借助Excel 的強大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報表；

歷史數據的存儲與檢索對重要的數據進行在線存儲，數據的存儲時間最長為10 年。可以通過歷史報表或者歷史趨勢曲線的方式來檢索歷史數據；

控制在監控計算機上可以進行遠程手動控制，使用鼠標、鍵盤控制PLC 來啟動和停止現場的設備；

安全管理

對重要設備的操作、重要參數的修改均會自動記錄，包括登錄的操作員、對設備進行的操作

2、特點

(1) 先進性

本方案設計中不僅采用了先進的軟、硬件，而且著眼于企業“管控一體化”的需求，貫徹了數字化、信息化環保的先進思想，使企業生產數據的進一步智能應用成為現實。該方案使控制系統有機地成為企業

整個IT 架構的一部分。

本系統采用先進的計算機控制系統，主要用于城市熱網的生產控制、運行操作、監視管理。控制系統配有可靠的硬件設備和功能強大、運行可靠、界面友好的系統軟件、編程軟件、控制軟件。

(2) 高可靠性

① 與傳統的無線電臺傳輸相比，GPRS 網的數據傳輸抗干擾能力更強，且通訊覆蓋范圍遠遠強于前者；

② 現場控制站PLC 對工藝過程的控制不會因監控計算機的癱瘓而受影響；

③ 現場控制站的PLC 能夠在惡劣的環境中長期可靠運行，并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結構堅固、抗腐蝕、適應較寬的溫度變化范圍，平均無故障間隔時間（MTBF）15 年。

(3) 強大的功能

① PLC 的編程語言符合IEC61131-3 標準，易學、易懂、易用；

② CPU 內置軟PID，并提供了豐富的指令集及函數庫，用戶直接調用；

③ 組態軟件圖庫豐富，網絡功能強大，報警、報表、歷史數據以及二次開發功能完善而易用。

(4) 優良的開放性

① TCP/IP 協議是目前開放性最好的協議，可以輕松進行系統擴展；

② 組態軟件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供豐富的API 編程接口，方便接入全廠MIS 系統；

③ 同時也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron 等的設備提供了完善的驅動程序庫，從而可以將其它系統輕松接入本系統。

（5）工程截圖

六、結束語

該方案實現了對換熱站運行參數的集中監視、控制，與老系統相比，可以大量的減少維護人員，部分供熱站還實現了無人值守，提高企業的經濟效益。與使用傳統無線電臺相比，該方案具備更好的抗干擾性（尤其是在城市中）、數據傳輸安全性。相信這種遠程監控方案將在城市管網、熱網、石油、地震檢測、電力等一些無線遠程數據監控中得到更大范圍應用。