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基于GPRS的燃氣SCADA系統應用解決方案

發布時間：2011-01-06 11:32:00

第一部分概述

城市燃氣是城市基礎設施的重要組成部分，對社會環境和現代化城市建設起著舉足輕重的作用。為了保證天然氣輸配管網的安全運行和穩定供氣，提高現代化的供氣管理水平，北京市燃氣集團現已完成了一個自動化水平較高、覆蓋范圍廣泛的SCA—DA系統(監控及數據采集系統)整個燃氣遠程監測數據傳輸系統。

目前SCADA系統中采用的數據通信可分為有線和無線兩大類，其中有線通信主要包括架設光纜、電纜，電話線或x．25、DDN、ADSL等。無線通信主要為短波通信、擴頻通信、衛星通信、GSM通信及GPRS(通用分組無線服務)通信等。在燃氣行業中，由于各監控點地理位置的特殊性，存在著如監測點數量多、分布范圍廣且距離遠甚至地處偏僻等問題。以前都是使用租金昂貴的DDN有線通信，自己建設電臺的400 MHz短波無線通信方式等，這些通信方式具有投入大、租費貴及服務不及時等特點。

隨著通信技術的不斷發展完善，組網靈活、造價較低、建設期短、運行維護簡單、性價比較高的無線通信在SCADA系統中逐漸成為一種趨勢。GSM網絡經過移動通信部門的多年建設，近年來覆蓋范圍不斷擴大，已成為成熟、穩定、可靠的通信網絡，特別是近年來推出的GPRS新業務，十分符合SCADA系統的使用特點。這樣，在SCADA系統中采用GPRS網絡來進行數據傳輸成為可能。

GPRS燃氣SCADA系統是廈門四信通信科技有限公司和系統集成商合作開發的基于GPRS技術的燃氣SCADA系統。通過現場監控終端RTU和GSM/GPRS網絡，可對各地多個加氣站、儲配站、調壓站以及計量點進行組網，實現遠距離實時集中控制管理，能夠實現對管網壓力、流量以及環境參數、動力環境進行遠程無線實時監測、控制、報警、故障診斷和排除的功能。監控系統貼合氣站實際情況，無論其實用性、可靠性、技術先進性、經濟性等方面都有許多創新。

調度管理中心和工作、維護人員利用“燃氣GPRS遠程監測系統”提供的遠程無線監測、控制、報警、報表、打印等功能，可實現對氣站的全面監控、管理。

第二部分項目分析

燃氣GPRS遠程監測主系統由燃氣配送管網監控子系統、燃氣計量數據采集子系統和燃氣數據控制中心組成。燃氣配送管網監控子系統能夠實現對管網壓力、流量以及環境參數、動力環境進行遠程無線實時監測、控制、報警、故障診斷和排除的功能。燃氣計量數據采集子系統可監測燃氣用戶的燃氣使用量，支持GPRS在線監測功能，并可將監測的燃氣使用數據按圖表、報表等方式統計、查詢。整套監控系統貼合燃氣站實際情況，無論其實用性、可靠性、技術先進性、經濟性等方面都有許多技術創新。

2.1系統組成

燃氣輸配SCADA系統一般由現場RTU，無線傳輸終端F2103，控制中心通信服務器，SCACD系統服務器和操作員終端（客戶軟件或web系統）等部分組成。

2.1.1 RTU：采集器采集管網壓力、流量以及環境參數、動力環境等；燃氣計量獲取用戶燃氣使用量。
2.1.3 傳輸終端：傳輸終端采用廈門四信的F2103，實時永久在線，內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧，透明傳輸，同時支持RS232和RS485，支持多種工作模式，支持虛擬數據專用網。
2.1.3 控制中心通信服務器
2.1.4 中心軟件系統：基于ORACLE數據庫的抄表軟件，用戶數量無限制，安全可靠，運行和處理速度快，功能豐富完善。

2.2 系統總架構

系統由中心站和監測站組成，主站負責監控和管理，監測站采用RTU模塊實現數據采集、存儲、控制及上傳。

監測站各種監控傳感器首先匯總到采集器RTU，各種監控數據（壓力，流量，環境，使用量等）由傳感器通過信號線到RTU，RTU通過RS232/485接口與廈門四信通信的F2103（RS232或RS485）無線傳輸終端連接，RTU對監控數據進行處理，協議封裝后，把數據傳給F2103 IP MODEM(gprs dtu)　，F2103 IP MODEM通過對數據協議處理，打包，然后發送給GPRS無線網絡，通過無線網絡將數據送至監控中心，實現監控數據和監控中心系統的數據通訊。

采用的傳感器包括溫度傳感器、濃度傳感器、氣量傳感器、壓力傳感器等，輸出為電壓、電流模擬信號，具體情況可更具實際需要增加或改變相應的傳感器。遠程數據中心服務器使用APN專線或普通ADSL等作為網絡接入。當F2103通過GPRS網絡連接到遠程數據中心服務器主機，建立透明數據通道后，RTU產生的數據只要送到串口，F2103就會把收到的數據原封不動地發送到數據中心服務器主機；同時服務器主機下發的命令通過通道傳輸到F2103后，F2103通過串口送到RTU，從而實現了數據雙向透明傳輸。系統拓撲圖如下圖所示：

2.3系統功能

主站采用PC計算機，通過光纜，ADSL或APN專線連接到互聯網或無線專網，主站向從站發送數據，并接收從站發來的數據。主站接收從站傳來的各自信號，處理后顯示輸出，如果有異常情況發生，可進行聲音報警，提醒操作人員采取措施，防止事故發生。系統有在線組態功能，根據整個熱力系統的狀況，自動對各從機在線組態，控制整個系統自動運行。主機可自動生成各種報表，并設有值班檢查功能及定時打印、隨機打印功能，實現對整個天燃氣系統自動化管理。

1、用戶或子站（GIS）地圖
2、報表功能
3、圖表曲線功能
4、故障處理和報警功能
5、強大的數據庫查詢功能
6、兼容不同通信協議
7、實時在線功能
8、系統安全設置：系統設置多級權限，不同權限的功能有所不同。
9、時間同步
10、網絡發布功能

數據監控中心服務器運行網絡版的應用軟件，可以通過局域網把各個采集終端的數據共享給有關領導和部門；局域網內的授權用戶可以查看、調閱數據庫的內容，實現辦公自動化。

第三部分項目架構實施
3.1 傳輸模塊與采集終端連接

四信的F2103無線傳輸模塊同時支持RS232/485接口，可通過RS232/485與終端通訊。本系統采用的是232的接口方式。F2103和采集器的接線線序如下：

3.2 數據中心網絡接入方式分析
1. APN專線接入

中心采用APN專線，所有點都采用內網固定IP，客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。

用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能）。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。

用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。

移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。

中心采用APN專線接入的方式，在實時性，安全性和穩定性表現優異，適合于安全性要求較高、數據點比較多、實時性要求較高的應用環境。在資金允許的情況下之最佳組網方式。

2. ADSL撥號連接（動態公網IP地址）

中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網動態IP+DNS解析服務的。客戶先與DNS服務商聯系開通動態域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用，但穩定性受制于DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模應用。

3. 通過固定公網IP連接

中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP服務的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業務，中心有公網固定IP的。IP MODEM直接向中心發起連接。雖然申請固定IP費用比較貴，但其運行可靠穩定，組網方式簡易方便，深受廣大用戶的青睞，一般推薦此種方案。

3.3 無線數據傳輸方式

傳輸設備采用廈門四信的F2103，其功能齊全，性能穩定，簡單易用，它是一款工業級別的無線傳輸終端，已經廣泛地應用在各種各樣的工業，金融場合。

終端設備和傳輸設備連接好后，設置好各種通訊參數，工作模式后，在傳輸設備F2103中填入數據中心的地址和應用程序的端口號。這樣當終端設備數據傳給傳輸設備F2103，F2103就會把數據透明地傳輸到中心。

終端設備支持多種中心模式（主備中心，多中心），多種激活模式（電話，短信，數據），多種工作模式（TCP，UDP，telnet等），方便用戶組網和各種系統需求。心跳包機制，注冊包機制，數據幀可控，重連機制等多種機制不僅保證設備實時在線，而且穩定可靠，同時方便客戶根據現場的情況，來設置各種傳輸參數，進而達到最佳效果。

3.4 數據中心軟件平臺構建

抄表系統的核心部分是系統軟件，它遵循DL/T645部標通訊規約，并有擴展性。具有四信通信的GPRS無線模塊的中心端軟件建有多種方式，對于傳入數據的方式的不同，我們提供不同的軟件來幫助客戶快速地實現中心端的數據接收和現場設備的管理。目前四信提供三種方式的中心接口：

首先是對于組態軟件，目前很多組態軟件廠家已經集成了四信通信的驅動了，可以直接配置使用；其次對于原本是讀串口的程序，為了兼容原來的系統而不做開發工作，我們提供一個虛擬串口軟（TCP2COM）；最后是對于想開發自己獨有的數據中心軟件的客戶，會提供一個動態鏈接庫及四信公司的測試版數據中心軟件，不僅開放源碼還全程協助客戶進行自己數據中心軟件和功能的開發。客戶可能通過動態鏈接庫快速開發一個靈活的，穩定的，功能齊全的終端管理和數據交互的中心軟件。

如下是該系統的中心站軟件：

監控中心監測軟件采用通用編程工具開發，具有靈活性好、針對性強的特點，可以對采集來的現場數據和實時數據進行分析、處理、保存、入庫，制作輸出報表、繪出各種曲線，從而實現整個系統的遠程抄表、實時監測及自動化管理功能。界面友好、操作簡單方便，真正實現了高效率和辦公自動化。可同時兼容多個二次儀表廠家的通信協議，也可根據用戶的要求增加用戶自己的通信協議。系統的網絡數據庫使網絡化管理變得簡單易行。

三．設備的特點和參數
1.遠程終端控制單元RTU

遠程終端控制單元一般為無人值守站，分布在全市范圍內。RTU采集站內各儀表分層值(如進口壓力、出口壓力、溫度、環境溫度等)、實際值(如瞬時流量、累積流量等)和各種開關量、異常信息等，經RS232接口并利用MODBUS協議和IP MODEM進行數據傳輸；同時接收并執行經IP MODEM傳送過來的各種指令。

2.F2103通信模塊

F2103 GPRS IP MODEM采用高性能嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，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。

它具有豐富的軟件功能：

1. 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。
2. 支持RSA，RC4加密算法
3. 支持虛擬數據專用網（APN）
4. 透明數據傳輸與協議轉換，支持多種工作模式
5. 支持數據中心動態域名和IP地址訪問
6. 支持雙數據中心備份
7. 支持多數據中心
8. 支持短信、語音、數據等喚醒方式以及超時斷開網絡連接。
9. 支持短消息備份及告警。
10. 多重軟硬件看門狗
11. 數據包傳輸狀態報告。
12. 標準的AT命令界面
13. 可以用做普通撥號MODEM
14. 支持telnet功能。
15. 支持遠程配置，遠程控制
16. 通過串口軟件升級
17. 同時支持LINUX和WINDOWS操作系統

四．總結

　隨著工業供氣的發展和用戶對供氣要求的不斷提高，為了確保供氣管網安全、穩定、經濟運行，提高燃氣管理效率，實現燃氣網現代化管理水平，采用燃氣管網無線監控系統對燃氣網進行集中監控和量化管理已是當前發展趨勢。燃氣管網無線監控系統對于熱力公司提高供熱效率、降低運行成本，同時可以減少各監測站的長期值守人員，極大的降低管理費用具有非常顯著的經濟效益。采用廈門四信通信的F2103 GPRS傳輸終端，使得整體系統數據實時在線，永遠在線，穩定可靠。成熟的GPRS網絡上，穩定可靠的傳輸終端，靈活快捷的組網方案使得燃氣檢測管理在建設成本，運營成本和技術投入大為降低。而且廈門四信通信的F2103 GPRS傳輸終端工業級設計，組網靈活，安全可靠，實時在線的特點很適合運用在燃氣行業的應用。

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