供水測控系統(tǒng)中通信系統(tǒng)建設

劉裕偉 劉景彬 姜懷璽

(1.天津市水務局濱海水業(yè)集團 天津 300381; 2.北京農(nóng)學院 北京 102200)

在供水工程的管理中如何提高供水監(jiān)測水平,保障供水安全,提高水資源的合理調(diào)配已成為當前管理部門重要的任務。針對供水過程中存在的問題,急需建立一套完善的、科學的供水信息管理系統(tǒng),適應新形式下供水管理需求。管理系統(tǒng)應集輸水監(jiān)測、超限報警、供水調(diào)度與遠程控制系統(tǒng)于一體,結(jié)合辦公軟件,實現(xiàn)工程管理自動化、信息化。

我們在建立供水測控系統(tǒng)過程中,對一些關鍵性技術(shù)進行了分析論證,提出了具有實際應用價值的解決方案,這些關鍵技術(shù)中的一個重點即是GPRS無線通訊技術(shù),系統(tǒng)利用計算機和網(wǎng)絡、無線通訊等技術(shù),結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集控制設備,流量控制設備等,對供水過程作全面準確監(jiān)控與管理。使管理者隨時掌握整個供水系統(tǒng)的最新信息,實現(xiàn)供水管網(wǎng)管理、運行調(diào)度的自動化。此項技術(shù)的合理運用為供水測控系統(tǒng)的實施和日常運轉(zhuǎn)提供了極為重要的保障作用。“引灤供水管網(wǎng)智能化測控系統(tǒng)”對實現(xiàn)管網(wǎng)供水的聯(lián)合統(tǒng)一調(diào)度,提高工程管理水平和保障供水安全有巨大的實用價值。

1 通信系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)采用通用分組無線業(yè)務 (GPRS)作為無線接入方式。利用現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡的覆蓋范圍,通過移動公司GPRS核心網(wǎng)絡和短信中心遠程接入,連接企業(yè)網(wǎng)絡,有線連接部分使用天津移動2M專線。無線接入部分采用安全成熟的GSM用戶鑒權(quán),將合法用戶的SIM卡與企業(yè)APN進行綁定,對這部分用戶的數(shù)據(jù)連接分配靜態(tài)IP地址。遠程接入部分在GPRS核心網(wǎng)絡為企業(yè)應用設置專用的靜態(tài)路由和專用線路,確保路由信息的唯一性,同時在GPRS核心網(wǎng)絡和遠程接入連接處放置防火墻,加載安全策略確保訪問安全。

GSM手機可以通過短信網(wǎng)絡,隨時隨地以無線方式與數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互。不管身在何處,只要使用GSM手機就可以實現(xiàn)短信查詢功能。

確定數(shù)據(jù)中心被訪問目的IP地址段及子網(wǎng)掩碼。在GPRS核心網(wǎng)APN-DNS服務器上配置APN數(shù)據(jù)和APN解析地址指向數(shù)據(jù)。

在GPRS核心網(wǎng)的網(wǎng)絡交換機上劃分企業(yè)專用VLAN,在兩個路由交換模塊上分別配置靜態(tài)路由,路由交換模塊與防火墻連接的接口配置HSRP協(xié)議,進行雙路由備份。

在GGSN上增加APN數(shù)據(jù)。配置防火墻,提供路由連通能力。在GGSN和防火墻上加載安全策略,進行最終測試。

連接短信中心的企業(yè)接入網(wǎng)關,并為某企業(yè)分配固定的短信端口。

采用GPRS VPN方式無線遠程接入辦公網(wǎng),需配備GRE隧道協(xié)議的VPN服務器。

配合某企業(yè)的遠端測站的全網(wǎng)優(yōu)化。

2 通信系統(tǒng)實現(xiàn)方式

以中國移動的GSM/GPRS網(wǎng)絡為平臺,采用GPRS、SMS、CSD、USSD等方式,通過特種終端,服務于用戶的機器到機器的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。采取點對點或一點對多點的傳輸方式,實現(xiàn)各節(jié)點同中心節(jié)點間的通信。

無線DDN產(chǎn)品構(gòu)成如圖1所示:

圖1 無線DDN產(chǎn)品構(gòu)成圖

無線終端:針對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽媒K端;

傳輸通道:從無線終端到用戶端的應用中心之間的通道;

控制中心:終端上傳數(shù)據(jù)的匯聚點,對分散的數(shù)據(jù)終端進行監(jiān)控。

3 通信系統(tǒng)實現(xiàn)流程

網(wǎng)關以專線形式與GPRS骨干網(wǎng)GGSN接入路由器連接;2M帶寬專線保證最大效率傳輸數(shù)據(jù);

為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)關單獨分配專用的APN(GPRS接入點編碼);

GPRS數(shù)據(jù)采集終端,采用適合網(wǎng)絡要求的GPRS通信模塊,適合系統(tǒng)環(huán)境下的連續(xù)可靠的運行;

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)關設置Radius服務器,為終端分配內(nèi)部IP地址通信通道采用無線DDN,節(jié)省建設費用,有可靠的通信質(zhì)量;

數(shù)據(jù)在GPRS網(wǎng)中的流動過程中,設置識別、身份認證、校驗等安全認證,有效地防止誤操作或惡意入侵對系統(tǒng)的破壞;

數(shù)據(jù)交換通過標準的TCP/IP協(xié)議傳輸,并在協(xié)議層間進行數(shù)據(jù)校驗。

3.1 網(wǎng)絡接入方式

監(jiān)控中心接入:監(jiān)控中心有多種接入方式,考慮到系統(tǒng)安全和成本。本系統(tǒng)采用專線接入。通過專線接入中國移動的路由器,移動公司為用戶提供私有IP地址。數(shù)據(jù)安全性好,穩(wěn)定可靠,傳輸延遲小。

數(shù)據(jù)終端接入:GPRS有CMNET和APN接入方式,CMNET通常用于公眾用戶,APN針對行業(yè)用戶,通常在一個組內(nèi),用戶需設定用戶名和密碼,安全性更好。APN用戶可以申請綁定移動內(nèi)網(wǎng)的固定IP地址。本系統(tǒng)采用APN接入方式。

3.2 數(shù)據(jù)鏈路傳輸方式

經(jīng)過實測,網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性較好,考慮到冗余性和效率。采用UDP方式傳輸業(yè)務數(shù)據(jù),滿足系統(tǒng)要求傳輸速率快的需求。

3.3 傳輸時延 (從發(fā)送到接收數(shù)據(jù)之間的時間)

不同的數(shù)據(jù)包長度,傳輸?shù)臅r延不同。一般MT U(最大傳輸單元)大于200字節(jié)不會明顯增加帶寬,但會增大平均延遲,測試結(jié)果表明MT U的最優(yōu)大小是250字節(jié)左右。目前,一個包長為100到200字節(jié)之間的數(shù)據(jù)包在1秒內(nèi)互傳完畢,大于200字節(jié)的數(shù)據(jù)包平均在1秒到3秒之間。目前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)每次在200字節(jié)以下。

3.4 穩(wěn)定性

在目前的GPRS網(wǎng)絡正常的情況下運行,數(shù)據(jù)包傳輸成功率都在99.9%以上。

3.5 網(wǎng)絡設置

①專線接入路由器,用作專線連接到用戶路由器,并進行配置。

包括:分配給路由器各端口地址,路由IP:192.192.192.150;路由調(diào)試 (只用靜態(tài)路由)。考慮到保護GPRS網(wǎng)絡的安全,在路由器端口加嚴格的數(shù)據(jù)包過濾,只允許GRE隧道的兩端地址和GRE端口號、RADIUS請求和回復數(shù)據(jù)通過,其他一切數(shù)據(jù)不允許進出。

②在GPRS網(wǎng)絡為濱海水業(yè)集團建立APN(YLRG.TJ),此APN需要 RADIUS認證,RADIUS Server位于濱海水業(yè)集團內(nèi);保證在GPRS網(wǎng)絡上均能訪問到此APN。

在GGSN新增加APN,全市任一終端訪問該APN都回歸到GGSN。

為某企業(yè)提供APN路由,該企業(yè)的數(shù)據(jù)從GGSN進入GRE隧道,到該企業(yè)集團的GRE路由器結(jié)束。

數(shù)據(jù)傳輸使用中國移動公司提供的GPRS網(wǎng)絡產(chǎn)品,分別為供水管網(wǎng)中設置的測控站點與數(shù)據(jù)中心之間建立無線通信鏈路,形成中心一點對多點,實時連接,永久在線的網(wǎng)絡互聯(lián)方式。數(shù)據(jù)中心主干鏈路接入2Mb帶寬的專線,完全滿足中心站對全部測控站點進行實時數(shù)據(jù)及辦公文檔的傳輸容量的需要。

數(shù)據(jù)傳輸主干鏈路屬APN類GPRS網(wǎng)絡,與GPRS公網(wǎng)物理隔離,具有高度安全性、可靠性。申請進入測控網(wǎng)絡的賬號由數(shù)據(jù)中心軟件系統(tǒng)嚴格管理,由移動公司網(wǎng)管中心進行24小時監(jiān)控并保留一年內(nèi)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸記錄。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)終端通訊設備采用宏電 H7118 GPRS DT U傳輸模塊(RS-232接口,外置式);該設備抗干擾性強、并具防潮設計,非常適合電磁環(huán)境惡劣的應用需求及野外安置。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)實現(xiàn)遠程無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M織,通過GPRS無線數(shù)據(jù)分組網(wǎng),利用APN技術(shù)可實現(xiàn)從有線到無線的完整解決方案。

4 通信系統(tǒng)實現(xiàn)過程

測站現(xiàn)場裝有各種傳感器和儀表,我們將儀表輸出信號引入采集設備。

現(xiàn)場信號類型主要有電流信號、脈沖信號和數(shù)字信號。流量、壓力、水位信號為4-20mA電流信號,累計水量為脈沖信號。一些儀表有數(shù)字信號輸出,可通過485接入RTU,RTU可接入模擬量AI、數(shù)字量DI和脈沖信號PI。

(1)數(shù)據(jù)采集。RTU是現(xiàn)場信號采集控制設備,采集管道壓力、流量、累積水量、水池水位、閥位 信 號 等。RTU 型 號 為 SuperEAI4AO2DI0DO0PI3-NR。該設備有4個模擬量輸入,2個模擬量輸出,3個脈沖量輸入,兩個通訊端口,一個 RS232,一個 RS485。根據(jù)信號類型,對采集信號進行了歸類。

(2)現(xiàn)場信號接入。將現(xiàn)場采集信號-流量、壓力、水位、閥位接入AI端,累計水量接入PI端,A0端接入電動裝置信號輸出端。

輸入信號類型如表1所示:

表1 輸入信號類型表

圖2 輸入信號連接圖

輸入信號連接如圖2所示

(3)DTU連接與設置。DTU是中心與測站的通訊設備,DT U與RT U通過RS232相連,連接速率9600kbps。DTU上電后,內(nèi)部程序根據(jù)中心站IP和DNS等,與中心站建立連接,經(jīng)過移動公司APN驗證,接入濱海水業(yè)集團監(jiān)控中心。連接成功后,程序定時上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)。

DTU需要預先設定一些參數(shù),與中心站連接。設定的參數(shù)包括中心站IP,DNS,SIM卡號等。以大港水廠測站為例,DT U的參數(shù)設置如表2所示:

表2 DTU參數(shù)設置表

由表2可知,DTU模塊預置了中心站IP地址和自;身SIM號、IP地址等信息。DTU加電后會自動搜索中心站IP與中心站建立GPRS連接,等待向目標地址(中心站)上傳數(shù)據(jù),傳輸速率 30～40Kbps。每次傳送數(shù)據(jù)量約200字節(jié)。數(shù)據(jù)刷新頻率為10s。

同理,DT U亦可將中心站所要進行的遠程調(diào)水指令回傳RTU,再由RTU與現(xiàn)場電動閥門連接,RTU進行相應的運算后對電動閥門發(fā)出調(diào)水指令調(diào)節(jié)閥門的開度達到調(diào)節(jié)水量的目的。RTU的RS232口與通訊模塊DTU相連,連接速率為9600Kbps。數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位分別為8,N,0。

(4)采集程序。采集程序采用圖形化軟件Eladder、C語言等編寫,采集程序根據(jù)采集數(shù)據(jù)的數(shù)量,預先分配寄存器地址,將模擬量讀入指定寄存器,2s動態(tài)更新。

5 結(jié)語

采用GPRS技術(shù)的供水測控系統(tǒng)的實施有效地改善了供水過程中存在的供水數(shù)據(jù)實時性差、數(shù)據(jù)精度低、故障反應時間長、數(shù)據(jù)共享程度低、工作效率低等問題,為實現(xiàn)供水的科學管理提供了技術(shù)保障。

以GPRS為傳輸載體,將現(xiàn)場采集的供水數(shù)據(jù)及時準確傳入中心控制系統(tǒng),是系統(tǒng)重要組成部分。隨著網(wǎng)絡帶寬的逐步加大(開通3G),使實時動態(tài)視頻傳輸成為可能,無線傳輸技術(shù)的發(fā)展為今后水利信息的可視化提供了良好的基礎條件。