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摘要：本文提供了一種基于GPRS網(wǎng)絡的城市熱網(wǎng)供應系統(tǒng)設(shè)計原理和實現(xiàn)方案，簡要介紹了GPRS技術(shù)的基本知識，描述了GPRS無線傳輸應用于城市熱網(wǎng)供應系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。通過實際應用，獲得了理想的效果.
關(guān)鍵詞：GPRS；DTU；Internet；熱網(wǎng)監(jiān)控；
一．概述： 按照新一輪城市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，城市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展對優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。而推行熱電聯(lián)產(chǎn)、城市集中供熱，是解決城市能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境污染問題的有效措施，充分體現(xiàn)節(jié)約能源、保護環(huán)境，提高能源利用效率、企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益的最佳途徑。所以既有利于節(jié)約能源，又有利于提高熱電企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益，給熱電企業(yè)的發(fā)展創(chuàng)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(wǎng)管道，熱用戶計量進行管理呢？利用遠程監(jiān)測，對整個熱網(wǎng)管道，儀表進行跟蹤監(jiān)控，不僅可以全面掌握整個熱網(wǎng)管線供熱狀態(tài)，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(jié)省大量的人力、物力，而且極大的提高了熱網(wǎng)的現(xiàn)代化管理水平。城市熱網(wǎng)監(jiān)控作為數(shù)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(shù)據(jù)傳遞到傳送到熱網(wǎng)控制中心，由于各站之間與熱網(wǎng)控制中心距離很遠，因此針對本項目，采用GPRS無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通訊是最具性價比的方式。同時，由于系統(tǒng)以后需要根據(jù)需求擴展，要求對系統(tǒng)的開放性、可維護性和擴展性給予充分考慮。
三、 系統(tǒng)設(shè)計原則
1．安全可靠穩(wěn)定性原則：系統(tǒng)的安全可靠運行起著十分關(guān)鍵的作用，因此在系統(tǒng)建設(shè)過程中，將系統(tǒng)的安全可靠性穩(wěn)定性作為設(shè)計的首選原則。
2．開放性原則：堅持開放行原則，為今后系統(tǒng)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(shù)先進性原則：保證系統(tǒng)的先進性，只有這樣，系統(tǒng)才能經(jīng)受實際的考驗，保證不會被淘汰。
4．經(jīng)濟性原則：經(jīng)濟性原則不僅體現(xiàn)在設(shè)計過程中，而且會為系統(tǒng)今后的維護降低成本。
5．操作維護簡單原則：系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)保證一定的可伸縮性。
四、 系統(tǒng)拓撲圖
系統(tǒng)應用于城市集中供熱，主要解決供熱廠、熱交換站及熱網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測，及時有效地獲取城市供熱、輸熱、管網(wǎng)末端的實際運行數(shù)據(jù)，為供熱管網(wǎng)的質(zhì)調(diào)和量調(diào)提供科學的依據(jù)。 城四、 系統(tǒng)拓撲圖
城市供熱系統(tǒng)主要由控制中心、供熱站（傳感器和PLC）、加熱站（包括泵和PLC）、無線傳輸設(shè)備組成的。
1、應用方案：
系統(tǒng)主要由中心監(jiān)控軟件(力控)、廈門才茂CM3150、西門子 PLC、VIPA PLC構(gòu)成，這種方式的主要特點是結(jié)構(gòu)分散、開放性好、穩(wěn)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(shù)據(jù)采集、通訊處理、人機界面和WEB發(fā)布等工作； VIPA PLC主要是安裝在供熱站中，用來控制現(xiàn)場溫度、壓力、流量、液位信號的采集；現(xiàn)場各調(diào)節(jié)閥的控制。 廈門才茂通信技術(shù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為無線通訊，并將數(shù)據(jù)通過無線GPRS網(wǎng)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(xiàn)場儀表和設(shè)備的通訊及數(shù)據(jù)采集和控制。一旦有一臺PLC癱瘓，系統(tǒng)可以在最短的時間內(nèi)自動實現(xiàn)冗余PLC的智能切換，以此來保證加熱站系統(tǒng)監(jiān)控的絕對可靠性。
CM3150的技術(shù)參數(shù)
CM3150 GPRS DTU采用ARM9高性能工業(yè)級嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺,超大內(nèi)存,內(nèi)嵌自主知識產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧。為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永遠在線，多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專用網(wǎng)絡。針對網(wǎng)絡流量控制的用戶，產(chǎn)品支持語音，短信，數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數(shù)據(jù)中心備份，以及多數(shù)據(jù)中心同步接收數(shù)據(jù)等功能。公司產(chǎn)品已廣泛應用于金融，水利，環(huán)保，電力，郵政，氣象等行業(yè)。
無線參數(shù) 支持EGSM900/GSM1800無線網(wǎng)絡 GPRS multi-slot class 10
編碼方案：CS1~CS4 符合SMG31bis技術(shù)規(guī)范 Compliant to GSM phase 2/2+ 支持數(shù)據(jù)、語音、短信和傳真 硬件系統(tǒng) CPU:工業(yè)級ARM9 CPU，200MPS,16K Dcache，16K Icache(業(yè)內(nèi)最高級CPU) FLASH：8MB（可擴展至32MB）(業(yè)內(nèi)最大內(nèi)存容量) SDRAM：64MB（可擴展至256MB） 接口： 1個RS485接口（根據(jù)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(yè)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(shù): 工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC 儲存溫度 -40~+85ºC 相對濕度 95%(無凝結(jié)) 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(shè)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(tǒng)穩(wěn)定可靠 支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)（APN） 透明數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換，支持多種工作模式 支持數(shù)據(jù)中心動態(tài)域名和IP地址訪問 支持雙數(shù)據(jù)中心備份 支持多數(shù)據(jù)中心 支持主從模式 支持短信、語音、數(shù)據(jù)等喚醒方式以及超時斷開網(wǎng)絡連接。 支持短消息備份及告警。 多重軟硬件看門狗 數(shù)據(jù)包傳輸狀態(tài)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(tǒng)
加熱站： 力控軟件設(shè)在中央數(shù)據(jù)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(xiàn)場數(shù)據(jù)。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(jiān)控的任務，實現(xiàn)上位機的冗余，畫面同步，數(shù)據(jù)同步顯示、歷史保存。
力控軟件采用典型的C/S和B/S結(jié)構(gòu)，B/S方式是作為WEB服務器，將實時數(shù)據(jù)和畫面通過WEB進行發(fā)布，遠端用戶經(jīng)過授權(quán)，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(jiān)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(wǎng)的IP地址訪問采集站的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，在非本地中控室的其他控制室就可實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，各儀表和執(zhí)行器的下置控制。
供熱站： 力控同樣設(shè)置在中控室內(nèi)，現(xiàn)場66個供熱站點分散在一定的區(qū)域內(nèi)。 在每個供熱站需要有一組相應的采集設(shè)備。這里使用VIPA的214CPU作為RTU（數(shù)據(jù)采集模塊）。由該CPU上的IO模塊，采集供熱站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，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(wǎng)的TCP/IP協(xié)議與各個分供熱站的DTU進行通訊，采集每個供熱站現(xiàn)場的開關(guān)量、模擬量。同時還可以通過對力控HMI（人機界面）上一些參數(shù)的設(shè)定來控制現(xiàn)場電動執(zhí)行器或者一些閥門的啟停或開度，來達到根據(jù)現(xiàn)場的實際情況調(diào)整供暖的溫度。真正做到了在線的遠程監(jiān)控。 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和便利的管理方式，人性化的操作。該供熱站系統(tǒng)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(xiàn)場一旦停電或出現(xiàn)電話線信號不穩(wěn)定甚至斷線的情況下，不需要現(xiàn)場再去重新對DTU進行重新的配置。節(jié)省了維護成本，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，并保證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2、工藝流程
PLC不僅要控制循環(huán)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(jié)構(gòu)為例進行說明，設(shè)P1、P2、P3為三臺循環(huán)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(guān)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(shè)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(shè)為軟停車，所以手動停車時應該先按軟停車按鈕，軟停車結(jié)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(shè)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(diào)節(jié)閥，氣候補償器具有聲光報警功能。 水流開關(guān)用于檢測水泵啟動后管路內(nèi)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(jīng)過設(shè)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(chǎn)生故障報警信號、并通過dtu向中心控制軟件發(fā)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(shè)定值，變頻器工作頻率很低，此時水泵的轉(zhuǎn)速非常低，水流開關(guān)亦有可能發(fā)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(qū)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(xiàn)場發(fā)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(shù)據(jù)采集器（PLC）之間通訊的樞紐，所謂通訊方式以供熱現(xiàn)場為“主”指的即是如此。定制的 GPRS 通訊控制器掌握著數(shù)據(jù)采集器（PLC）通訊協(xié)議的控制命令。定時上傳數(shù)據(jù)前， GPRS 通訊控制器先從 PLC 中讀取數(shù)據(jù)并存儲，然后再向控制中心傳輸已取到的數(shù)據(jù)。
從控制中心發(fā)起通訊（上位為主，下位為從），如下圖所示： 先由控制中心向數(shù)據(jù)采集器（ RTU ）發(fā)出“要數(shù)據(jù)的”請求，數(shù)據(jù)采集器（ RTU ）接到通訊請求后，再向控制中心傳輸數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)采集器（ RTU ）通訊協(xié)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(tǒng)功能與特點
1、功能 該供暖監(jiān)控系統(tǒng)（GPRS 遠程監(jiān)控）主要完成對工藝流程的監(jiān)測、控制以及數(shù)據(jù)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(shù)、所有設(shè)備運行狀態(tài)以及各控制回路的詳細參數(shù)等； 調(diào)節(jié)回路顯示包括所有調(diào)節(jié)回路，可修改設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)等，并有實時趨勢圖便于進行PID 回路整定； 設(shè)定值顯示包括所有必需參數(shù)的設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)以及其它聯(lián)鎖值、報警值等； 報表顯示和打印
采用了DDE 技術(shù)，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(shù)據(jù)的存儲與檢索對重要的數(shù)據(jù)進行在線存儲，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)； 控制在監(jiān)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(xiàn)場的設(shè)備； 安全管理 對重要設(shè)備的操作、重要參數(shù)的修改均會自動記錄，包括登錄的操作員、對設(shè)備進行的操作
2、特點 (1) 先進性 本方案設(shè)計中不僅采用了先進的軟、硬件，而且著眼于企業(yè)“管控一體化”的需求，貫徹了數(shù)字化、信息化環(huán)保的先進思想，使企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進一步智能應用成為現(xiàn)實。該方案使控制系統(tǒng)有機地成為企業(yè) 整個IT 架構(gòu)的一部分。 本系統(tǒng)采用先進的計算機控制系統(tǒng)，主要用于城市熱網(wǎng)的生產(chǎn)控制、運行操作、監(jiān)視管理。控制系統(tǒng)配有可靠的硬件設(shè)備和功能強大、運行可靠、界面友好的系統(tǒng)軟件、編程軟件、控制軟件。 (2) 高可靠性 ① 與傳統(tǒng)的無線電臺傳輸相比，GPRS 網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力更強，且通訊覆蓋范圍遠遠強于前者； ② 現(xiàn)場控制站PLC 對工藝過程的控制不會因監(jiān)控計算機的癱瘓而受影響； ③ 現(xiàn)場控制站的PLC 能夠在惡劣的環(huán)境中長期可靠運行，并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結(jié)構(gòu)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(nèi)置軟PID，并提供了豐富的指令集及函數(shù)庫，用戶直接調(diào)用； ③ 組態(tài)軟件圖庫豐富，網(wǎng)絡功能強大，報警、報表、歷史數(shù)據(jù)以及二次開發(fā)功能完善而易用。
(4) 優(yōu)良的開放性 ① TCP/IP 協(xié)議是目前開放性最好的協(xié)議，可以輕松進行系統(tǒng)擴展； ② 組態(tài)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(tǒng)；
③ 同時也為世界各大廠商，如Modicon、Siemens、AB、GE、Omron 等的設(shè)備提供了完善的驅(qū)動程序庫，從而可以將其它系統(tǒng)輕松接入本系統(tǒng)。
（5）工程截圖
六、結(jié)束語 該方案實現(xiàn)了對換熱站運行參數(shù)的集中監(jiān)視、控制，與老系統(tǒng)相比，可以大量的減少維護人員，部分供熱站還實現(xiàn)了無人值守，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。與使用傳統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸安全性。相信這種遠程監(jiān)控方案將在城市管網(wǎng)、熱網(wǎng)、石油、地震檢測、電力等一些無線遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中得到更大范圍應用。
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