哈尔滨铁路局海拉尔房产建筑段
摘要：供水系统的远程监控体系发展过程包含继电器的控制、遥感技术与SCADA系统三个阶段，就目前而言，国内很多城市引入发达国家先进设备与自动化的技术，促进了国内供水远程监控系统的完善。本文主要通过工程实例分析了供水所的GPRS远程监控系统情况，以其为国内供水系统的远程监控体系设计提供参考。
关键词：供水所；远程监控；GPRS；无线局域网；系统设计
水对于人类生存发展有着重要意义，无论是工业生产，还是日常生活都离不开水资源。尤其是铁路供水企业，还肩负着广大旅客的客车上水需求，伴随社会经济进步与发展，产生大量的水资源浪费，水质受到污染等现象，严重影响了人类的健康，同时由于人工成本费用增加，如何降低企业成本成为课题。因此，需要应用现代化技术，设计远程监控的系统，不断降低供水成本，提高供水安全保障系数，自动化水平应用到供水系统势在必行。
1.工程实例分析
1.1工程现状
海拉尔给水车间负责海拉尔、东海拉尔、伊敏、完工、乌固诺尔等站区的生产单位、职工家属的供水任务，东海拉尔供水所负责东海拉尔站车站、电务等单位用水及消防用水，现在有水源井1眼，蓄水箱1座，过滤水罐1座，加压泵2台，值班人员3人，实行倒班制，人员老龄化严重，后续人员紧张，急需实现全自动无人值守，远程监视控制，来解决生产组织难题。
1.2工程目标
为了节约人员资源，降低职工劳动强度，提高设备运行的自动化程度，增加供水安全保障系数，计划在东海拉尔供水所安装视频监控设备及自动控制装置。工程竣工后，车间值班人员在中控室即可完成东海拉尔给水所内设备的操作及现场视频的监控。实现对水源潜水泵、二级加压泵、过滤罐电动阀门的远程控制，对现场电压、电流、管网压力、蓄水池水位的测量及监控给水所内外的视频图像，并对电压、电流、用电量、压力、流量等重要数据进行集中监测、集中对比，各项数据进行自动记录、自动存储、自动分析、自动形成报表和综合曲线，为合理调整设备运行方式，设备检修计划制定，节约生产成本提供有力基础资料保证，最终达到节省成本，提高效益的目标[1]。综上所述，应用这种远程监控系统，既可以取消值班人员，直接降低人工成本，又可以直接观察设备运行状态，更换高能耗设备，降低生产成本；还可以连续获取设备运行数据，降低人力资源使用率，进而降低管理成本，由于增加了视频监控设备和红外线报警设施，并与运行设备实现联锁，从而实现供水系统安全、经济、自动运行的目标。
2.远程监控的技术
2.1远程监控的技术分类
2.1.1完全型的远程监控体系
完全型的远程监控体系是指远程终端所有控制操作均是通过监控系统完成，而现场控制系统仅是终端的设备执行架构，其不参与操作和控制。完全型的远程监控体系设备与终端的控制是分离状态，在终端的控制系统中，要求高速传递相关信号，确保系统能够迅速对现场情况作出反应。
2.1.2完成型的远程监控体系
完成型的远程监控体系是指远程监控的系统仅将控制命令发送到监控终端设备的控制器中，然后通过下位机设备自动地完成命令控制。通常远程监控的中心无需对设备监控过程实现进行负责，设备会自动将工作情况生成系统报告，并反馈到监控系统。该监控系统终端设备的控制主要通过本地完成，需要在操作人员监控下进行工作。
2.1.3保持性的远程监控体系
保持性的远程监控体系要求现场的设备可以实时将设备运行情况发送给监控中心，使得远程监控的系统充分掌握设备运行情况，并且现场设备有智能性，在自动处理一些设备简单故障，故障进一步进展，需要进行解决时，工作任务将暂停，需工程师对故障进行处理，将故障损失降低。保持性的远程监控体系应用，无需人员值守远程终端，在人力无法到达与危险环境中比较常用。
2.1.4人机交互远程监控的系统
人机交互远程监控的系统是指监控终端设备经远程监控体系与现场操作者共同完成控制的任务，远程的监控系统主要作用就是远程指挥，现场操作人员则是负责现场的控制工作与设备维修。在完成控制工作过程中，监控终端与监控中心能够通过互联网连接，实施设备和人、人和人以及设备和设备间交互，使得设备运行信息及时传至监控系统中。
2.2远程监控设备的接入技术
在远程监控的系统实现过程中，终端设备接入是一个难点，即如何使得现场设备和控制系统通讯。近几年，设备控制系统种类越发越复杂，各个厂家均有自己控制的方式，并且各个厂家所用控制设备基本没有联网的功能。因此，需要改造现场设备接口，应用控制器对现场设备控制情况与信息进行提取，再经过现场的控制器实施联网通讯。在上个世纪的九十年代，现场总线是一种先进工业联网的控制工艺，其出现使控制器能够根据相同的通信协议控制不同现场设备，把互联网通信概念应用在工业控制领域中。现场总线同时顺应了远程控制系统智能化、网络化与分散化发展的趋势，逐渐变成工业控制的技术新热点。而现场通讯的协议主要是在ISO/OSI的协议开放体系模型基础上发展而来，其需要功能块、设备描述与通信栈等，可以有效结合控制计算、互联网技术与仪表技术等，是工业控制的技术发展新方向。就目前而言，伴随局域网的技术不断完善与发展，特别是TCP/IP的协议标准以太网渐渐成熟，网络技术中开始融入远程监控的控制系统，在很多程度上拓展了远程的监控系统监控范围，大幅度改善了监控系统互联性与透明性，尤其伴随监控技术进一步的发展，实现了现场总线和以太网互联，构建了庞大分布式互联网监控的系统，这对于远程监控系统的发展非常有利。
3.无线通讯的技术
3.1无线传感器的网络
目前，无线传感器的网络主要把Zigbee的当做主要方向，其结合了无线通信的技术与现场总线。主要特点为：可靠性比较高，采取碰撞避免专用时隙与机制实施数据的传输，可加大可靠性；功耗性比较低，无线传感器的网络应用休眠的模式，在工作周期内可以降低网络传输功耗；网络的容量比较大，每个Zigbee的能够容纳的主设备为一个，能容纳的从设备为65536个，每个网络区域中可同时兼容一百个Zigbee的网络；成本比较低，网络中模块的初始成本不高。
3.2蓝牙的技术
这种技术属于短距离的无线通讯的技术，工作频率为2.4GHz，该频段在全球范围内适用。应用蓝牙技术能够同时传输数据与语言，传输率高达10Mbps，实现了数据共享与无缝连接。
3.3无线数传的电台
通常无线数传的电台主要指的是监控系统把所采集数字信号经调制的解调器转变成音频信号，使得特定的频率电台可以发射，然后把信号发射到接收端，接收端再经调制解调器把信号恢复成原来的信号。在无线数传的电台传输信号时，主要包含两种传输的频段：即350-512MHz以及800-900MHz，其为传统无线的监控系统中常用通讯方法。主要特点如下：软件的功能比较完善，功能特点、主要指标与技术参数均可通过编程进行设置；在各种工作的环境中都适用，例如：潮湿、低温与高温环境中，并且工作温度范围比较大，在监控系统中有着较高的适用性，特别在野外适用性比较强；数据传输可靠性相对较低，通常商用数传电台电磁环境的比较恶劣，只可以在单一固定频点进行工作，并且通信信道的稳定性不好，会因为建筑物、其他的电磁波与天气等因素受到干扰；数据传输距离相对较短，通常数传电台传输距离数量级在100千米左右，需要进行远距离的传输。
3.5GPRS的技术
GPRS通用分组的无线业务主要在GSM全球移动的通信系统基础上发展而来，这种无线通信的方式可以实现数据高速通信，其是分组交换数据传输和承载通信的方式。GSM属于全球最大通讯的网络，其用户数量非常多，通信的方式主要是时分多址的方式，即把每个语音的信道分成八个不同的时间片，然后同时承受了八路话音通话，这样可以大幅度提高频率利用率。短信息一般是经控制信道来传输，该传输容易发生问题，尤其在GSM的络较繁忙时，会延长短消息传送时间，传输时间会达到几十个时辰，缺乏较好的时效性。另外，GPRS也被叫做2.5G的移动通信网络，其是为GSM（2G）发展到3G移动通信网络技术时的必经发展阶段。并且GPRS全方面利用了GSM的现有网络通信技术与设备，在某种程度上实现了部分软件设备与硬件设备升级，这时手机通话依然使用GSM的方式，数据信号传输则应用GPRS的通信模式。GPRS也是数据高速处理的技术，主要通过分组交换方式进行数据传输，并在移动用户与数据网络间构建了连接，理论数据传输最大速率高达171.2Kbps。
4.系统的总体设计
4.1系统总体的设计结构
整个系统结构如图一。
图一系统总体设计的结构图
本次所设计系统具备以下特点：
①信息化管理功能强大，可方便的进行信息、数据发布、传输管理；
②采用目前应用十分广泛的集中管理、分散控制的结构模式，使系统具备集中管理方便、控制灵活、扩展简单的特点；
③系统通讯网络配置合理，具有较高的传输速度、良好的开放性和较强的抗干扰能力；
④系统设备可靠性高，运行维护简单，并具有良好的可扩展性；
⑤系统设计选型合理，使系统具有较高的性价比；
⑥软件设计结合现场，具有良好的界面，适应值班人员的操作习惯，便于管理。
系统设计过程如下：
①中控室内安装两台工控机。一台用于组态饮水安全管理软件，实现对供水所内设备数据的采集，智能分析等，另一台用于视频监控，值班人员可通过网络时时掌握供水所内的水源、设备运行等情况。
②建立GPRS数据传输网络，实际远程控制。针对东海拉尔供水所和给水车间的距离较远，经无线传输各种特点与实际情况进行分析，确定设利用GPRS技术，通过服务器实现对东海拉尔给水所和海拉尔中控室两个终端的联网远程控制。
③接入internet网络，实现远程视频监视。由于供水所距离较远，视频监控数据量大的特点，对比分析无线传输、internet网络、光纤传输的各自特点和费用，设计采用internet网络通讯网络进行数据传输，实现中控室对供水所的远程监视。
④在加压水箱内安装水位传感器监控水位，将过滤水罐原有蝶阀更换为电动蝶阀，实现远动操作，增设配电柜，将原由配电柜调整为备用配电柜。
⑤在东海拉尔供水所内的室内和室外，安装2台高清球机摄像机，其中一台为网络硬盘录像机，同时在中控室安装工业控制机，实现对数据及视频的监控[2]。
4.2系统的原理
4.2.1监控中心
监控中心是对计算机进行远程监控，其装设了LabVIEW8.5的软件，同时配备了无线局域网的接口USB，并在内部设定了IP的地址，能够控制程序与远程监测，可以应用无线通信的网络进行远程监控，实时监控与控制被监控的对象。
4.2.2GPRSDTU
DTU为DataTerminalUnit英文的缩写，主要指的是数据终端的设备，在GPRS无线通信过程中，数据发送与接受均会有DTU。DTU全称为GPRS的数据传输相关单元，现在已经有明确规定：DTU主要是串口数据传输设备。
4.2.3GPRS的网络
首先远程终端应用PLC进行数据采集以后，传到GPRS无线通信的控制终端，终端再把数据打包成TCP/IP的数据包，再把数据转换为GPRS的数据包，传输至无线数据交换的中心。然后通过交换中心解析GPRS的数据包，把TCP/IP的数据包经网关传至Internet互联网，通过Internet传至通信控制的计算机。
4.2.4无线的AP
AP主要提供了信号接收与发射的功能，其工作原理是经双绞线来传输网络信号，再通过AP编译产品，对电信号进行转换，从而新城无线网络覆盖。
4.2.5无线的天线
如果无线的AP距离计算机比较近，伴随传输距离增加，会减弱信号，这就需要应用无线天线放大发动与接收的信号。
4.2.6监控终端
终端在采集现场的设备电流与电压等信号以后，首先经过处理，再传至无线通讯的设备中，PLC接收了监控中心控制信号后，就会使得相关设备进行相应的操作。
5.自控系统的设计
5.1自控系统预期目标
自控系统设计主要目的是实时远程自动控制设备组合运行，降低生产成本，提高管理水平，实现节能降耗，通过计算机和设备的实时在线管理，降低人为因素造成的损失和管理混乱，采用智能化装置，运用先进的计算机技术，实现了设备的远程监控，，使管理人员获取更完善真实的信息，及时了解设备运行状况，作出决策，使得管理更加科学化，减少了人为操作的可能性，使设备运行更加安全、可靠、经济[3]。
5.2自控系统软件功能
控制中心运行计算机监控软件，主要就是为了实现数据采集与处理、优化调度、经济运行、操作控制、事故分析与处理、人机联系及操作等功能。
5.3数据采集与处理功能
数据采集与处理包括设备运行状态监视、水池水位监视、电气参数的监视、管网流量、压力监视、通信设备或通道运行状态监视等内容。
5.4报警管理
报警管理主要包含两种方式，具体如下：其一，数据越初限处理：调整相应的工艺设备，并提示值班人员。其二，数据越极限处理：停止相关设备的运行，并提示值班人员。其中：提示信息包括报警内容，计算机处理内容，处理结果，维护提示，处理预案等。报警方式包括：颜色变化、闪烁、弹出文字信息、声音提示等。
5.5事故分析与处理
供水设备本身或因输电线路出现事故而被迫停机、供水管路出现漏泄故障、水池水位出现异常等情况时，计算机系统能及时发出警告，根据工艺要求，自动进行安全隔离处理，如关闭相应的水泵、阀门等，以保证供水设备及构筑物的安全，并将处理结果及时通知管理人员。
5.6决策支持
决策支持主要包含横向比较的分析与纵向比较的分析两个部分，其中，横向比较分析：用户可以对多个泵站、水厂、水井、分支管网等采集的数据进行比较分析，帮助用户了解各区域的供水状况。纵向比较分析：可以对某一水厂、分支管网在不同时间段的数据进行对比分析。
6.结语
总而言之，供水所GPRS远程监控的系统投入供水控制当中，大大提高了供水自动化水平，增加供水安全保障能力，通过计算机软件参各种数据的智能分析，为节约成本、设备检修、优化设备运行方式等提供的可靠的技术支持，伴随经济社会的不断向前发展，科学技术应用到生产，以代替人工已成为发展趋势。
参考文献：
[1]马奔.基于PLC和移动专线局域网的水厂及水源井自控系统设计和建设[J].甘肃科技,2014,30(6):118-120.
[2]王飞,安鑫.X20系列PCC在西安市草堂水厂水处理中的应用[J].自动化博览,2014,(2):66-69.
[3]殷小虹,钱军.基于WinCC的某水厂监控系统报警模块组态功能的研究与设计[J].消费电子,2014,(18):152-152.