供水测控系统中通信系统建设

刘裕伟 刘景彬 姜怀玺

(1.天津市水务局滨海水业集团 天津 300381; 2.北京农学院 北京 102200)

在供水工程的管理中如何提高供水监测水平,保障供水安全,提高水资源的合理调配已成为当前管理部门重要的任务。针对供水过程中存在的问题,急需建立一套完善的、科学的供水信息管理系统,适应新形式下供水管理需求。管理系统应集输水监测、超限报警、供水调度与远程控制系统于一体,结合办公软件,实现工程管理自动化、信息化。

我们在建立供水测控系统过程中,对一些关键性技术进行了分析论证,提出了具有实际应用价值的解决方案,这些关键技术中的一个重点即是GPRS无线通讯技术,系统利用计算机和网络、无线通讯等技术,结合现场数据采集控制设备,流量控制设备等,对供水过程作全面准确监控与管理。使管理者随时掌握整个供水系统的最新信息,实现供水管网管理、运行调度的自动化。此项技术的合理运用为供水测控系统的实施和日常运转提供了极为重要的保障作用。“引滦供水管网智能化测控系统”对实现管网供水的联合统一调度,提高工程管理水平和保障供水安全有巨大的实用价值。

1 通信系统的组成

系统采用通用分组无线业务 (GPRS)作为无线接入方式。利用现有GSM网络的覆盖范围,通过移动公司GPRS核心网络和短信中心远程接入,连接企业网络,有线连接部分使用天津移动2M专线。无线接入部分采用安全成熟的GSM用户鉴权,将合法用户的SIM卡与企业APN进行绑定,对这部分用户的数据连接分配静态IP地址。远程接入部分在GPRS核心网络为企业应用设置专用的静态路由和专用线路,确保路由信息的唯一性,同时在GPRS核心网络和远程接入连接处放置防火墙,加载安全策略确保访问安全。

GSM手机可以通过短信网络,随时随地以无线方式与数据中心进行数据交互。不管身在何处,只要使用GSM手机就可以实现短信查询功能。

确定数据中心被访问目的IP地址段及子网掩码。在GPRS核心网APN-DNS服务器上配置APN数据和APN解析地址指向数据。

在GPRS核心网的网络交换机上划分企业专用VLAN,在两个路由交换模块上分别配置静态路由,路由交换模块与防火墙连接的接口配置HSRP协议,进行双路由备份。

在GGSN上增加APN数据。配置防火墙,提供路由连通能力。在GGSN和防火墙上加载安全策略,进行最终测试。

连接短信中心的企业接入网关,并为某企业分配固定的短信端口。

采用GPRS VPN方式无线远程接入办公网,需配备GRE隧道协议的VPN服务器。

配合某企业的远端测站的全网优化。

2 通信系统实现方式

以中国移动的GSM/GPRS网络为平台,采用GPRS、SMS、CSD、USSD等方式,通过特种终端,服务于用户的机器到机器的数据传输业务。采取点对点或一点对多点的传输方式,实现各节点同中心节点间的通信。

无线DDN产品构成如图1所示:

图1 无线DDN产品构成图

无线终端:针对数据传输的应用终端;

传输通道:从无线终端到用户端的应用中心之间的通道;

控制中心:终端上传数据的汇聚点,对分散的数据终端进行监控。

3 通信系统实现流程

网关以专线形式与GPRS骨干网GGSN接入路由器连接;2M带宽专线保证最大效率传输数据;

为数据中心网关单独分配专用的APN(GPRS接入点编码);

GPRS数据采集终端,采用适合网络要求的GPRS通信模块,适合系统环境下的连续可靠的运行;

数据中心网关设置Radius服务器,为终端分配内部IP地址通信通道采用无线DDN,节省建设费用,有可靠的通信质量;

数据在GPRS网中的流动过程中,设置识别、身份认证、校验等安全认证,有效地防止误操作或恶意入侵对系统的破坏;

数据交换通过标准的TCP/IP协议传输,并在协议层间进行数据校验。

3.1 网络接入方式

监控中心接入:监控中心有多种接入方式,考虑到系统安全和成本。本系统采用专线接入。通过专线接入中国移动的路由器,移动公司为用户提供私有IP地址。数据安全性好,稳定可靠,传输延迟小。

数据终端接入:GPRS有CMNET和APN接入方式,CMNET通常用于公众用户,APN针对行业用户,通常在一个组内,用户需设定用户名和密码,安全性更好。APN用户可以申请绑定移动内网的固定IP地址。本系统采用APN接入方式。

3.2 数据链路传输方式

经过实测,网络的数据传输质量和稳定性较好,考虑到冗余性和效率。采用UDP方式传输业务数据,满足系统要求传输速率快的需求。

3.3 传输时延 (从发送到接收数据之间的时间)

不同的数据包长度,传输的时延不同。一般MT U(最大传输单元)大于200字节不会明显增加带宽,但会增大平均延迟,测试结果表明MT U的最优大小是250字节左右。目前,一个包长为100到200字节之间的数据包在1秒内互传完毕,大于200字节的数据包平均在1秒到3秒之间。目前传输的数据每次在200字节以下。

3.4 稳定性

在目前的GPRS网络正常的情况下运行,数据包传输成功率都在99.9%以上。

3.5 网络设置

①专线接入路由器,用作专线连接到用户路由器,并进行配置。

包括:分配给路由器各端口地址,路由IP:192.192.192.150;路由调试 (只用静态路由)。考虑到保护GPRS网络的安全,在路由器端口加严格的数据包过滤,只允许GRE隧道的两端地址和GRE端口号、RADIUS请求和回复数据通过,其他一切数据不允许进出。

②在GPRS网络为滨海水业集团建立APN(YLRG.TJ),此APN需要 RADIUS认证,RADIUS Server位于滨海水业集团内;保证在GPRS网络上均能访问到此APN。

在GGSN新增加APN,全市任一终端访问该APN都回归到GGSN。

为某企业提供APN路由,该企业的数据从GGSN进入GRE隧道,到该企业集团的GRE路由器结束。

数据传输使用中国移动公司提供的GPRS网络产品,分别为供水管网中设置的测控站点与数据中心之间建立无线通信链路,形成中心一点对多点,实时连接,永久在线的网络互联方式。数据中心主干链路接入2Mb带宽的专线,完全满足中心站对全部测控站点进行实时数据及办公文档的传输容量的需要。

数据传输主干链路属APN类GPRS网络,与GPRS公网物理隔离,具有高度安全性、可靠性。申请进入测控网络的账号由数据中心软件系统严格管理,由移动公司网管中心进行24小时监控并保留一年内的网络数据传输记录。数据传输系统终端通讯设备采用宏电 H7118 GPRS DT U传输模块(RS-232接口,外置式);该设备抗干扰性强、并具防潮设计,非常适合电磁环境恶劣的应用需求及野外安置。数据传输子系统实现远程无线数据传输的组织,通过GPRS无线数据分组网,利用APN技术可实现从有线到无线的完整解决方案。

4 通信系统实现过程

测站现场装有各种传感器和仪表,我们将仪表输出信号引入采集设备。

现场信号类型主要有电流信号、脉冲信号和数字信号。流量、压力、水位信号为4-20mA电流信号,累计水量为脉冲信号。一些仪表有数字信号输出,可通过485接入RTU,RTU可接入模拟量AI、数字量DI和脉冲信号PI。

(1)数据采集。RTU是现场信号采集控制设备,采集管道压力、流量、累积水量、水池水位、阀位 信 号 等。RTU 型 号 为 SuperEAI4AO2DI0DO0PI3-NR。该设备有4个模拟量输入,2个模拟量输出,3个脉冲量输入,两个通讯端口,一个 RS232,一个 RS485。根据信号类型,对采集信号进行了归类。

(2)现场信号接入。将现场采集信号-流量、压力、水位、阀位接入AI端,累计水量接入PI端,A0端接入电动装置信号输出端。

输入信号类型如表1所示:

表1 输入信号类型表

图2 输入信号连接图

输入信号连接如图2所示

(3)DTU连接与设置。DTU是中心与测站的通讯设备,DT U与RT U通过RS232相连,连接速率9600kbps。DTU上电后,内部程序根据中心站IP和DNS等,与中心站建立连接,经过移动公司APN验证,接入滨海水业集团监控中心。连接成功后,程序定时上传监测数据。

DTU需要预先设定一些参数,与中心站连接。设定的参数包括中心站IP,DNS,SIM卡号等。以大港水厂测站为例,DT U的参数设置如表2所示:

表2 DTU参数设置表

由表2可知,DTU模块预置了中心站IP地址和自;身SIM号、IP地址等信息。DTU加电后会自动搜索中心站IP与中心站建立GPRS连接,等待向目标地址(中心站)上传数据,传输速率 30～40Kbps。每次传送数据量约200字节。数据刷新频率为10s。

同理,DT U亦可将中心站所要进行的远程调水指令回传RTU,再由RTU与现场电动阀门连接,RTU进行相应的运算后对电动阀门发出调水指令调节阀门的开度达到调节水量的目的。RTU的RS232口与通讯模块DTU相连,连接速率为9600Kbps。数据位、校验位、停止位分别为8,N,0。

(4)采集程序。采集程序采用图形化软件Eladder、C语言等编写,采集程序根据采集数据的数量,预先分配寄存器地址,将模拟量读入指定寄存器,2s动态更新。

5 结语

采用GPRS技术的供水测控系统的实施有效地改善了供水过程中存在的供水数据实时性差、数据精度低、故障反应时间长、数据共享程度低、工作效率低等问题,为实现供水的科学管理提供了技术保障。

以GPRS为传输载体,将现场采集的供水数据及时准确传入中心控制系统,是系统重要组成部分。随着网络带宽的逐步加大(开通3G),使实时动态视频传输成为可能,无线传输技术的发展为今后水利信息的可视化提供了良好的基础条件。