基于VPDN的海水淡化工程运行监测系统的设计与实现

康权，韩家新，刘宏，王锴，王金燕

（1.国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192；2.天津市公用事业设计研究所，天津 300100）

当前，我国正面临水资源短缺和水环境不断恶化的问题，海水淡化正成为解决问题的有效手段之一。随着海水淡化产业的蓬勃发展，海水淡化水的供水安全以及浓海水排放对海洋环境影响也越来越受到各方的高度重视，国外大型的海水淡化厂在供水管网及浓海水排放等方面都有专门的远程在线监测方案，并建立了相应的监测手段，但国内在该方面的研究尚属空白。开发适合我国国情的海水淡化工程在线监测系统，对于发挥政府部门对海水淡化产业发展的主导作用、促进海水淡化产业健康有序发展具有重要的作用，能够为我国海水淡化产业的信息化管理奠定基础。

根据测控距离长短、通信数据量大小、现场环境以及对数据传输的实时性、可靠性和保密性要求，可选用不同的远程数据传输网络。常用的数据传输网络的通讯主要采用三种模式：卫星通讯模式、IP-VPN专线模式和VPDN无线专网模式。我国海水淡化工程规模偏小、建设分散，特别是对于南海众多岛屿应用的海水淡化工程，采用卫星通讯模式费用较高，采用IP-VPN专线模式实现难度较大，而VPDN无线专网模式具有建设费用低、数据传输稳定性好等优点。基于此，本文开发了基于VPDN无线专网模式的海水淡化工程运行监测系统，以西沙某岛海水淡化工程为试点，实现了海水淡化工程生产运行、供水水质、浓海水污染物排放以及能源消耗等状况的实时监测，以及监测数据的快速、准确远程传输。

1 远程监测系统总体设计

海水淡化工程远程监测系统主要由现场数据采集装置、数据传输网络和监测服务中心三部分组成，拓扑结构如图1所示。

图1 监测系统拓扑图

现场数据采集装置包括检测仪表、前端数据采集设备和数据传输终端。检测仪表将将采集到的进料海水流量、产水流量、排水流量、进水温度、排水温度、产水pH值、进水电导率、产水电导率等参数，转化为标准电流 （4-20 mA）或电压（1-5 V）信号送至远程数据采集器，采集器将标准信号经A/D转化为数字信号，存入存储单元。

远程数字通讯装置（DTU）通过通讯接口读取采集器存储单元的信号，通过3G无线发送至VPDN无线网络。

监测服务中心主要包括数据接入路由器、交换机、数据服务器、工作站（工程师站、操作员站）、报表工作站和视频输出工作站。通过VPDN接入路由器将网络引入，经交换机传输至监测中心服务器，通过专用软件和人机界面可以将监测数据显示、存储、分析及打印。

2 远程监测系统软件设计

2.1 软件功能及组成

为远程监测系统开发的软件主要包括三部分：数据源客户端软件Data Access Server，用于管理接收远程DTU端发送来的数据；数据通讯软件Data communication Server，用于管理对监测界面组态程序的数据通讯；上位监测界面软件，实现实时数据显示和历史数据查询功能。三部分在功能和逻辑上相对独立，保证了软件的稳定性和安全性。

监测系统涉及的软件由多个任务组成，每个任务完成特定的功能。位于一个或多个服务器上的服务器负责数据采集测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。多个服务器逻辑上作为统一整体，物理上可配置在不同的机器上，分类划分可以将多个服务器的数据统一管理、分工协作。

2.2 数据源客户端软件

监测系统的通信分为I/O设备通信和内部数据安全校验通信。设备驱动程序与I/O设备（RS232串口）通讯采用请求式，支持主动发送方式。系统通过作为数据源服务器的Data Access Server软件，来与远程采集终端DTU进行通讯。Data Access Server软件采用微软内定的标准，提供进行通讯的服务。

Data Access Server软件利用MicrosoftWindows的COM/DCOM技术作为数据交换的方式，支持MicrosoftWindows操作系统，采用标准的TCP/UDP协议，可以同时跟多个的DTU客户端通讯。Data Access Server软件工作原理是将数据翻译成支持DTU数据访问规范形式。采用动态数据缓冲池技术，接收数据翻译形式准确、高效、安全。数据接收缓冲流程如图2所示。

图2 数据接收缓冲流程图

2.3 数据通讯软件

为完成监控软件与数据库之间的通讯，开发了Data communication Server软件，该软件最主要的功能为解码和保障通讯。功能包括：

（1）校时及保障数据的实时性，含指令和应答；

（2）定时上发数据包，保障及时获得数据；

（3）索要当前数据，不遗漏任何一组数据；

（4）计算校验码，保障数据的安全性。

2.4 监测界面

监测界面软件基于.NET等技术开发，集成了中心监测功能、网站功能、数据查询分析功能等。主要功能及特点如下：

（1）权限管理系统。所有类型的用户置于统一的管理之下，通过在本地的默认管理员用户，对本地、远程访问用户以及不同权限的用户进行添加、编辑、启用、禁用、删除的操作。对监测中心系统的每一项功能（例如：历史趋势查看功能、报警限值设置功能）实行权限分级设置的管理，可由默认管理员用户随时进行分配与设定。

（2）多元化画面显示。画面可显示海水淡化工程生产排放的实时和历史数据，并以曲线图、柱状图等直观显示。

（3）网站应用功能。将构建海水淡化工程运行监测系统试点建设项目采集数据Web发布系统，通过权限控制，提供对内外部人士的远程浏览功能，并可以随时开启、关闭此功能。

（4）报表功能。使用数据库保存历史数据，并提供查询。

3 远程监测系统工程应用

3.1 工程概况

以西沙某岛100吨/日反渗透海水淡化工程为试点，进行远程监测系统的工程示范。工程主体设计应用国际先进的“双膜法”工艺，即“超滤（UF）+反渗透（RO）”。在反渗透系统中安装功交换式能量回收装置，用于回收反渗透浓水余压，降低系统能耗。工程取水采用“沉井+潜水泵”的方式，从码头附近的港池中取水输送至主车间；产品水通过水泵输送至淡水储水池，用于驻岛官兵的日常生活用水；浓海水通过排水管路排放至港池。

3.2 现场数据采集装置

现场数据采集装置由主控制器、检测仪表及远程通讯装置组成，实现对海水淡化工程运行数据的采集、处理和传输。

主控制器选用西门子公司SIMATICS7-200系列小型PLC，CPU型号选用S7-226，可扩展7个模块。信号采集选用EM231模拟量输入模块，可接入标准电流或电压信号。

检测仪表主要包括水质参数检测、流量检测和温度检测。水质参数检测选用美国GF公司生产的在线电导率仪和pH仪，原海水和浓海水的含盐量较高，量程选择100-2 000 000μs/cm，反渗透海水淡化产品水含盐量一般低于300TDS，量程选择0-1 000μs/cm，pH仪选用玻璃复合电极，带Pt1000温度补偿。流量检测选用重庆川仪公司生产的电磁流量计，配接地环，该型式的流量计精度和稳定性较高，量程0-10m3/h、精度等级0.2级。温度检测选用上海仪表集团生产的WZP系列铠装温度变送器，量程-200℃-800℃、精度A级。

远程通讯装置选用远大电气公司生产的TC-82系列DTU，支持GPRS、CDMA等无线传输，组网简单、资费低，可实现点对点，点对多点，中心对多点等数据传输。DTU内置通讯协议，通过RS-232串口与S7-200主控制器通讯，读取存储单元数据信息。现场数据采集装置主要组成设备如表1。

3.3 数据传输网络

因试点海岛分布较散，且无专线网络，本文选取基于VPDN的无线专网既降低了传输网络建设成本，还具有较强的保密性和可用性。单套装置现场采集12个模拟量回路信息，采集周期为500 ms，单个站点保障数据稳定传输的速率为100 Kbps以上，从数据包、心跳包、召测、WEB发布、后期扩展的角度综合考虑，选择带宽为2 Mbps的中国电信的无线网络建立VPDN无线专网。

表1 现场数据采集装置硬件配置

3.4 监测中心

监测中心对试点工程进行实时监测，将生产运行数据进行集中存储和统一显示、管理。其他系统可以通过相应的数据接口，依据相应的权限等级进行数据的访问和数据的交互。由于本项目为监测系统试点建设，以满足监测数据量要求为选型目标，主要硬件设备组成如表2。

表2 监测中心硬件配置

开发完成的监测界面软件部分画面如图3、图4所示。

4 结论与讨论

图3 定制报表界面

图4 历史趋势界面

本文给出了基于VPDN的海水淡化工程远程实时监测系统的设计方案，根据试点情况，初步构建了远程在线检测系统平台，该平台能够科学、准确、实时地掌握西沙某岛海水淡化工程生产排放数据，实现远程在线数据实时监测。通过试点建设的实施，可为监测点选择及分布研究、现场采集仪器仪表优选、专用的数据采集系统开发、远程监测专用网络搭建及软件平台研发等方面提供技术支持。

今后的工作主要包括以下两个方面：一方面是监测系统网络结构升级，兼容卫星通讯（北斗、VSAT等）、IP-VPN专线等其他通讯方式的引入；另一方面是加强对海洋基础数据资源的利用，实现与海洋水文数据、海洋环境监测站数据以及海域动态数据等系统的对接。

致谢：任建波、张铭、俞永江为文章修改提供帮助，在此一并致谢。

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