GPRS在铜厂供水远程控制系统研究和设计

GPRS在铜厂供水远程控制系统研究和设计贾　华，任胜义，马和平（内蒙古科技大学　信息工程学院，内蒙古　包头　０１４０１０）

摘　　要：利用ＧＰＲＳ无线数据网为数据通信平台，实现自来水泵房的远程数据采集，监测，传输以及控制，实践表明：应用ＧＰＲＳ实现了

实时和动态监测，提高了供水管理的工作效率

关键词：ＧＰＲＳ；供水；远程控制

中图分类号：ＴＰ８７２．１　　　　文献标识码：Ｂ　　　　文章编号：１００３－７２４１（２０１１）０２－００３２－０４

Research and Design of GPRS in Water Supply Remote Control

System in Copper Factory

JIA Hua, REN Sheng-yi, MA He-ping

( School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010 China )

Abstract: The usage of GPRS wireless data network for data communication platform achieves remote data collection, monitoring,

transmission and control for water pumping station. It shows that the usage of GPRS realizes the for remote water real-time monitoring system and enhances the efficiency.

Key words: GPRS; water supply; remote control

１　　引言在工业领域，ＧＰＲＳ技术是发展最快、应用最为广泛的一种无线通信技术。ＧＰＲＳ（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｐａｃｋｅｔ　Ｒａ－ｄｉｏ　Ｓｅｒｖｉｃｅ）即通用分组无线业务，是基于现有的ＧＳＭ网络为用户提供高效、低成本的分组形式的数据业务，具有实时在线、按量计费、高速稳定传输等特点，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。ＧＰＲＳ技术在远程监测系统中的广泛应用，将大大提高系统的监测效率和可维护性。

线则包括超短波通信、扩频通信、卫星通信、ＧＳＭ短信／ＧＰＲＳ通信等［１］。

在供水调度系统中，由于各管网测压点分布范围广、数量多、距离远，个别点还地处偏僻，因此架设光缆、铺设电缆难度大、不切合实际，向电信部门租用专用电话线又要申请很多电话线，而且有些测压点线路难以到达，况且采用电话线路时需要等待漫长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高，总之监控系统采用有线通信方式建设周期长、工作难度大、运行费用高，不便于大规模使用；与之相比，无线通信方式则显得非常灵活，具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、

２　　GPRS优势和不足供水调度监控系统中采用的数据通信可简单分为有线和无线两大类，其中有线通信主要包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、Ｘ．２５、ＤＤＮ、ＡＤＳＬ等，而无

性价比高等优点。无线通信方式主要包括：无线数传、卫星通信、ＧＳＭ数字蜂窝通信系统等，其中卫星通信由于通信费用昂贵，只在一些特殊的领域下使用，未得以普及；而扩频通信技术虽然速率高，但只能在视距范围内传输，应用也受到限制。采用波数传电台作为传

收稿日期：２０１０－１１－０８

32 | Techniques of Automation & Applications输信道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费

　　通信与信息处理Communication and Information Processing

《自动化技术与应用》２０１１年第３０卷第２期用低等优点，但由于系统多采用普通间接调制的数传电台，这就造成系统易受外界干扰、通信速率低、误码率高、数据传送量不大、信号覆盖范围小等缺点。采用数传电台传输压力数据，但数传电台在传输数据时有以下缺点。

（１）　　天线架设和调试困难。（２）　　在数据传输中易受干扰。

（３）　　费用高，每年缴纳一定数额的频道占用费。（４）　　维护困难（出现故障时，难以判断是电台故障还是天线故障）。

根据以上情况，在远程供水调度升级改造中采用了ＧＰＲＳ模块传输调度数据，ＧＰＲＳ又称通用分组无线服务技术，它是ＧＳＭ移动电话用户可用的一种移动数据业务。ＧＰＲＳ可说是ＧＳＭ的延续。ＧＰＲＳ和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Ｐａｃｋｅｔ）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用整个频道，理论上较为便宜。ＧＰＲＳ的传输速率可提升至５６甚至１１４ｋｂｐｓ。ＧＰＲＳ网络引入了分组交换和分组传输的概念，这样使得ＧＳＭ网络对数据业务的支持从网络体系上得到了加强，由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。ＧＰＲＳ网络引入了分组交换和分组传输的概念，这样使得ＧＳＭ网络对数据业务的支持从网络体系上得到了加强。ＧＰＲＳ其实是叠加在现有的ＧＳＭ网络的另一网络，ＧＰＲＳ网络在原有的ＧＳＭ网络的基础上增加了ＳＧＳＮ（服务ＧＰＲＳ支持节点）、ＧＧＳＮ（ＧＰＲＳ支持节点）等功能实体。ＧＰＲＳ共用现有的ＧＳＭ网络的ＢＳＳ系统，但要对软硬件进行相应的更新；同时ＧＰＲＳ和ＧＳＭ网络各实体的接口必须作相应的界定；另外，移动台则要求提供对ＧＰＲＳ业务的支持。ＧＰＲＳ支持通过ＧＧＳＮ实现的和ＰＳＰＤＮ的互联，接口协议可以是Ｘ．７５或者是Ｘ．２５，同时ＧＰＲＳ还支持和ＩＰ网络的直接互联。

它在数据传输中具有以下优点。

（１）　　ＧＰＲＳ传输模块体积不大，安装调试方便。（２）　　数据传输速度快，受外界干扰少，传输稳定。（３）　　费用低（一个测压点一年费用只需几十元）。（４）　　实时性强。

（５）　　系统建设成本低。（６）　　维护方便。

３　　功能要求计量远程监控系统不仅要自动完成监测、信息存储和信息远程传输，而且还要能够在很大程度上实现信息的自动化处理。系统采用现代计算机自动监控技术、无线网络技术，实现灌区水资源信息数据的自动采集、数据存储、数据传输和数据自动化处理。系统应主要具备以下几方面功能：

３．１　　自动采集功能自动采集分为连续采集和非连续采集。对于泵站来说，其变化相对平缓，采用非连续性的定时采集，也即相隔一定的时间进行一次监测，一般设定为１５分钟或３０分钟。

３．２　　指令自动接收与数据自动传输功能信息测控终端设备要有能够对数据管理中心的指令自动接收和识别、执行等功能，根据指令要求自动查询数据、自动完成数据传输等。同时应具备远程配置功能，包括测控终端时钟校对、ＩＰ地址变更、域名变更、多中心设置、数据报送模式等。

３．３　　数据存储功能由于系统采用非实时数据通信，所以必须对定时监测数据进行存储记录，以便能够更准确地扑捉到每日的最高、最低水位值或突发事件引起的突变值。存储要有一定的容量，也就是说要存储一定时间长度的数据。在存储数据的格式和存储器容量确定的情况下，最大存储时间就与存储记录的间隔时间相关，该系统采用定时存储记录，时间间隔为１５分钟，信息数据记录存储容量为１年。

３．４　　自动报送与单点招测功能在数据管理中心通信服务器（或监控机）连续工作状态下，采集站点信息采用定时自动报送模式，远端数据通过ＧＰＲＳ－Ｉｎｔｅｒｎｅｔ直接报送到数据管理中心，否则要通过单点召测或巡测模式。单点召测功能还用于需要现时遥测站点信息情况，及时了解某站点水位、流量等状况。

３．５　　数据管理功能Techniques of Automation & Applications | 33

《自动化技术与应用》２０１１年第３０卷第２期　　通信与信息处理Communication and Information Processing

数据管理中心对遥测的站点信息自动完成数据的分类、分时、分域，按照信息类别、时间、地域自动汇总、存储，按时段、地域、类别进行查询浏览、统计（平均值、最大值、最低值），并按《水资源监测规范》要求形成日报、月报、年报，以便上报或留档及资料整编。过程线图形管理。按时间轴，根据选定时间段绘制流量过程线，清晰、形象、直观地了解其变化情况。

表的测点增加ＲＳ４８５通信功能。对于需要现场实时显示测量数值的测点，流量测点加装智能积算仪，液位测点加装多功能显示仪，系统预留测点优先选择带有ＲＳ４８５远传功能的智能仪表，不需要现场实时显示的测点则加装电流隔离器直接接入ＰＬＣ的模拟量扩展模块。

小型ＰＬＣ选用西门Ｓ７－２００（ＣＰＵ２２６）［２］，这款ＰＬＣ结构紧凑，性能稳定，资源丰富，扩展性强，它有两个ＲＳ４８５通信口，其一用于与测量仪表通信，其二则用于同上位机通信。

ＰＬＣ定时轮询各个测点的仪表，然后将各个测点的测量数据统一存储到连续的存储区域，同时在每个测点的数据后附加上当前的ＰＬＣ时钟信息。这样上位机一

３．６　　远程控制功能在监控中心主要完成取水泵的启、停，及取水泵运行时三相电压、电流、有功功率、功率因数和累计电量等相关参数测量任务。

４　　系统设计４．１　　监测终端次通信就可得到多个测点数据，极大地减轻了ＧＰＲＳ通信模块的负担，同时由于有了精确的测点时间，也提高了监测的实时性。

４．２　　数据传输系统的数据传输由ＧＰＲＳ模块和数据采集完成。该模块分为中心模块和终端模块，中心模块位于监控中心，采用ＲＳ－２３２接口与监控中心工控机连接；终端模块位于监测终端，采用ＲＳ４８５接口与现场测量仪表、ＰＬＣ连接。这样，监控中心工控机与监测终端的仪表连接不再需要Ｉｎｔｅｒｎｅｔ公网固定ＩＰ，系统可脱离Ｉｎｔｅｒｎｅｔ公网独立运行。另外，中心模块与终端模块还具有自动建立连接和链路维护的功能，断线可自动重新连接，一次最多可传输１５００ｂｉｔ数据，典型延迟时间１￣２ｓ，符合监测系统的需求。

由于监测终端仪表型号不一，通信协议各不相同，给上位机组态软件与设备的连接带来了困难，驱动不完善导致有的型号仪表无法连接，单独开发驱动又过于复杂，为此开发了数据采集中间件以解决此问题。数据采

图１　　监测系统结构图

监测终端以现场测量仪表为主，被测量包括实时流量和实时液位。测量仪表已安装到位，并留有若干系统预留测点。考虑到水处理厂和有的泵站测点都较多，为了减轻ＧＰＲＳ通信模块的负担，增强稳定性，采用小型的ＰＬＣ西门子Ｓ７－２００对测量数据进行现场整理打包。由于系统已安装仪表的型号、功能各有差异，且仅有４￣２０ｍＡ电流信号对输出，没有数字通信功能，但ＰＬＣ和ＧＰＲＳ通信模块的通信接口都是ＲＳ４８５接口，故需要对已安装仪

34 | Techniques of Automation & Applications集中间件又称数据网关，是用户编写的一类通信控制软件。它具有通信协议的设定功能，用户添加测量仪表时只需设定该设备的通信协议及仪表响应帧各数据段意义即可实现与测量仪表的通信，完成数据采集，由此解决了因上位机驱动不匹配造成的设备通信问题。

工作时由数据采集中间件发招调命令，收到测量仪表或ＰＬＣ响应后，中间件对收到的数据帧进行校验，如果校验通过则按照设定好的协议对响应帧进行拆分，提取有用信息以备组态随时调用。

　　通信与信息处理Communication and Information Processing

《自动化技术与应用》２０１１年第３０卷第２期图２　　水站监控画面

４．３　　监控硬件和软件设计Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ　６．０（ＶＢ６．０）具有面向对象的可视化编程工具、采用“事件驱动”的编程机制、提供了易学易用的集成开发环境，ＶＢ中创建的部件可在其他开发环境中（如ＶＣ＋＋）使用，还可以引用其他开发工具建立部件［３］［４］。

监控中心包括两台高性能工控机和两个ＧＰＲＳ中心模块。工控机上运行水站监控系统采用Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ开发，水站要对取水站及水站本地的测量参数进行监控，对各取水站水泵遥控启停，水泵故障报警，供水系统自动与手动运行切换，水站设备运行数据查询等，根据监控界面友好、画面布局合理、操作简单方便的原则对水站监控画面进行了如图２所示开发。另外，为了应对因ＧＰＲＳ通信拥堵或ＧＰＲＳ设备失去连接而造成的数据丢失的情况，变量更新程序加入了数据匹配失败的处理，一旦匹配失败，变量更新程序将提取与本地时间最接近的一定数量的数据，计算增量，以预测的方式更新组态王变量。匹配时间参数通过实际运行测试的方式进行调整，经测试，该方法能够保障组态王在ＧＰＲＳ通信拥堵，或是ＧＰＲＳ模块连接中断后重新连接期间以较小的误差继续画面显示和趋势分析。监控中心的每台工控机与ＧＰＲＳ中心模块都相当于一套独立系统，两台工控机共享一个监测终端每套系统独立运行。由于ＧＰＲＳ通信具有完善的数据协调功能，两台工控机与监测终端同时通信没有冲突，但由于两台工控机与监测终端通信不

同步，故两台工控机的监测结果有微小差异，考虑到瞬时量测量与累积量测量都是由测量仪表在监测终端完成，工控机没有两次累积计算过程，因此两台工控机对累积量的监测结果没有误差。两台工控机工作互不干扰，若一台工控机故障，则另一台工控机可继续监测，且故障修复后两台工控机可进行数据同步。经测试，该系统能够满足双机热备的要求。

５　　结束语经过实践使用：铜厂供水系统运行良好，使用正常；其通信系统各项性能指标均达到了预期的数值，表明其技术成熟、安全、可靠，具有操作简单、便于维护、运行稳定、管理方便等优点，有利用现推动传统水利行业信息化改造、具有良好的经济效益。

参考文献：［１］　刘舜．ＧＰＲＳ模块在供水调度中的应用［Ｊ］．科技咨询，２０１０，（２４）：２３６－２３７．

［２］　龚仲华．Ｓ７－２００／３０００／４００ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００７，６６．

［３］　刘新民，蔡琼，白康生．Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ　６．０程序设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．

［４］　郭荣祥，马和平，陈树树．数传电台与ＧＰＲＳ相结合的水厂遥控系统研究和设计［Ｊ］．自动化技术与应用，２０１０，２９（１１）：５４－５７．

作者简介：贾华（１９６２－），男，副教授，硕士，研究方向：控制理论及其运动控制。

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