劉長征，趙衛(wèi)國，胡榮花，武中強

(河北省滄州市水利科學研究所，河北滄州 061000)

南水北調配套工程滄州管道輸水無線監(jiān)測系統(tǒng)探討

劉長征，趙衛(wèi)國，胡榮花，武中強

(河北省滄州市水利科學研究所，河北滄州 061000)

管道輸水實時監(jiān)測系統(tǒng)通過中國移動GPRS無線通信網絡對沿線管理所、分水口監(jiān)測站的流量計、壓力變送器、液位計、工作狀態(tài)進行數據采集，達到對數據進行實時顯示、歷史曲線、數據查詢，流量、壓力、報警、報表等統(tǒng)計分析處理，完成用水動態(tài)變化和監(jiān)測水廠以上輸水管道的安全運行，充分發(fā)揮南水北調配套工程的經濟、社會和生態(tài)效益。

南水北調;管道輸水;運行監(jiān)測;自動化

南水北調工程是我國水資源配置的戰(zhàn)略性工程，興建南水北調中線工程是黨中央、國務院根據我國經濟社會發(fā)展需要做出的重大決定。滄州市南水北調配套工程水廠以上輸水管道工程承擔著向9個供水目標輸送長江水的任務，共涉及泊頭市(2個供水目標)、東光、吳橋、青縣、肅寧、獻縣、河間及任丘，共8個縣(市)。工程引水線路總廠191.18 km，一級加壓泵站5座，二級加壓泵站座。

輸水管線自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一個以信息技術、智能數據采集處理、監(jiān)測儀表的信號轉換、GPRS通信和工業(yè)組態(tài)軟件及二次應用開發(fā)等技術為支撐，對沿線管理所、分水口的監(jiān)測站儀表(流量計、壓力變送器)的流量、管路壓力等數據進行采集，數據傳回到建管中心監(jiān)測服務器完成分析處理，為管理人員提供科學的決策依據。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設計

監(jiān)測服務器向監(jiān)測站發(fā)布數據采集命令，經GPRS設備傳到中國移動的GPRS網絡，由GPRS網絡傳遞到各監(jiān)測站的GPRS設備，再到監(jiān)測站智能數據處理器(MCU)，MCU根據命令將監(jiān)測站儀表的流量、管道壓力等數據傳到監(jiān)測中心。監(jiān)測服務器進行相應的統(tǒng)計分析、處理操作，并將監(jiān)測儀表的數據發(fā)到各分中心、移動分中心，完成一次任務的執(zhí)行。

1.1 監(jiān)測中心

1.1.1 組成結構

監(jiān)測中心由監(jiān)測服務器(一用一備)、GPRS設備、信號轉換設備、微電腦控制器、開關電源、不間斷電源UPS、蓄電池、打印機、交換機、防雷設備(終端器、電位開關、接地極、電源及信號防雷器)等組成。監(jiān)測中心組成結構見圖1。

監(jiān)測服務器運行著實時監(jiān)測模塊軟件、通信模塊軟件和分析報表模塊軟件等應用程序，負責監(jiān)測中心與各監(jiān)測站的聯(lián)絡，對所有監(jiān)測站的各個參數進行分析處理等操作，保存系統(tǒng)及各監(jiān)測站的配置信息和儀表的數據信息，同時可以將所有監(jiān)測站的數據轉發(fā)到分中心、移動分中心的服務器上。

圖1 監(jiān)測中心組成結構圖

1.1.2 軟件系統(tǒng)

監(jiān)測中心軟件系統(tǒng)采用了性能穩(wěn)定的工業(yè)組態(tài)軟件作為監(jiān)測中心的支持平臺，GPRS數據的接入采用動態(tài)加載Winsock資源的方式來完成各個現(xiàn)場采集處理設備數據的通信。

監(jiān)測站MCU采集的數據，直接召測到監(jiān)測中心。動態(tài)監(jiān)測各監(jiān)測站儀表的運行信息。具備數據分析報表、數據匯總報表及打印功能，可給出日報表、月報表和年報表。繪出相應各監(jiān)測站的用水曲線圖，可統(tǒng)計管路總的供水量圖。繪制某幾個遙測點瞬時流量曲線圖、壓力曲線圖。應用軟件由實時監(jiān)測模塊、通信模塊、分析報表模塊三個模塊組成，結構見圖2。

圖2 軟件組成結構圖

1)實時監(jiān)測模塊

實時監(jiān)測模塊是自動化監(jiān)測運行的控制中樞。當系統(tǒng)到設置的輪詢周期時，監(jiān)測模塊自動下發(fā)出指令，各監(jiān)測站MCU收到指令后，上報相應數據。監(jiān)測模塊收到數據后，顯示實時曲線，并把數據保存到數據庫中。

2)通信模塊

監(jiān)測模塊負責監(jiān)測中心與各監(jiān)測站的聯(lián)絡，通過通訊服務模塊向監(jiān)測站下達命令，由GPRS設備發(fā)布出去，命令經GPRS網絡，傳遞到各監(jiān)測站，各監(jiān)測站上報數據通過相反的路徑返回。

3)分析報表模塊

本模塊負責查詢、打印各種報表和圖表，采用Client/Server模式，并自動匯總，生成報表。也可根據歷史數據，繪制歷史用水量、管道壓力走勢圖等。

1.3 監(jiān)測站

1.3.1 組成結構

監(jiān)測站由計量儀表(流量計、壓力傳感器)、監(jiān)測站智能采集處理設備(MCU)、GPRS設備、信號處理設備(各轉換器、接口模塊)、供電系統(tǒng)(開關電源、微電腦控制器、光伏發(fā)電板、控制器、蓄電池組、UPS)、防雷設備(終端器、電位開關、接地極)等組成。監(jiān)測站組成結構圖見圖3。

圖3 監(jiān)測站組成結構圖

智能MCU是監(jiān)測站的核心設備，通過信號轉換和控制設備。和各監(jiān)測儀表相連接，接受監(jiān)測中心的命令，完成數據的采集、上報。全系統(tǒng)采用光伏自發(fā)電裝置的12V DC供電方式，現(xiàn)場不提供交流電源。

1.3.2 監(jiān)測站布設原則

(1)管道長度≤2公里，可在進水端或出水段設置1處監(jiān)測站。大于2公里的管道，則在進水端和出水段必須各設置1處監(jiān)測站即至少設置2處監(jiān)測站。

(2)管道長度≥10公里，則在中間位置擇處設1處中間監(jiān)測站，管道長度≥20公里，則在中間位置擇處設1－2處中間監(jiān)測站。

1.4 無線APN網絡構建

監(jiān)測系統(tǒng)的數據都是在中國移動GPRS網絡VPN網內的GRE隧道內傳輸。監(jiān)測中心的服務器通過GPRS電臺來接入GPRS網絡，當監(jiān)測站的智能數據采集處理器想要實現(xiàn)點對點的數據傳輸時，使用綁定GPRS網內IP地址的SIM卡撥號上網，撥號上網時首先要到GPRS網絡進行注冊，獲得監(jiān)測中心授權以后雙方才能建立通信。監(jiān)測站登陸成功后，校正時鐘，保持時間同步，隨時等待監(jiān)測中心連接。監(jiān)測中心下發(fā)命令，經各監(jiān)測站的智能數據采集處理器完成數據上報后，在GPRS網絡中撤銷鏈路，完成了一次實時數據的采集任務。不需要通信時，進行注銷操作，從網絡上斷開。

2 系統(tǒng)功能

2.1 數據實時監(jiān)測

(1)監(jiān)測站數據(累計流量、瞬時流量、管線壓力、工作狀態(tài)等信息)能夠實時顯示在監(jiān)測中心服務器上，準確地反映輸水管線的運行狀態(tài)。

(2)數據實時監(jiān)測，每30分鐘記錄一次數據，監(jiān)測間隔可自由設置。

(3)監(jiān)測分中心可以同步實時遠端演示、顯示每個監(jiān)測站的數據。

(4)系統(tǒng)主動召測，即任何時候可以在服務器上主動提取監(jiān)測站的數據。監(jiān)測站能夠隨時接受召測，上報相關數據，實現(xiàn)遠程監(jiān)測功能。

(5)數據采用校驗算法，保證數據可靠傳輸。

2.2 報表、圖表功能

(1)數據的顯示方式既有電子地圖動態(tài)文字數據，也有實時數據曲線、歷史曲線，具有友好的人機界面。

(2)自動生成日報、月報、年報，也可隨時進行統(tǒng)計報表、打印。

(3)自動數據分析，統(tǒng)計管路總的供水量趨勢圖。

(4)實時繪制某監(jiān)測站瞬時流量曲線圖、壓力曲線圖。

(5)提供數據報表及查詢功能，選擇監(jiān)測站以及日期便可得到相應的報表。

2.3 分析處理功能

(1)實現(xiàn)所有監(jiān)測站的現(xiàn)場測量數據的采集和對數據進行分析處理。

(2)根據監(jiān)測數據，分析各個取水點的用水情況(如小時用水量、日用水量)，對于異常情況產生告警?；诠艿罃祿治鲅鼐€的壓力損失和流量損失，對于壓力異常產生告警。

2.4 數據存儲及共享備份

(1)實現(xiàn)系統(tǒng)的多級管理和數據共享，和監(jiān)測分中心、移動分中心的數據交換。

(2)數據信息本地存儲，其存儲歷史數據時間為3個月。(3)提供完善的數據備份功能。

(4)通過內部計算機局域網絡實現(xiàn)資源共享。

2.5 數據接口

(1)模塊化結構，便于擴展;具有標準的開放通信和網絡接口，方便系統(tǒng)后期增容。

(2)監(jiān)測站MCU設計光纖接口、GPRS接口通信。拓展1路485接口、1道開關量、2路模擬信號接口、1路設置接口。

(3)模擬信號提供4－20 mA電流、0－5V DC電壓，數字信號采用 RS485、RS232、MODBUS，現(xiàn)場處理采用RS232便于和工控電腦通信。

2.6 安全性設計

(1)服務器采用一用一備的冗余工作方式，主服務器失效后，備用服務器啟動工作。

(2)軟硬件總體采用分布結構，如果某一局部出現(xiàn)故障，不會影響整個系統(tǒng)運行。

(3)故障自動報警。監(jiān)測站MCU自動將故障信息上報到監(jiān)測中心，便于操作人員迅速處理。如有故障造成數據漏召，可以補召數據以保證有利于數據的完整。

(4)采用低功耗工業(yè)級器件，具有高抗干擾能力和穩(wěn)定性，防雷、防浪涌、防電磁干擾。

(5)電源采用了帶防雷設計的開關電源技術。配備獨立的光伏發(fā)電、儲電、穩(wěn)定用電系統(tǒng)，無外接220伏工頻電源。

(6)機箱防護等級為IP65，溫度－300C－600C，滿足全天候無人值守的功能要求。

3 結語

南水北調配套工程滄州管道輸水無線監(jiān)測系統(tǒng)通過中國移動GPRS無線通信網絡對沿線管理所、分水口監(jiān)測站的流量計、壓力變送器、液位計的監(jiān)測數據和工作狀態(tài)進行數據采集、實時顯示、歷史曲線、數據查詢，流量、壓力、報警等統(tǒng)計分析處理，達到監(jiān)測整個輸水管道安全運行的目的，極大限度發(fā)揮輸水工程的作用，充分發(fā)揮南水北調配套工程的經濟、社會和生態(tài)效益。

［1］滄州市南水北調配套工程水廠以上輸水管道工程可行性研究報告滄州水利勘測設計院.

［2］劉長征.GPRS長距離管道輸水實時監(jiān)測系統(tǒng)研究技術報告.滄州市水利科學研究所.

［3］韓斌杰.GPRS原理及其網絡優(yōu)化.機械工業(yè)出版社.

［4］沈振元，葉芝慧.通信系統(tǒng)原理(第二版).西安電子科技大學出版社，2008.

［5］張明德，孫小菡.光纖通信原理與系統(tǒng) (第3版).東南大學出版社，2003.

TV213.4

B

1004－1184(2013)05－0099－02

2013-04-01

劉長征(1978-)，男，河北海興人，高級工程師，主要從事水利科研和水利自動化工作。