基于GPRS的燃气SCADA系统应用解决方案

第一部分 概述

　　城市燃气是城市基础设施的重要组成部分，对社会环境和现代化城市建设起着举足轻重的作用。为了保证天然气输配管网的安全运行和稳定供气，提高现代化的供气管理水平，北京市燃气集团现已完成了一个自动化水平较高、覆盖范围广泛的SCA—DA系统(监控及数据采集系统)整个燃气远程监测数据传输系统。

　　目前SCADA系统中采用的数据通信可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，电话线或x．25、DDN、ADSL等。无线通信主要为短波通信、扩频通信、卫星通信、GSM通信及GPRS(通用分组无线服务)通信等。在燃气行业中，由于各监控点地理位置的特殊性，存在着如监测点数量多、分布范围广且距离远甚至地处偏僻等问题。以前都是使用租金昂贵的DDN有线通信，自己建设电台的400 MHz短波无线通信方式等，这些通信方式具有投入大、租费贵及服务不及时等特点。随着通信技术的不断发展完善，组网灵活、造价较低、建设期短、运行维护简单、性价比较高的无线通信在SCADA系统中逐渐成为一种趋势。GSM网络经过移动通信部门的多年建设，近年来覆盖范围不断扩大，已成为成熟、稳定、可靠的通信网络，特别是近年来推出的GPRS新业务，十分符合SCADA系统的使用特点。这样，在SCADA系统中采用GPRS网络来进行数据传输成为可能。

　　GPRS燃气SCADA系统是厦门四信通信科技有限公司和系统集成商合作开发的基于GPRS技术的燃气SCADA系统。通过现场监控终端RTU和GSM/GPRS网络，可对各地多个加气站、储配站、调压站以及计量点进行组网，实现远距离实时集中控制管理，能够实现对管网压力、流量以及环境参数、动力环境进行远程无线实时监测、控制、报警、故障诊断和排除的功能。监控系统贴合气站实际情况，无论其实用性、可靠性、技术先进性、经济性等方面都有许多创新。

　　调度管理中心和工作、维护人员利用“燃气GPRS远程监测系统”提供的远程无线监测、控制、报警、报表、打印等功能，可实现对气站的全面监控、管理。

第二部分 项目分析

　　燃气GPRS远程监测主系统由燃气配送管网监控子系统、燃气计量数据采集子系统和燃气数据控制中心组成。燃气配送管网监控子系统能够实现对管网压力、流量以及环境参数、动力环境进行远程无线实时监测、控制、报警、故障诊断和排除的功能。燃气计量数据采集子系统可监测燃气用户的燃气使用量，支持GPRS在线监测功能，并可将监测的燃气使用数据按图表、报表等方式统计、查询。整套监控系统贴合燃气站实际情况，无论其实用性、可靠性、技术先进性、经济性等方面都有许多技术创新。

　　2.1系统组成

　　燃气输配SCADA系统一般由现场RTU，无线传输终端F2103，控制中心通信服务器，SCACD系统服务器和操作员终端（客户软件或web系统）等部分组成。

　　2.1.1 RTU： 采集器采集管网压力、流量以及环境参数、动力环境等；燃气计量获取用户燃气使用量。

　　2.1.3 传输终端： 传输终端采用厦门四信的F2103，实时永久在线，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈，透明传输，同时支持RS232和RS485，支持多种工作模式，支持虚拟数据专用网。

　　2.1.3 控制中心通信服务器

　　2.1.4 中心软件系统：基于ORACLE数据库的抄表软件，用户数量无限制，安全可靠，运行和处理速度快 ，功能丰富完善。

　　2.2 系统总架构

　　系统由中心站和监测站组成，主站负责监控和管理，监测站采用RTU模块实现数据采集、存储、控制及上传。 

　　监测站各种监控传感器首先汇总到采集器RTU，各种监控数据（压力，流量，环境，使用量等）由传感器通过信号线到RTU，RTU通过RS232/485接口与厦门四信通信的F2103（RS232或RS485）无线传输终端连接，RTU对监控数据进行处理，协议封装后，把数据传给F2103 IP MODEM(gprs dtu)　，F2103 IP MODEM通过对数据协议处理，打包，然后发送给GPRS无线网络，通过无线网络将数据送至监控中心，实现监控数据和监控中心系统的数据通讯。采用的传感器包括温度传感器、浓度传感器、气量传感器、压力传感器等，输出为电压、电流模拟信号，具体情况可更具实际需要增加或改变相应的传感器。远程数据中心服务器使用APN专线或普通ADSL等作为网络接入。当F2103通过GPRS网络连接到远程数据中心服务器主机，建立透明数据通道后，RTU产生的数据只要送到串口，F2103就会把收到的数据原封不动地发送到数据中心服务器主机；同时服务器主机下发的命令通过通道传输到F2103后，F2103通过串口送到RTU，从而实现了数据双向透明传输。系统拓扑图如下图所示：

　　2.3系统功能

　　主站采用PC计算机，通过光缆，ADSL或APN专线连接到互联网或无线专网，主站向从站发送数据，并接收从站发来的数据。主站接收从站传来的各自信号，处理后显示输出，如果有异常情况发生，可进行声音报警，提醒操作人员采取措施，防止事故发生。系统有在线组态功能，根据整个热力系统的状况，自动对各从机在线组态，控制整个系统自动运行。主机可自动生成各种报表，并设有值班检查功能及定时打印、随机打印功能，实现对整个天燃气系统自动化管理。

　　1、用户或子站（GIS）地图

　　2、报表功能

　　3、图表曲线功能

　　4、故障处理和报警功能

　　5、强大的数据库查询功能

　　6、兼容不同通信协议

　　7、实时在线功能

　　8、系统安全设置： 系统设置多级权限，不同权限的功能有所不同。

　　9、时间同步

　　10、网络发布功能

　　数据监控中心服务器运行网络版的应用软件，可以通过局域网把各个采集终端的数据共享给有关领导和部门；局域网内的授权用户可以查看、调阅数据库的内容，实现办公自动化。

第三部分 项目架构实施

　　3.1 传输模块与采集终端连接

　　四信的F2103无线传输模块同时支持RS232/485接口，可通过RS232/485与终端通讯。本系统采用的是232的接口方式。F2103和采集器的接线线序如下：

　　3.2 数据中心网络接入方式分析

　　1. APN专线接入

　　中心采用APN专线， 所有点都采用内网固定IP，客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。

　　用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。

　　用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。

　　移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。

　　中心采用APN专线接入的方式，在实时性，安全性和稳定性表现优异，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。

　　2. ADSL拨号连接（动态公网IP地址）

　　中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。

　　3. 通过固定公网IP连接

　　中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。虽然申请固定IP费用比较贵，但其运行可靠稳定，组网方式简易方便，深受广大用户的青睐，一般推荐此种方案。

　　3.1 无线数据传输方式

　　传输设备采用厦门四信的F2103，其功能齐全，性能稳定，简单易用，它是一款工业级别的无线传输终端，已经广泛地应用在各种各样的工业，金融场合。

　　终端设备和传输设备连接好后，设置好各种通讯参数，工作模式后，在传输设备F2103中填入数据中心的地址和应用程序的端口号。这样当终端设备数据传给传输设备F2103，F2103就会把数据透明地传输到中心。

　　终端设备支持多种中心模式（主备中心，多中心），多种激活模式（电话，短信，数据），多种工作模式（TCP，UDP，telnet等），方便用户组网和各种系统需求。心跳包机制，注册包机制，数据帧可控，重连机制等多种机制不仅保证设备实时在线，而且稳定可靠，同时方便客户根据现场的情况，来设置各种传输参数，进而达到最佳效果。 

　　3.2 数据中心软件平台构建

　　抄表系统的核心部分是系统软件，它遵循DL/T645部标通讯规约，并有扩展性。

　　具有四信通信的GPRS无线模块的中心端软件建有多种方式，对于传入数据的方式的不同，我们提供不同的软件来帮助客户快速地实现中心端的数据接收和现场设备的管理。目前四信提供三种方式的中心接口：

　　首先是对于组态软件，目前很多组态软件厂家已经集成了四信通信的驱动了，可以直接配置使用；其次对于原本是读串口的程序，为了兼容原来的系统而不做开发工作，我们提供一个虚拟串口软（TCP2COM）；最后是对于想开发自己独有的数据中心软件的客户，会提供一个动态链接库及四信公司的测试版数据中心软件，不仅开放源码还全程协助客户进行自己数据中心软件和功能的开发。客户可能通过动态链接库快速开发一个灵活的，稳定的，功能齐全的终端管理和数据交互的中心软件。 如下是该系统的中心站软件：

　　监控中心监测软件采用通用编程工具开发，具有灵活性好、针对性强的特点，可以对采集来的现场数据和实时数据进行分析、处理、保存、入库，制作输出报表、绘出各种曲线，从而实现整个系统的远程抄表、实时监测及自动化管理功能。界面友好、操作简单方便，真正实现了高效率和办公自动化。可同时兼容多个二次仪表厂家的通信协议，也可根据用户的要求增加用户自己的通信协议。系统的网络数据库使网络化管理变得简单易行。

三．设备的特点和参数

　　1.远程终端控制单元RTU

　　远程终端控制单元一般为无人值守站，分布在全市范围内。RTU采集站内各仪表分层值(如进口压力、出口压力、温度、环境温度等)、实际值(如瞬时流量、累积流量等)和各种开关量、异常信息等，经RS232接口并利用MODBUS协议和IP MODEM进行数据传输；同时接收并执行经IP MODEM传送过来的各种指令。

　　2.F2103通信模块

　　F2103 GPRS IP MODEM采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。公司产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。

　　它具有丰富的软件功能：

　　1. 智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。

　　2. 支持RSA，RC4加密算法

　　3. 支持虚拟数据专用网（APN）

　　4. 透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式

　　5. 支持数据中心动态域名和IP地址访问

　　6. 支持双数据中心备份

　　7. 支持多数据中心

　　8. 支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。

　　9. 支持短消息备份及告警。

　　10. 多重软硬件看门狗

　　11. 数据包传输状态报告。

　　12. 标准的AT命令界面

　　13. 可以用做普通拨号MODEM

　　14. 支持telnet功能。

　　15. 支持远程配置，远程控制

　　16. 通过串口软件升级

　　17. 同时支持LINUX和WINDOWS操作系统

四．总结

　　随着工业供气的发展和用户对供气要求的不断提高，为了确保供气管网安全、稳定、经济运行，提高燃气管理效率，实现燃气网现代化管理水平，采用燃气管网无线监控系统对燃气网进行集中监控和量化管理已是当前发展趋势。燃气管网无线监控系统对于热力公司提高供热效率、降低运行成本，同时可以减少各监测站的长期值守人员，极大的降低管理费用具有非常显著的经济效益。采用厦门四信通信的F2103 GPRS传输终端，使得整体系统数据实时在线，永远在线，稳定可靠。成熟的GPRS网络上，稳定可靠的传输终端，灵活快捷的组网方案使得燃气检测管理在建设成本，运营成本和技术投入大为降低。而且厦门四信通信的F2103 GPRS传输终端工业级设计，组网灵活，安全可靠，实时在线的特点很适合运用在燃气行业的应用。