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GPRS 城市燃气远程监控系统应用方案 |
作者：XMYN 作者单位：厦门宇能科技有限公司 2008年11月5日
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GPRS 城市燃气远程监控系统应用方案
一、前言
先进的燃气控制系统对于燃气运营的正常进行非常重要。一个自动化程度高，功能完善的控制系统可以极大地提高工作效率，保证燃气运营安全、可靠地运行。先进的燃气控制系统设计必须依赖于先进的控制技术，所以控制系统占了气场投资的相当比例。
通过现场监控终端（DTU、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。
二、方案介绍
由于GPRS是基于IP地址的数据分组通信网络，监控中心计算机主机配置固定的IP地址，各个站点的GPRS终端和计算机主机进行通信和数据传输。
各监测点使用GPRS透明数据传输终端，通过移动的GPRS网络与监控中心相连。各数据采集点使用移动通信公司统一的SIM卡，同时监控中心对各点进行登记，保存相关资料以便识别和维护处理。各信息采集点运行监控系统软件，支持24小时实时在线，实现信息采集点24小时传送采集的信息数据。
凡燃气公司授权的信息采集点均可以使用本系统：
1、管网监控点必须使用移动统一的SIM卡，用户使用本卡只能用于与监控中心数据通信功能。
2、终端设备使用厦门宇能科技有限公司提供的GPRS数据通信终端YN2200 DTU和YN4112 RTU。
3、用户登记，符合燃气公司的规定。
系统组成：
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、燃气配送管网监控子系统
2.1.1、燃气配送管网监控子系统功能
燃气配送管网监控子系统可同时对各地多个加气站、储配站、调压站进行组网监控，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、故障诊断和预警等功能。
2.1.2、燃气配送管网监控终端技术性能
GPRS数据传输终端实现监控中心主站与监控终端的通讯。本系统中采用YN4112 GRPS/DTU。该DTU功能与特点如下：
1、标准的AT命令界面,方便程序设计。
2、TCP/IP Internet 内嵌的协议栈，轻松互连。
3、RS-232或RS-485接口方式，更加简便的通讯方式。
4、可通过串口升级程序。
5、使用低功耗高性能的CPU 做处理器，16位内部数据总线， 1MB FLASH，可高速处理协议和大量数据。
6、支持全透明及帧格式数据传输。
7、简化的接口设计，使用通用的232 接口和简单的AT命令交互界面。
8、供了更方便的电源接口，即可使用外挂电源。又可从串口直接取电。
9、完善了GPRS 网络中所出现的假拨号，掉线自动重启，远程唤醒等功能。
10、支持远程控制及动态域名解析。
11、同时更具嵌入式系统要求，可提供内置式模块（不带外壳，可通过插针与嵌入式直接系统相连）。
12、同时还有软硬件双重看门狗，在RTU不能正常工作时，能够自动断电复位。
2.2、燃气计量数据采集子系统
燃气计量数据采集子系统各监控点通过RS-485总线采集燃气表计量的数据，通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到数据控制中心，实现实时在线监控的功能。
2.2.1、燃气计量数据采集子系统功能
燃气计量数据采集子系统位于燃气计量中心，燃气用户的用气数据先由燃气表计量，再通过RS485总线使用双绞线传输数据到GPRS通讯终端，通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GPRS网络，最后，通过 GPRS网络将抄表数据传送至数据控制中心燃气远程抄表系统，实现燃气表数据和数据控制中心系统的实时在线测控。
燃气抄表终端通过RS485接口直接连接到燃气表上，既可支持单个燃气表，也可以同时支持多个燃气表，实现对电表参数的采集、存储、预处理或并将采集到的燃气表数据实时传送到数据控制中心；同时，抄表终端还可将数据控制中心发送的遥控指令传给燃气表控制模块，对燃气表进行控制操作。
2.2.2、燃气抄表终端技术性能
系统采用YN2200 GPRS无线透明数据传输终端。产品基于中国移动的GPRS网络，具有高性能、高可靠及抗干扰能力强等特点，提供标准232数据口可直接与计算机、RTU、PLC、GPS接收机、数码相机、数据终端等连接，传输速率达171Kbps，具有远程诊断、测试、监管功能，满足各行业调度或控制中心与众多远端站之间的数据采集和控制。
1、支持900／1800／1900MHz三频GSM/GPRS。
2、接口： RS232、RS485、TTL。
3、系统理论传输速率171Kbps，实际传输速率40Kbps。
4、支持Windows95/98/2000/XP/LINUX操作系统。
5、透明数据传输：YN2200-DTU内嵌TCP/IP协议，为用户的数据设备提供透明传输通道。
6、自动拨号连接：YN2200-DTU可配置上电自动拨号上网、连接网络，同时支持用户端发起命令连接或远程唤醒连接。
7、短信息备用数据通道：在GPRS网络无法连接时可启用短信作为备用数据传输通道。
8、短信息远程维护功能。
9、实时监测网络连接情况，掉线自动重拨功能。
10、提供主副IP及动态域名解析。
11、心跳报告时间间隔用户可设定。
12、数据通信帧长度用户可设定。
13、支持VPN安全功能。
14、安装灵活、使用方便、可靠。
三、数据控制中心主站软件功能介绍
主控室监测软件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。
1、用户（GIS）地图
用户管理界面采用数字地图，界面可放大缩小，在此界面上可观察到各个用户子站的多种工艺参数运行情况，通过点击用户即可进入该用户实时曲线界面。
一、软件GIS地图界面 二、软件监测界面
2、报表功能
日报表统计当天实时的运行数据，列出每天的用气状态和停电时间等情况；月报表统计当月每天的运行数据，列出每天的用气状态和停电时间等情况；年度报表统计一年12个月每月的用气状态和停电情况。报表格式可按照用户要求定制，由软件直接进行预览、打印，无需另行转换。
3、图表曲线功能
系统可以针对某一站点、某一用户或者整个系统自动做出多参数日用气量直方图趋势曲线，月用气量直方图趋势曲线，年用气量直方图趋势曲线，或某一时间段内的用气量趋势曲线。直观的反映出各个用户的用气情况。曲线可任意放大、缩小和拖动。
4、故障处理和报警功能
主控室对于出现的通信故障和参数数据超限、仪表单体故障、市电停电、仪表掉线产生报警，并将产生报警的时间和原因记自动记录到数据库当中，帮助操作员直接处理。报警方式为窗口提示、声音报警等方式可选。
5、强大的数据库查询功能
查询某一时刻的压力、温度、瞬时流量、累计流量等参数形成报表。也可查询报警记录，获得产生报警的时间和原因并形成报表。
6、兼容不同通信协议
系统中可有不同厂家的仪表；并可根据用户要求增加特定的通信协议。
7、实时在线功能
系统对所有监测子站能够进行群收群发；根据系统要求，对各采集子站设定不同的采集间隔（可以任意设置）。
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。系统管理员可以使用所有的功能，而对于一般用户来说，数据库维护，系统维护等一些涉及系统内部安全的设置功能限制使用。
9、时间同步
中心监测软件对整个系统现场控制器可进行时间同步化处理，保证用户分站主动上发时刻和管网主站时间的整体一致性。
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。
用户单位可申请配置固定IP地址，采用移动运营商提供的DDN专线，与GPRS网络相连。由于DDN专线可提供较高的带宽，当管网监控点数量增加，中心不用扩容即可满足需求。
监控中心服务器接受到GPRS网络传来的数据后先进行认证，后传送到监控中心计算机主机，通过系统软件对数据进行还原显示，并进行数据处理。
四、网络安全
由于供气监测系统的特殊性，本系统需要极高的系统安全保障和稳定性。安全保障主要是防止来自系统内外的有意和无意的破环，网络安全防护措施包括信道加密、信源加密、登录防护、访问防护、接入防护、防火墙等。稳定是指系统能够7×24小时不间断运行，即使出现硬件和软件故障，系统也不能中断运行。
数据中心可通过公网使用VPN接入到移动GPRS网，采用VPN方式成本比较低，企业不用租用专线，还可使用原有的VPN设备，移动终端需要安装具有VPN二次虚拟拨号的功能的软件。通过VPN方式，客户端在连接应用服务器前，要经过Radius服务器的认证，整个数据传送过程得到加密保护，安全性较高，可充分保障数传速度和网络服务质量。
另外，数据中心也可以采用APN接入方式，租用专线接入到移动公司的GGSN设备上，这种成本高，安全性高、稳定可靠。
对于安全性要求非常高的系统，可考虑在专用APN接入的基础上再加上VPN接入方式的混合接入方式，进一步提高系统的安全性。
4.1、VPN虚拟专网模式：企业内部网络中配置VPN服务器，移动终端加载具有VPN二次虚拟拨号的功能的客户端软件。采用VPN安全技术，用户通过接入企业内部虚拟专网的方式与Internet进行隔离，可对整个数据传送过程进行加密保护，有效避免非法入侵。
4.2、利用SIM卡的唯一性，对用户SIM卡手机号码进行鉴别授权，在网络侧对SIM卡号和APN进行绑定，划定用户可接入某系统的范围,只有属于指定行业的SIM卡手机号才能访问专用APN，移动终端与数据中心采用中国移动分配的专门的APN进行无线网络接入，普通手机的SIM卡号无法呼叫专门的APN。
4.3、对于特定用户，可通过数据中心分配特定的用户ID和密码， 其他没有数据中心分配的用户ID和密码的用户将无法登录进入系统，系统的安全性进一步增强。
4.4、数据加密：通过VPN对整个数据传送过程进行加密保护。
4.5、网络接入安全鉴定机制：采用防火墙软件，设置网络鉴权和安全防范功能，保障系统安全。
目前，在移动通信公司的GPRS业务平台上构建城市燃气远程监测系统，实现管网监控点的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。
五、GPRS无线远程监测的特点
5.1、良好的实时响应与处理能：与短消息服务比较，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，能够同时实时收取、处理多个/所有监测点的各种数据，无需轮巡就可以同步监测点的时钟，可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。
5.2、远程仪器设备控制：由于采用GPRS双向传输系统，监控中心可以反向实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能。
5.3、建设成本低：可充分利用现有GPRS网络，设备安装即接通，而采用超短波通信时需要充分考虑现场环境，还需要配备天线铁架等附属设备。
5.4、安装调试简单，建设周期短：利用现有成熟GPRS网络，系统投入运行时基本不需要调试，安装简捷。采用超短波通信时安装调试工作量大，要先进行现场信号测试，天线铁架架设，天线方向角度调试等工作。
5.5、覆盖范围广：构建城市燃气远程监测系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。
由于管网监控点数量众多，分布在全市范围内，部分管网监控点位于偏僻地区，而且地理位置分散。采用超短波通讯方式，覆盖范围只有30多公里；而采用GPRS方式，理论上在无线GSM/GPRS网络的覆盖范围之内，都可以实现监控。
5.6、数据传输速率高：GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s，实际应用时数据传输速率在40Kbps左右，而目前一般的超短波数传电台传送速率多为2.4kbit/s或更低。
5.7、系统的传输容量大：监控中心站要和每一个管网监控点实现实时连接。由于管网监控点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。
六、结论
采用有线方式，租用静态IP目前费用比较高约800-1500元/月。采用GPRS无线方式，GPRS数据流量费用目前有包月制和按数据量两种收费方式，按流量计算0.03元K，而包月制15元/月可享受150 MB数据流量(福建移动公司资费)，完全可满足燃气公司目前燃气数据采集系统的实际数据量，日后其费用还会逐步降低。对于燃气公司等用户来说，由于通信费用较低，享受到了实惠。另外，由于GPRS终端可任意移动和组合使用，当燃气监测站和燃气信息采集点搬迁时设备可随之迁移并可继续使用，可以保护用户原有投资，适合于燃气监测工作的特点。
采用GPRS构建城市燃气远程监测系统，不仅能很好地满足燃气信息采集的需求，而且，做为GPRS网络运营商的移动通信公司也将因此获得业务稳定的集团用户，随着用户数量的增加，移动通信公司的营收也随之增加，调动了运营商的积极性，符合网络建设和网络应用同步发展的要求。
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