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GPRS/CDMA DTU技术及产品在工业现场的应用 |
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GPRS/CDMA系统在油田管道中进行实时监控的解决方案
第一部分 前言
在石油的开采、储运等生产过程中，尤其是成品油储运过程的动态监测是生产管理的重要工作内容，也是保证油田正常、安全、经济运行的重要手段，在西方发达国家自动化数据采集与控制（SCADA）已经成为生产的配套设施。
随着人类科技水平的提高，以及高科技技术的运用。使得对输油管道的实时动态监控成为可能。动态监测的主要内容包括管道及油井的泄漏监测、压力超高保护、温度异常、含水超标等。油田被称为“没有围墙的工厂”，油井、集输站、联合站星罗棋布，偏远分散，而石油的整个生产流程又通过管道连接起来，成为一个压力系统，可谓牵一发而动全身，特别是管道及油井的泄漏事故时有发生，给油田单位造成巨大的经济损失和环境污染。因此，实现油田生产系统的动态监测，对于及时发现泄漏等故障、优化生产运行参数、减少盗油犯罪案件的发生、提高油田的现代化管理水平等具有重要的意义。
第二部分 GPRS网络简介
GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的，是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构。这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。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。相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，具有“系统实时在线”、“按流量计费”、“方便快捷登录”、“数据高速传输”、“自如切换”的优点。
第三部分 系统组成
GPRS无线网络油田管道监控系统是国内先进的远程监控技术，利用计算机技术、移动通信技术、网络通讯技术、数据库技术及测试技术建立的软硬件相结合平台。该系统运用数字移动通信技术，改变了原有传统结构下的模拟信号传输结构并导入移动通信技术，在主机与分机之间实现无线通讯。具备对油田管道数据实施动态检测，泄漏监测、压力超高保护、温度异常、含水超标报警、远程信息传输等功能，同时开展对采集数据进行综合分析等扩充功能的开发与研究。为科学管理设施提供了依据，提高了设备的科学利用率，实现了节能降耗指标。
针对管道及油井的泄漏监测、压力超高保护、温度异常、含水超标等动态监控。以及油井、集输站、联合站星罗棋布，偏远分散，而石油的整个生产流程又通过管道连接起来，成为一个压力系统，可谓牵一发而动全身的特点，我们设计了用GPRS无线网络的方式实现对油田管道现场参数的数据采集和远程传输方案，真正实现了油田数据的多点、远程、实时、同步的现场数据传输，方便、快捷、经济、可靠、安全的进行油田管道的分布式集中测控。
（一） 系统结构框图
（二）系统说明
整个远程监控系统如上图所示由三部分组成：现场采集控制部分、GPRS 数据传输部分、监控室数据中心。通过控制模块完成与 GPRS DTU 的数据交互。PLC（采集设备） 定时将数据发送给 GPRS DTU，同时 PLC 实时接收 GPRS DTU 发来的数据完成相应控制功能。GPRS DTU 在收到 PLC 发来的数据会立即转发到数据中心。
(1) 每个站点里PLC 将各信息参数实时采集后通过 RS-485 串口通信模块将数据送往 GPRS DTU 通信模块；同时，还可通过该通信模块接收监控中心的指令。
(2) GPRS 数据传输部分在对 GPRS DTU 通信模块进行配置时预先输入数据中心的固定 IP 地址GPRS DTU 通信模块收到 PLC 发来的数据后，把这些数据送到前面设置的 IP 地址网络服务器中，通过端口映射转发到数据中心服务器。GPRS DTU 发送数据的过程为：数据送到中国移动GPRS 网络中，然后再经过 Internet，最后在数据中心通过 ADSL 进行接收。
(3) 监控室数据中心由 ADSL MODEM、网络服务器、防火墙、数据中心服务器、工作站。数据中心服务器通过 ADSL Modem 接收来自每个站点的数据，并对数据进行存储、历史趋势分析、报表打印等。
（三）系统主要功能
• 远程自动监测功能：能根据用户的要求，对油田站点的现场数据进行采集、统计、分析、并自动生成各种报表和图表，建立和存储每个油田站点的历史档案；
• 故障告警和提示功能：能监测现场情况，并上报管理中心，通知管理人员前去处理；
• 遥测功能：能在数据管理中心对辖区内各油田站点的泄漏监测、压力超高保护、温度异常、含水超标、防盗等进行测量；
• 遥控功能：通过I/O控制，能对现场设备进行操作控制，例如启动机泵、卸压处理及安全保护装置，报警、切断电源等；
第四部分 TD-8600型RS485/422转GPRS无线数传 DTU 产品特点
TD-8700S型RS485转GPRS转换器，无线数传终端GPRS DTU为各种带有RS-232、RS-485标准通信接口的传感器、智能设备和工业控制设备提供透明数据传输通道。用户不用知道复杂的GPRS通讯原理和TCP/IP协议，不用更改原有程序，就可以让工业用的RS232/485串口设备的串口通信立即转换为GSM/GPRS无线网络通信。变传统串口通讯为GPRS无线网络通讯。TD-8700S内置TCP/IP协议栈透明传输数据，它不对设备上传和下发的数据包进行解释与处理，仅对用户数据包实施TCP/UDP数据封包与拆包处理，从而实现数据透明传输的功能。广泛用于长距离无线通信或远程控制。
>>产品特性：
1. 使用方便、灵活、可靠 、配置维护接口
2. 符合GSM/GPRS通讯标准，支持虚拟数据专用网
3. 数据终端永远在线 ，透明数据传输与协议转换
4. 支持点对点、点对多点、多点对中心等数据传输短消息数据备用通道
5. 一个RS232串口，支持RS-232/485， 内置GPRS模块
6. 抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求
7. 路由与虚拟地址转换服务(NAT) 无线、实时、大数据量通信
8. 控制端不需要多用户卡、Modem之类的设备，只需要控制端上网
9. 低端串口设备快速无线联网，大数据量通信
10.通信效果取决于GSM/GPRS网络的建设
11.数据通信稳定，数据传输速度快，数据量大的优点。单程<1秒,速度可 达40 kbit/s
12.通过超级终端类似于AT指令方式设置程序，灵活设置通信参数
13.支持静态IP，域名，SMS找IP等多种主机发现方式
>>技术参数：
◆ TCP/IP协议栈支持：TCP、UDP、FTP、SOCKET、TELNET、POP3、SMTP、HTTP
◆ 天线接口：50Ω/SMA 阴头
◆ 数据传输方式：全透明数据传输
◆ 支持参数设置：TCP客户、TCP服务器、UDP、设备透明传输等模式
◆ UIM卡：3V
◆ 串行数据接口：RS-232或RS-485
◆ 串行数据接口速率：300到115,200 bits/s
◆ 功能模式：掉线自动重新拨号功能 省电模式
◆ 设备功耗：待发射状态约120mA；发射状态约300mA，范围200mA ~480mA
◆ 工作温度：-10～+50℃
◆ 储存温度：-20～+75℃
◆ 相对湿度：95% (无凝结)
◆ 设备供电： +5V
◆ 工作温度：-20℃ ～ +70℃
◆ 质量保证：三年
>>应用领域：
广泛用于楼宇自动化控制、停车场设备联网控制、交通联网控制、PLC控制与管理、POS机的联网、LED屏幕控制、工厂、车间、矿井、银行、油田监控、电气、航海通信 、其他RS-232/485设备联网应用等遥控领域
第五部分 系统方案
A. 公网方案
中心用一个服务器组作为中心接收，中心采用 ADSL 等 INTELNET 公网连接，采用公网固定 IP 或者公网动态 IP+DNS 解析服务。此种方案先向 INTERNET 运营商申请 ADSL 等宽带业务。
1) 中心公网固定IP：监控点直接向中心固定 IP 发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。（固定 IP 费用比较贵）
2) 中心公网动态 IP+DNS 解析服务：大部分 IP 都是动态的，而且费用相对便宜。监控点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。
B. 专网方案
1、根据客户内部网对网络安全的特殊要求，决定采用中国移动GPRS网络的专用APN形式入网：通过一条2M 专线由信息中心接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有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卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN客户可自建一套RADIUS服务器和DHCP服务器，GGSN向RADIUS服务器提供用户主叫号码，采用主叫号码和用户账号相结合的认证方式；用户通过认证后由DHCP服务器分配企业内部的静态IP地址。
端到端加密：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。如上图所示。
2．APN业务流程
GPRS专网系统终端上网登录服务器平台的流程为：
1）用户发出GPRS登录请求，请求中包括由移动公司为GPRS专网系统专门分配的专网APN；
2）根据请求中的APN，SGSN向DNS服务器发出查询请求，找到与企业服务器平台连接的GGSN，并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN；
3）GGSN将用户认证信息（包括手机号码、用户账号、密码等）通过专线送至Radius进行认证；
4）Radius认证服务器看到手机号等认证信息，确认是合法用户发来的请求，向DHCP服务器请求分配用户地址；
5）Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送携带用户地址的确认信息；
6）用户得到了IP地址，就可以携带数据包，对GPRS专网系统信息查询和业务处理平台进行访问。
第六部分 结束语
以GPRS为基础的无线数据系统有很广泛的应用，GPRS使互联网进入无线领域，一直延伸到手机上。除了支持传统的互联网应用，GPRS也可使无线终端支持B2B、B2C的电子商务和电子支付、股票交易、银行转帐等应用。GPRS同样可以应用于公司内部网(INTRANET)，基于IP的远程LAN接入，使无线终端成为LAN的延伸，几乎所有低速率的数据传输服务都可以应用，如对电力系统自动化、工业监控、交通管理、气象、金融、环保监测、煤矿、油田、证券等行业领域的应用。
顺颂商祺！
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