一 .概述
隨著近年來城市城鄉一體化建設速度的加快,自來水供水管網越來越龐大、分散。自來水供水管網作為城市極為重要的基礎設施,與城鄉民生、經濟和社會發展密切相關。加強對自來水供水管網信息化建設具有相當重要意義。利用計算機信息技術、通信技術對自來水供水管網運行的主要參數、設備運狀況進行動態監測、實現自動化信息管理,并將監測點信息直觀顯示,實時了解管網運行狀況,對自來水供水管網調度與決策起作重要作用,成為保障自來水供水管網經濟、可靠運行關鍵所在。
城市供水調度監控系統的主要目的是解決自來水公司對供水各環節監測點的數據采集和監控。該系統由監控中心和各個水源監測點組成,各個水源監測點的數據采集終端(RTU或PLC)可監視和采集水位、壓力、流量、濁度、余氯、泵頻等各種數據,供控制中心及有關部門分析和決策取用,提高工作效率,保證供水質量,滿足日益增產的用水量的需求。
城市供水調度監控系統可以對遠程現場的運行設備進行監視和控制,以實現管道壓力、水流量的數據傳送及閥門開關的自動控制,降低了故障率和提高了對系統的反應時間。便于及時迅速的了解及控制遠端管道及閥門,低故障率和檢修的時間,減少停水次數。各水源監測點的數據采集終端可自動采集管道壓力、水流量的實時數據與開關狀態等數據,信息傳輸到自來水公司的監控中心,監控中心通過對傳輸回的數據進行分析,可找到出故障的地點,從而當一個遠端出現故障時,能在最短的時間內解決問題,恢復供水,提高了整體的服務水平,從而實現了城市供水的信息化、現代化。
在城市供水調度監控系統中,由于各管網監控點分布范圍廣、數量多、距離遠,個別點還地處偏僻,因此架設光纜、鋪設電纜難度大、不切合實際,總之監控系統采用有線通信方式建設周期長、工作難度大、運行費用高,不便于大規模使用;相比之下,無線通信方式則顯得非常靈活,它具有投資較少、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優點。在通信網絡選取上,選擇中國移動的GPRS系統作為城市供水調度監控系統的數據通信平臺。目前,GSM網絡經過電信部門的多年建設,覆蓋范圍不斷擴大,已成為成熟、穩定、可靠的通信網絡,特別是中國移動新推出的GPRS數據業務。GSM/GPRS系統可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業務平臺上構建自來水供水調度監控系統,實現管網監控點的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡,縮短建設周期,降低建設成本的優點,而且設備安裝方便、維護簡單, 具有先進性、實用性、擴充性、安全性、可靠性。
自來水供水管網GPRS遠程監測管理系統主要對源水信息采集、自來水廠數據采集、泵房遠程監控、管網水監測報警進行統籌設計,實現自來水供水系統的“三遙”即遙測、遙控、遙信。加強水質、水壓監控,確保水質優良、水壓滿足民眾的生產和生活需求;并將氣象信息、城市供水水質監測網檢測信息、衛生防疫站檢測信息匯總,對水資源保護和水環境整治起到積極作用,準確快速響應源水污染及管網暴管應急處理。
GPRS遠程監測管理系統對各個自來水廠進行科學管理,城市自來水供水信息監控系統一般包括:多個水廠終端、多個水源井監控站、多個管網加壓站、多個管網測壓站,并接入城市氣象站、城市供水水質監測網、衛生防疫站信息。GPRS遠程監測管理系統可以對遠程分站的設備運行進行監測,以實現自來水供水管網自動采集水位、壓力、流量、濁度、余氯、泵頻等實時數據與狀態參數、供監控中心及有關部門分析和決策,提高工作效率,保證供水質量,滿足日益增產的用水量需求。便于及時迅速的了解及控制遠端管道水壓及管網設備運行狀態,監控中心通過對傳輸回的數據進行自動分析,當一個遠端出現故障時,能在最短的時間內快速響應,恢復供水。提高自來水供水系統的服務水平,從而實現了城市供水的信息化、現代化。GPRS遠程監測管理系統的建立,必將產生很大的社會效益和經濟效益。
二 .系統方案
管網遙測系統拓撲圖如下圖所示
管網遙測系統由分布在城區的共計12個管網監測點、中心控制室、GPRS 移動數據傳輸網絡三大部分組成
1、管網監測點(12個):
管網監測點:各監測點通過數據采集儀采集管網壓力、余氯、電源電壓、電流等數據,通過RS232接口與GPRS透明數據傳輸終端模塊相連,通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GPRS網絡。
2、中心控制室:
中心控制室的主模塊(GPRS數傳模塊)不需要固定的IP地址,也不需要ADSL、撥號等設備;主模塊與分站模塊按照主從式進行傳輸。GPRS數傳模塊通過RS232接口與SCADA工業計算機相邊,將采集到的各分站傳輸過來的封裝后的壓力、余氯、電流電壓等數據進行處理,還原后傳輸SCADA工業計算機。
系統監控軟件由中心控制室的GPRS數據電臺通過中國移動的GPRS無線網絡與各個遙測分站的GPRS數據電臺建立起通信鏈接,從而采集到各個遙測分站的管網壓力、余氯等數據信息??刂浦行谋O控軟件采集所有監測點的數據信息,并作畫面顯示:管網各監測點的動態運行圖、實時趨勢圖、壓力趨勢圖、棒圖、運行報表(壓力數據報表、日報表、月報表等)、及其他自定義畫面;同時顯示系統日期、時間, 報警數據,設備狀態, 趨勢等,并能快捷的觀察到各個點的數據在線情況。接收上報的數據及告警信息,同時對采集的數據進行存儲和管理,生成實時數據庫和歷史數據庫,具有查詢、統計、報表等功能,并對報警信息進行即時處理。
3、GPRS移動數據傳輸網絡:
現場監測點采集的數據經GPRS網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理,轉換成在公網數據傳送的格式,通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸,最終傳送到中心控制室。
GPRS數傳模塊是基于互聯網的通信模塊。下圖表示了GPRS數傳模塊在通信的過程中與GPRS網、互聯網及數據中心的關系。GPRS網的作用是使模塊的數據通過GSM無線網絡到達互聯網,互聯網再把數據發網數據中心, 數據中心根據數據的目的地址再通過互聯網及GPRS網傳給目的地址表示的模塊。
本系統GPRS模塊組網采用如下圖所示的點對多點的形式。
各監測點使用GPRS透明數據傳輸終端,通過移動的GPRS網絡與監控中心相連;各數據監測點使用移動通信公司統一的SIM卡,同時中心控制室對各點進行登記,保存相關資料以便識別和維護處理。各信息監測點運行監控系統軟件,支持24小時實時在線,實現信息采集點24小時傳送采集的信息數據。
三 .中心控制室設計:
中心控制室系統結構如下圖所示:
中心控制室硬件由SCADA工業計算機、數據庫服務器、GPRS數據傳模塊、UPS后備電源、工業以太網交換機、激光打印機等設備組成。中心控制室有UPS后備電源系統為工業計算機和數據庫服務器以及GPRS數傳模塊提供可靠的供電保障,以保證系統安全運行。
控制室的監控軟件運行于SCADA工業計算機,本軟件是基于工業監控組態軟件平臺,結合本項目實際情況和具體要求進行定制開發而成,并將所有數據通過SQL數據庫軟件保存在數據庫服務器上。
四.安全措施
由于供水調度監控系統的特殊性,本系統需要極高的系統安全保障和穩定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環,網絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩定是指系統能夠7×24小時不間斷運行,即使出現硬件和軟件故障,系統也不能中斷運行。
數據中心可通過公網使用VPN接入到移動GPRS網,采用VPN方式成本比較低,企業不用租用專線,還可以利舊使用原有的VPN設備,移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式,客戶端在連接應用服務器前,要經過Radius服務器的認證整個數據傳送過程得到了加密保護,安全性比較高,可充分保障速度和網絡服務質量。
另外,數據中心也可以采用APN接入方式,租用專線接入到移動公司的GGSN設備上,這種成本高,安全性高、穩定可靠。
對于安全性要求非常高的系統,可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式,進一步提高系統的安全性。
1、VPN虛擬專網模式:企業內部網絡中配置VPN服務器,移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術,用戶通過接入企業內部虛擬專網的方式與Internet進行隔離,可對整個數據傳送過程進行加密保護,有效避免非法入侵。
2、利用SIM卡的唯一性,對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權,在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定,劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業的SIM卡手機號才能訪問專用APN,移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入,普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
3、對于特定用戶,可通過數據中心分配特定的用戶ID和密碼,其他沒有數據中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進入系統,系統的安全性進一步增強。
4、數據加密:通過VPN對整個數據傳送過程進行加密保護。
5、網絡接入安全鑒定機制:采用防火墻軟件,設置網絡鑒權和安全防范功能,保障系統安全。