川渝地区天然气管网调整改造工程解决方案1203.docx
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川渝地区天然气管网调整改造工程解决方案1203
川渝地区天然气管网调整改造工程
无线GPRS网络智能监测系统
解决方案1.0版
北京航星网讯技术股份有限公司
2014-12
第一部分:
解决方案
一、客户需求
用户要求在重庆外环输气管道上进行南干线东段安全隐患整改工程。
本段输气管道包含渡口河站、明月阀室、蒲家阀室、虎让阀室、高峰阀室、龙岗站、乐兴阀室、嘉陵江阀室、南都站、大兴阀室、梓江阀室、三台站、杰兴阀室以及德阳末站等14处阀室。
用户要求采集并监测各阀室内的阀室泵的开关量和管压变化率两种数据。
用户希望建设一套无人值守,自动采集、传输的智能数据监测系统。
建设要求如下:
1、现场环境特点:
户外,需防雨、防潮;
2、前端设备环境适应性:
-20℃~+60℃;
3、防爆等级要求:
Ex-dⅡBT4;
4、防爆区域:
以阀室泵为中心,以7.5米为半径的半球范围内;
5、供电系统:
考虑采用农用交流电(最大停电时间48小时),由传输设备供应商提供;
6、阀室泵数传接口:
RS-485接口(modBus协议);
7、数传字节长度:
小于100字节(含协议头,估算值);
8、数采周期:
常态1次/h,1天24次;
9、数传周期:
常态1次/h,1天24次;
10、无线传输方式:
GPRS(实时性好,耗电量大);
11、希望IP数据代理服务器与现有系统数据服务有效融合。
二、需求分析
根据用户具体需求和现场环境,我们作出以下分析:
1、用户的监测点建设范围并不是在同一区域,我们将考虑把每一个阀室当做一个节点,每个节点都采用一套GPRS智能传输终端进行工作。
2、现场使用农用交流电源供电,我们考虑采用免维护蓄电池搭配充电器使用,对GPRS智能传输终端进行供电。
3、针对用户需求中描述的“数采周期”和“数传周期”,我们采用的“GPRS智能传输终端”具备两种工作模式:
一为“定时工作模式”,二为“唤醒工作模式”。
GPRS智能传输终端工作模式不同,设备的功耗也不相同。
4、定时模式下,设备存在两种状态:
一为工作状态、二为非工作状态。
在工作状态下,设备工作电流为300mA;在非工作状态下,设备工作电流为0.1mA;唤醒模式下,设备工作电流为300mA;在非工作状态下,设备工作电流为15mA。
(工作电压6VDC)
5、我们采用的GPRS智能传输终端每完成一次100字节数据量的数采数传工作需要的时间约为3分钟。
用户要求每天进行24次数采、数传工作。
那么每天GPRS智能传输终端的工作状态时间为24次*3分钟,为72分钟。
这样就换算出每天设备的工作耗电量约为360mAH;每天设备需要能源支持约为400mAH。
(以定时工作模式为例)
6、前端设备处有农用交流电提供,但不排除停电的情况。
停电时我们可以使用蓄电池对设备进行供电,以保证设备的正常工作,农电恢复时可对蓄电池充电。
根据调查得知,农用电最长停电时间不超过48小时,这个时间,就给出我们依据去选择电池的容量。
每台设备每24小时需要耗电400mAH,那么48小时需要耗电800mAH,约为1AH。
由于电池工作效率受温度影响,以及电池自放电的缘故,为保险起见,我们建议用户使用4AH左右的电池,外配一套充电器,即能完成对设备不间断供电的任务。
当农用交流电断电时,系统的将会把含有时间标签的报警值在下一次数传时,与采集的数据一并传送到中控室。
7、四川省最热月份平均气温26-29℃,最冷月平均气温4-8℃。
8、用户现场属于防爆区域,用户要求的防爆级别为Ex-dⅡBT4。
设备防爆必须安装于防爆箱内;电池、设备之间的接线线路进行防爆处理;电池可以有两种防爆方案,一种是将其置入防爆箱内,另一种则是置放在防爆区域以外。
9、阀室泵数传接口输出是RS-485接口,无线GPRS智能传输终端配备有RS-485输入接口。
10、数传内容可以通过GPRS智能传输终端直接传输到中控室的IP数据代理服务器,系统上位机软件可以将现场采集的数据呈现在用户眼前。
三、系统功能设计
1、实现阀室内阀室泵设备的无人值守与实时监控。
2、实现阀室泵现场数据的自动采集与回传。
3、实现在农用交流电供电的前提下,既可以对蓄电池反复充电,也可以保证数据监测系统正常运行。
4、实现在农用交流电断电时,可以向中控室发送报警信号。
5、实现用户随时随地查询服务器内现场数据。
6、适配多种数据采集传感器的接口,如:
RS-232,RS-485,模拟输入等。
7、采用先进的GPRS网络传输技术,保障现场数据传输的远程可靠性。
8、采用定时工作模式和唤醒工作模式,使系统野外作业时,既能省电又能保证数据及时完整传输。
9、IP数据代理服务器带有域名解析功能,能满足没有固定IP地址的用户,也能正常接收来自远端采集回传的数据。
10、数据通信安全保证整个系统稳定,服务器采用开放式LINUX操作系统,具有天然抗计算机病毒能力,传输过程中数据均已加密。
四、远端点设计
系统工作模式设计:
定时工作模式/唤醒工作模式。
供电模块设计:
根据以上需求分析,我们建议用户使用容量为4AH的免维护蓄电池和充电器。
免维护电池箱及充电器实物图
采集模块设计:
设备串行数字接口外接用户传感器。
传输模块设计:
GPRS/Internet网络传输。
防爆设计:
设备及线缆防爆:
将无线传输设备安装于防爆箱内,线缆穿入防爆软管内。
电池防爆:
将电池安装于防爆箱内;或者安装于非防爆区,例如:
架高杆安装。
防爆箱与防爆软管电池实物图
GPRS智能传输终端实物图
远端点设备原理示意图
现场设备安装示意图
五、网络设计
本系统涉及两种网络:
GPRS网络和Internet网络。
系统网络拓扑图
1、可以登录互联网并且有固定IP地址的用户,可以选择GPRS模式,终端设备需配置服务器IP地址;
2、可以登录互联网但没有固定IP地址的用户,也可以选择GPRS模式,但是需要有我们的服务器设备做动态IP域名解析,终端设备只需配置服务器的网络域名。
六、中控室设计
1、网络IP数据代理服务器
WEB应用模块:
主要负责网络信息流的互联、转发和交换。
数据库模块:
主要负责数据的存储与备份。
GPRS接收模块:
主要负责接收远端点回传的网络数据信息流。
域名解析模块:
主要负责将动态IP解析为固定域名。
网络IP数据代理服务器实物图
2、客户端软件
根据客户对具体特殊功能的需求,必须对GPRS无线数据采集客户端软件进行专项开发定制。
客户端软件运行于中控室的计算机电脑上,依托于数据库设计,通过数据库间接与远端点设备进行通讯,对远端点设备采集的数据进行搜索/导出形成EXCEL文件等,同时对无线设备进行远程设置和管理操作。
软件基本功能设计:
控制台软件的载体为计算机。
具有设置传输设备采集数据时间间隔/上传数据时间间隔;采集数据进行存储(采集数据为阀门泵开关量、输气管管压变化率、采集设备电量、传输设备电量);数据查询/导出;数据备份/数据恢复;查看设备列表、监测点列表、欠电设备清单、操作日志等功能。
具体设计框图如下图所示:
客户端软件设计框图
C/S结构:
Client/Server结构,即客户机和服务器结构。
它是软件系统体系结构,通过它可以充分利用两端硬件环境的优势,将任务合理分配到Client端和Server端来实现,降低了系统的通讯开销。
C/S结构的应用服务器运行数据负荷较轻,数据的储存管理功能较为透明,劣势是高昂的维护成本且投资大。
C/S结构一般建立在用户专用的网络上,小范围里的网络环境,局域网之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务。
C/S结构一般面向的用户群是对信息安全的要求比较高,适宜于高度机密的信息系统。
我们一般建议用户采用C/S结构来管理设置远端点的功能应用。
B/S结构:
Browser/Server结构,即浏览器和服务器结构。
它是随着Internet技术的兴起,对C/S结构的一种变化或者改进的结构。
在这种结构下,用户工作界面是通过WWW浏览器来实现,极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现,但是主要事务逻辑在服务器端(Server)实现,形成所谓三层结构。
这样就大大简化了客户端电脑载荷,减轻了系统维护与升级的成本和工作量,降低了用户的总体成本。
B/S结构的应用服务器运行数据负荷较重,但是软件维护和升级方式简单。
B/S结构一般建立在广域网之上的,不必是专门的网络硬件环境,有比C/S更强的适应范围,一般只要有操作系统和浏览器就行。
B/S结构建立在广域网之上,对安全的控制能力相对弱。
我们一般建议用户采用B/S结构异地查询远端点的数据状态。
3、机房条件设计
用户自有机房:
必须保证供电稳定,保证网络状况良好,温湿度适宜,防火防雷等措施良好。
用户无固定机房:
由用户委托第三方托管服务器。
七、设备技术指标
无线GPRS智能终端技术指标
序号
性能名称
性能指标
备注
1
传输网络
GPRS&internet
2
数据寻址方式
固定IPor域名解析
3
数据传输方式
GPRS数据通道orSMS短信通道
4
无线传输频率
GSM/GPRS,900/1800HZ
5
无线传输协议
GSMorGSM/GPRS协议栈
6
自带无线增益测量表
0~33真值表述
7
SIM卡座
工业型/紧压型/SIM卡座
8
数采接口
RS-232orRS-485
9
模拟量采集接口
0~5Vor4~20mA
可选
10
数据量采集接口
电压型输入0~3V
可选
11
数据量控制接口
可提供4路30VAC继电器干接点输出
可选
12
绝对时间
可提供绝对年历时间输出,数采时间标签
13
数采工作模式
定时工作模式:
功耗0.1mA(6V)
唤醒工作模式:
功耗0.15mA(6V)
在线工作模式:
功耗300mA(6V)
14
数采周期设置范围
1min~24h
与电池容量关联
15
数传周期设置范围
1min~24h
与电池容量关联
16
报警阀值设置
允许用户设置报警阀值
17
报警响应方式
在线响应延迟:
<2S
离线响应:
1min~60min
18
断电
通知方式:
报警
含时间标签的报警值将在下一个数传时间与采集数据一同传送至中控室
18
数据存贮
可存贮1000条数据(DATA<10bit)
19
电源供给
DC1A/5V
20
电源功能
0.6W/5V在线模式
21
防爆等级
Ex-dⅡBT4
22
环境适应性
温度:
-40℃~+70℃,湿度:
23
防护标准
IP66
24
外型尺寸
25
重量
电池箱技术指标
序号
性能名称
性能指标
备注
1
贮能电池容量
4AH
2
设计支持时间
(数采24次/天,数传24次/天)设计支持时间:
2天
3
最大支持时间
(数采24次/天,数传24次/天)设计支持时间:
8天
4
外壳防护
IP66
5
防爆等级
Ex-dⅡBT4
6
充电器安装
内置电池箱
7
电池箱安装
抱杆式/壁挂式
8
外型尺寸
防爆电池箱:
非防爆电池箱:
9
重量
防爆电池箱:
(不含安装件)
非防爆电池箱:
(不含安装件)
网络IP数据代理服务器技术指标
序号
指标名称
指标描述
备注
1
服务器操作系统
嵌入式inux操作系统
2
服务器寻址方式
固定IPor域名
3
GPRS通信服务内核
①支持远端GPRS中断以C/S方式,将远方数据自动传输至服务器中数据库中
②支持客户端经服务器转发,对远方GPRS终端的控制命令
③支持256台远端GPRS终端,同时“并发”传输数据
④遥信变化量送至服务器≤2秒
⑤遥测量送至服务器≤2秒
⑥遥控命令≤1.5秒
⑦操作画面刷新周期≤1秒
4
监控管理服务内核
①管理远端GPRS终端DTU
a、配置DTU上、下线时间,设定工作模式
b、设定数采周期(频率)
c、设定数传周期
d、设置IP地址
e、设置短信号码
f、支持远端终端BIOS程序
②监视远端GPRS终端DTU
a、监视远端GPRSDTU电池电量
b、监视远端GPRSDTU无线信息强度
c、当地链路测试
d、GPRSDTU上、下线稳定性
③支持以设置密码/权限的方式,管理GPRSDTU
5
数据库服务内核
①数据库结构:
SQL关系数据库
②存贮GPRSDTU上传数据
③定义/存贮数据的属性
④存贮GPRSDTU的设备信息
⑤存贮GPRSDTU组织结构(矢量分布图)
⑥存贮用户设置报警阀值
⑦存贮用户操作日志
⑧支持存贮数据倒出,为用户数据分析提供原始数据。
6
WEB浏览服务内核
①支持用户通过Internet/Intranet网络,访问服务器的数据库内核数据。
②中心控制室客户端,可以以浏览器方式查看数据库中数据。
③中心控制室客户端可以设置浏览数据库访问者的密码及权限。
7
服务器中央处理器
Intel低功耗,无风扇,工业极IntelCeleron400MHzCPU
8
看门狗定时器
定时时间1~255秒(分),可编程选择超时中断
9
内置硬盘
80GB/抗震型硬盘
10
固态盘接口
CompactFLASH电子盘
可选
11
网络接口
10/100M以太网控制器,RJ45型式
12
液晶屏幕
128×32点阵式黄绿背光液晶屏,显示系统运行信息
13
指示灯
电源指示灯(红色),硬盘指示灯(绿灯),复位灯(绿色)
14
固定方式
机架式/台式
15
工作电压
交流电压220V
16
功率
60W
17
工作环境
0℃~60℃5%~95%RH
18
外型尺寸
440×305×65
19
重量
1.5㎏
第二部分:
系统基本配置
远端点配置:
序号
名称
型号
单位
数量
备注
1
GPRS智能传输终端
台
14
2
电池充电器
个
14
3
电池箱
个
14
可选防爆
4
结构件
套
14
5
配电箱
个
14
6
电池箱零件
套
14
中心控制室配置:
序号
名称
型号
单位
数量
备注
1
网络IP数据代理服务器
台
1
2
网络IP数据代理服务器软件
套
1
3
数据库软件
套
1
4
GPRS数据查询客户端PC
台
若干
5
GPRS数据查询客户端软件
套
若干
第三部分:
成功案例
天津国土资源局地下水GPRS数据系统设备项目
天津国土资源局地下水GPRS数据系统设备建立3个地下水质监测系统,该系统要将监测点的数据通过无线传输方式传送至数据处理中心,通过中心监测管理软件实现数据的远程采集、远程实时监测、完成数据的本地管理,并满足安装有本系统软件的电脑通过互联网随时访问这些数据。
无线GPRS数据传输系统框图
延庆经济技术开发区物业管理中心GPRS温度采集传输系统
北京延庆经济技术开发区物业管理中心以往采用工作人员电话联系住户或上门测温的方式收集供暖范围内住户家中的温度,用以指导供暖锅炉的燃烧控制。
鉴于这样的收集方式效率低,数据不完整,不准确,特决定建立一套可以实时采集住户家中的温度并采用无线方式传输的系统,以满足节能减排的需要。
具体需求如下:
选定能够表征整个供暖范围温度的住户室内采集点21个;
表征当地户外温度的采集点1个;
对整个开发区供暖的2座锅炉房的出水和回水温度分别实时监测,并提供现场显示。
无线GPRS数据传输系统框图
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- 地区 天然气 管网 调整 改造 工程 解决方案 1203