刘长征，赵卫国，胡荣花，武中强

(河北省沧州市水利科学研究所，河北沧州 061000)

南水北调配套工程沧州管道输水无线监测系统探讨

刘长征，赵卫国，胡荣花，武中强

(河北省沧州市水利科学研究所，河北沧州 061000)

管道输水实时监测系统通过中国移动GPRS无线通信网络对沿线管理所、分水口监测站的流量计、压力变送器、液位计、工作状态进行数据采集，达到对数据进行实时显示、历史曲线、数据查询，流量、压力、报警、报表等统计分析处理，完成用水动态变化和监测水厂以上输水管道的安全运行，充分发挥南水北调配套工程的经济、社会和生态效益。

南水北调;管道输水;运行监测;自动化

南水北调工程是我国水资源配置的战略性工程，兴建南水北调中线工程是党中央、国务院根据我国经济社会发展需要做出的重大决定。沧州市南水北调配套工程水厂以上输水管道工程承担着向9个供水目标输送长江水的任务，共涉及泊头市(2个供水目标)、东光、吴桥、青县、肃宁、献县、河间及任丘，共8个县(市)。工程引水线路总厂191.18 km，一级加压泵站5座，二级加压泵站座。

输水管线自动化监测系统是一个以信息技术、智能数据采集处理、监测仪表的信号转换、GPRS通信和工业组态软件及二次应用开发等技术为支撑，对沿线管理所、分水口的监测站仪表(流量计、压力变送器)的流量、管路压力等数据进行采集，数据传回到建管中心监测服务器完成分析处理，为管理人员提供科学的决策依据。

1 监测系统设计

监测服务器向监测站发布数据采集命令，经GPRS设备传到中国移动的GPRS网络，由GPRS网络传递到各监测站的GPRS设备，再到监测站智能数据处理器(MCU)，MCU根据命令将监测站仪表的流量、管道压力等数据传到监测中心。监测服务器进行相应的统计分析、处理操作，并将监测仪表的数据发到各分中心、移动分中心，完成一次任务的执行。

1.1 监测中心

1.1.1 组成结构

监测中心由监测服务器(一用一备)、GPRS设备、信号转换设备、微电脑控制器、开关电源、不间断电源UPS、蓄电池、打印机、交换机、防雷设备(终端器、电位开关、接地极、电源及信号防雷器)等组成。监测中心组成结构见图1。

监测服务器运行着实时监测模块软件、通信模块软件和分析报表模块软件等应用程序，负责监测中心与各监测站的联络，对所有监测站的各个参数进行分析处理等操作，保存系统及各监测站的配置信息和仪表的数据信息，同时可以将所有监测站的数据转发到分中心、移动分中心的服务器上。

图1 监测中心组成结构图

1.1.2 软件系统

监测中心软件系统采用了性能稳定的工业组态软件作为监测中心的支持平台，GPRS数据的接入采用动态加载Winsock资源的方式来完成各个现场采集处理设备数据的通信。

监测站MCU采集的数据，直接召测到监测中心。动态监测各监测站仪表的运行信息。具备数据分析报表、数据汇总报表及打印功能，可给出日报表、月报表和年报表。绘出相应各监测站的用水曲线图，可统计管路总的供水量图。绘制某几个遥测点瞬时流量曲线图、压力曲线图。应用软件由实时监测模块、通信模块、分析报表模块三个模块组成，结构见图2。

图2 软件组成结构图

1)实时监测模块

实时监测模块是自动化监测运行的控制中枢。当系统到设置的轮询周期时，监测模块自动下发出指令，各监测站MCU收到指令后，上报相应数据。监测模块收到数据后，显示实时曲线，并把数据保存到数据库中。

2)通信模块

监测模块负责监测中心与各监测站的联络，通过通讯服务模块向监测站下达命令，由GPRS设备发布出去，命令经GPRS网络，传递到各监测站，各监测站上报数据通过相反的路径返回。

3)分析报表模块

本模块负责查询、打印各种报表和图表，采用Client/Server模式，并自动汇总，生成报表。也可根据历史数据，绘制历史用水量、管道压力走势图等。

1.3 监测站

1.3.1 组成结构

监测站由计量仪表(流量计、压力传感器)、监测站智能采集处理设备(MCU)、GPRS设备、信号处理设备(各转换器、接口模块)、供电系统(开关电源、微电脑控制器、光伏发电板、控制器、蓄电池组、UPS)、防雷设备(终端器、电位开关、接地极)等组成。监测站组成结构图见图3。

图3 监测站组成结构图

智能MCU是监测站的核心设备，通过信号转换和控制设备。和各监测仪表相连接，接受监测中心的命令，完成数据的采集、上报。全系统采用光伏自发电装置的12V DC供电方式，现场不提供交流电源。

1.3.2 监测站布设原则

(1)管道长度≤2公里，可在进水端或出水段设置1处监测站。大于2公里的管道，则在进水端和出水段必须各设置1处监测站即至少设置2处监测站。

(2)管道长度≥10公里，则在中间位置择处设1处中间监测站，管道长度≥20公里，则在中间位置择处设1－2处中间监测站。

1.4 无线APN网络构建

监测系统的数据都是在中国移动GPRS网络VPN网内的GRE隧道内传输。监测中心的服务器通过GPRS电台来接入GPRS网络，当监测站的智能数据采集处理器想要实现点对点的数据传输时，使用绑定GPRS网内IP地址的SIM卡拨号上网，拨号上网时首先要到GPRS网络进行注册，获得监测中心授权以后双方才能建立通信。监测站登陆成功后，校正时钟，保持时间同步，随时等待监测中心连接。监测中心下发命令，经各监测站的智能数据采集处理器完成数据上报后，在GPRS网络中撤销链路，完成了一次实时数据的采集任务。不需要通信时，进行注销操作，从网络上断开。

2 系统功能

2.1 数据实时监测

(1)监测站数据(累计流量、瞬时流量、管线压力、工作状态等信息)能够实时显示在监测中心服务器上，准确地反映输水管线的运行状态。

(2)数据实时监测，每30分钟记录一次数据，监测间隔可自由设置。

(3)监测分中心可以同步实时远端演示、显示每个监测站的数据。

(4)系统主动召测，即任何时候可以在服务器上主动提取监测站的数据。监测站能够随时接受召测，上报相关数据，实现远程监测功能。

(5)数据采用校验算法，保证数据可靠传输。

2.2 报表、图表功能

(1)数据的显示方式既有电子地图动态文字数据，也有实时数据曲线、历史曲线，具有友好的人机界面。

(2)自动生成日报、月报、年报，也可随时进行统计报表、打印。

(3)自动数据分析，统计管路总的供水量趋势图。

(4)实时绘制某监测站瞬时流量曲线图、压力曲线图。

(5)提供数据报表及查询功能，选择监测站以及日期便可得到相应的报表。

2.3 分析处理功能

(1)实现所有监测站的现场测量数据的采集和对数据进行分析处理。

(2)根据监测数据，分析各个取水点的用水情况(如小时用水量、日用水量)，对于异常情况产生告警。基于管道数据分析沿线的压力损失和流量损失，对于压力异常产生告警。

2.4 数据存储及共享备份

(1)实现系统的多级管理和数据共享，和监测分中心、移动分中心的数据交换。

(2)数据信息本地存储，其存储历史数据时间为3个月。(3)提供完善的数据备份功能。

(4)通过内部计算机局域网络实现资源共享。

2.5 数据接口

(1)模块化结构，便于扩展;具有标准的开放通信和网络接口，方便系统后期增容。

(2)监测站MCU设计光纤接口、GPRS接口通信。拓展1路485接口、1道开关量、2路模拟信号接口、1路设置接口。

(3)模拟信号提供4－20 mA电流、0－5V DC电压，数字信号采用 RS485、RS232、MODBUS，现场处理采用RS232便于和工控电脑通信。

2.6 安全性设计

(1)服务器采用一用一备的冗余工作方式，主服务器失效后，备用服务器启动工作。

(2)软硬件总体采用分布结构，如果某一局部出现故障，不会影响整个系统运行。

(3)故障自动报警。监测站MCU自动将故障信息上报到监测中心，便于操作人员迅速处理。如有故障造成数据漏召，可以补召数据以保证有利于数据的完整。

(4)采用低功耗工业级器件，具有高抗干扰能力和稳定性，防雷、防浪涌、防电磁干扰。

(5)电源采用了带防雷设计的开关电源技术。配备独立的光伏发电、储电、稳定用电系统，无外接220伏工频电源。

(6)机箱防护等级为IP65，温度－300C－600C，满足全天候无人值守的功能要求。

3 结语

南水北调配套工程沧州管道输水无线监测系统通过中国移动GPRS无线通信网络对沿线管理所、分水口监测站的流量计、压力变送器、液位计的监测数据和工作状态进行数据采集、实时显示、历史曲线、数据查询，流量、压力、报警等统计分析处理，达到监测整个输水管道安全运行的目的，极大限度发挥输水工程的作用，充分发挥南水北调配套工程的经济、社会和生态效益。

［1］沧州市南水北调配套工程水厂以上输水管道工程可行性研究报告沧州水利勘测设计院.

［2］刘长征.GPRS长距离管道输水实时监测系统研究技术报告.沧州市水利科学研究所.

［3］韩斌杰.GPRS原理及其网络优化.机械工业出版社.

［4］沈振元，叶芝慧.通信系统原理(第二版).西安电子科技大学出版社，2008.

［5］张明德，孙小菡.光纤通信原理与系统 (第3版).东南大学出版社，2003.

TV213.4

B

1004－1184(2013)05－0099－02

2013-04-01

刘长征(1978-)，男，河北海兴人，高级工程师，主要从事水利科研和水利自动化工作。