Scientific Journal of Control Engineering August 2013, Volume 3, Issue 4, PP.271-275
Pipeline Network Remote Monitoring System Based on 3G-GPRS Communication Zhenpeng An1†, Wei Lu1, Haiguang Wei2, Jianhua Yang1 1. School of Electronic and Information Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116023, China 2. Shenyang Huanggu Thermal and Electric Limited Company, Shenyang Liaoning 110035, China †
Email: 290708589@qq.com
Abstract According to the reality of the thermal power plant and its sub-heat exchanger station, we design Pipeline Network Remote Monitoring System based on 3G-GPRS Communication. The fully control over the heating pipe network system can be achieved by which the supply and return water values collected by the sub-heat exchanger station of the remote station was sent to the monitor center, in which PID will be employed to adjust the control pressure feedback, by means of the point-to-point communication of GPRS-3G. The long-term operating results show that the system can significantly improve the operation of plant monitor system on the real-time, flexibility and reliability dependent on its advantages such as safety, stability, accuracy and rapidity. Keywords: Thermal Power Network; 3G; GPRS; PID Control
基于 3G-GPRS 的城市热网远程监控系统 安震鹏 1，卢伟 1，魏海光 2，杨建华 1 1. 大连理工大学 电子信息与电气工程学部，辽宁 大连 116023 2. 沈阳皇姑热电有限公司，辽宁 沈阳 110035 要：根据热电厂及其子换热站的实际情况，本文设计了基于 3G 和 GPRS 模块进行远程监控的自动控制系统。远程监
摘
控的子换热站采集一次供、回水压力值，通过 GPRS-3G 点对点通信传送到厂内监控中心，监控中心采用 PID 调节控制压 力反馈，以实现对供热管网系统的整体控制。经过长期的运行结果表明，该系统安全性高、稳定行性好、精度高、控制 反应迅速，大大提高了厂内监控系统运行的实时性、灵活性和可靠性。 关键词：城市热网；3G；GPRS；PID 控制
引言 换热站在城市集中供热系统中作为供热网路与热用户的中间连接环节，其功能是通过对热网输送过来的 各种热媒进行调控、转换，根据热负荷的需求向用户安全合理地分配热量[1]。一般情况下，各换热站分布广 泛，现场情况千差万别，用常规的方法实时地采集各换热站的热工参数有一定的难度。因此，通过现代计算 机、通讯及自动控制技术，远程对换热站进行实时监测和控制是十分必要的[2]。 本文以辽宁省沈阳市某集中供暖工程为背景，采用 GPRS TO 3G 网络实现监控中心与子换热站之间的数 据传输，并同时参数自整定 PID 控制算法实现对换热站调控，成功实现了一种新型换热站无线监控系统。经 过长期的运行结果表明，该系统安全性高、稳定行性好、精度高、控制反应迅速，大大提高了厂内监控系统 运行的实时性、灵活性和可靠性。 - 271 http://www.sj-ce.org/
1 系统结构设计 1.1 系统整体框架 根据热网供热的工艺特点和控制任务，本系统主要完成对换热站本地热力及水力工况运行状态信息的实 时采集及处理、故障报警/诊断等功能[3]。本系统由监控中心、远端子换热站、3G-GPRS 通信网络和无人值守 自动调节系统组成。为了保证厂内监控系统不遭受外部互联网的干扰和攻击，本系统的实施策略如图 1 所示， 远端子换热站采集的数据通过 GPRS 模块传入厂内 3G 路由器上，3G 路由器通过 PLC 将压力值转化成模拟 量信号与厂内 PLC 实时通讯，厂内监控中心对实时数据进行自动处理，通过控制厂内的变频电机泵组进行供 水压力反馈调节，确保整个供热系统热力及水力工况平衡。
P E C 8 0 0 0
智能压力表（一次供水1) 智能压力表（一次供水2) 智能压力表（一次回水1)
多 路 巡 检 仪
智能压力表（一次回水2)
G P R S 终 端
3 G 通 讯 终 端
P E C 8 0 0 0
厂 内 P L C
厂内监控 中心PID反 馈系统
反 馈 调 节
热力管网
图 1 系统整体框架
1.2 变频调速反馈系统的组成原理 在图2中标出了编号1-11共11个换热站，其中9号换热站为距首站A热电厂最远的换热站。本系统远程采 集端为图1.2的9号换热站，通过远传系统，采集9号站的一次侧供回水压力值。在主厂区A根据远端一次侧供 回水压力值通过控制策略使整个热网最远端的9号站的一次侧供回水压差值保持恒定，以满足二次管网的供 暖水循环。如图3所示，变频调速反馈系统由PLC调节器、远传通讯终端、变频调速器及水泵等构成。在正常 工作情况下，远传通讯终端把远端压力传感器检测出的供回水管压力差传送到厂区A作为反馈信号，厂区A 的调节器将反馈信号与给定压力值比较运算，通过控制策略将其控制结果作为频率指令输出给变频器，调节 水泵的转速，使整个热网最远端的一次侧供回水压差保持恒定。 A 1
热电厂 C 2
B J
6
D 3
M
E 10
K
L
7 11
G 4
F 8
5 9
图2 子换热站分布图 - 272 http://www.sj-ce.org/
远端供热站
厂内监控端 一次侧供水
一次侧供水 一次侧回水
换 热 器
二次侧供水 用 户
二次侧回水
远传压力值 电机 远传终端
变频器
PLC 调节器
图3 变频调速反馈系统
2 子站系统设计 2.1 子站整体设计概况 子站硬件系统主要由巡检仪模块、PLC模块和GPRS模块组成。巡检仪模块采集压力数据，PLC模块对采 集的数据进行处理，采用自定义的通讯格式发送给GPRS模块，GPRS模块把数据通过无线网络透明地发送到 主站终端。
2.2 子站 GPRS模块设计 GPRS模块在本系统中的功能是作为发送数据的发送端，一端与PLC连接，一端通过GPRS网络与主站的 3G模块进行点对点通讯。GPRS IP MODEM主要通过RS232/485方式与PLC连接，PLC只要通过RS232/485把 数据发送到IP MODEM，IP MODEM就可以把数据通过无线网络透明地发送到主站终端；反之，主站终端下 发到IP MODEM的数据，IP MODEM也会把接收到的数据透明地通过RS232/485发送到子站PLC，从而实现客 户终端设备与服务器间的通讯。此外为了保证通讯质量，GPRS模块还具有掉线自动重启的功能，如果发生 掉线或者上电连接不上的情况，GPRS模块进行5次连接，如果仍然失败则断电重启，重新建立链路。
2.3
子站PLC程序设计 子站PLC在本系统中的主要功能有： 1）采用Modbus协议与巡检仪相互通讯（如表1），得到四路压力表的压力值。在此，本系统采用定时轮
询的方式读取巡检仪的数据。 表1 Modbus协议与巡检仪通讯格式 主机请求 地址
功能码
01
04
第一个寄存器
第一个寄存器
寄存器的数
寄存器的数
CRC错
的高位地址
的低位地址
量的高位
量的低位
误校验
XX
XX
XX
XX
XX XX
从机回应 地址
功能码
字节数
数据高字节
数据低字节
CRC错误校验
01
04
2
XX
XX
XX XX
表2 自定义通讯格式 帧头 站点 供水高8位 供水低8位 回水高8位 回水低8位 报警值 计数器值 7E 01
XX
XX
XX
XX
XX
XX
CRC校验高8位 CRC校验低8位 XX
XX
2）分别对同一采集点的两块压力表测量出的压力值进行故障诊断（如图4）。本系统先判断两块表压力 差值是否超出报警设置，若超出则继续判断是哪块表发生故障，反之则不产生报警，继续正常工作。 3）对故障诊断后数据进行处理，设置报警标志位、计数位等，采用自定义的通讯格式（如表2）发出。 - 273 http://www.sj-ce.org/
开始 N
差值是否 超界 Y
表1是否正常
表2是否正常
Y
Y N
N
表1报警 寄存器 清零
表1报警 寄存器 置1
报警寄 存器清 零
表2报警 寄存器 置1
表2报警 寄存器 清零
综合报警情况设 置报警寄存器
发送报警 寄存器 发数寄存器为表 1表2的平均值
综合报警器情况 设置发数寄存器 发送发数寄 存器
图4 故障诊断流程图
3 监控主站系统设计 3.1 主站3G模块设计 3G模块在本系统中作为接收数据的接收端。一端通过3G网络接收数据，另一端连接PLC，把接收到的数 据传入PLC。由于子站的GPRS模块要连接到上位机而且必需寻找到一个固定的公网IP地址或者一个固定的域 名，只有电信的CDMA2000才能提供一个动态的公网IP地址，我们使用动态域名解析系统把CDMA2000路由 器的动态IP地址与固定的域名实现绑定，从而实现GPRS模块与3G模块的点对点持续通信。此外，为了保证 通讯质量，3G模块每60秒进行一次链接测试，先后链接两个24小时正常运行的服务器，若是两个服务器都链 接不通则认为3G模块掉线，设备自动重启，重新建立链路。
3.2 主站PLC程序设计 主站PLC在本系统中的主要功能有： （1）根据传入数据的计数器值，判断是否产生通讯故障。判断过程如下： a)比较本次传入的计数器值与上次传入的计数器值的差值，若差值大于5，则产生丢帧报警，反之保持正常。 b)每隔5分钟定时检验当前时刻与上次检测的计数器值，若相同则产生通讯中断报警，反之保持正常。 （2）接收3G路由器的数据，转化数据格式，分别将供水量、回水量转换成模拟量信号，将报警信号转 化成开关量信号，将模拟量信号、开关量信号传入厂内PLC上。
3.3 主站监控软件设计 本控制系统软件采用西门子公司的PCS7V5.2 软件包，PLC控制器采用STEP7 V5.2，HMI监控系统采用 WinCC V6.0版本[4]。HMI服务器和操作站都采用的是Windows 2000操作系统，具有开放的编程环境。在实现 计算机（装有WinCC）与PLC之间的物理连接后，按下述步骤进行WinCC组态[5]。 1）创建WinCC项目：在安装WinCC 的计算机上打开WinCC资源管理器，创建WinCC项目[6]。 2）建立WinCC与SIMA TIC S7-300的连接：WinCC提供一个称为SIMA TIC S7 Protocol Suite. chn的通讯 - 274 http://www.sj-ce.org/
驱动程序。该通讯驱动程序支持多种网络协议和类型的通道单元，通过这些通道单元提供与各种SIMA TIC S7-300的通讯。其中，MPI通道单元用于通过编程设备上的外部MPI端口或PC机上的通讯处理器在MPI网络上 与PLC通讯。 3）创建过程变量：WinCC的过程变量是与外部控制器（如PLC）具有过程连接的变量，过程变量的最大 数量由Power Tags 授权限制。在创建过程变量之前，必须先安装一个通讯驱动程序，并在适当的通道单元下 建立与指定通信伙伴的连接。表3列出了本文建立的过程变量、数据类型、改变格式以及相连的PLC变量。 表3 PLC内变量设置 序号
过程变量
数据类型
改变格式
PLC变量
1
Sp（给定值）
浮点32位
Float To Float
DB61. DBD6
2
Out（被控量）
浮点32位
Float To Float
DB100. DBD30
3
Kp（比例系数）
浮点32位
Float To Float
DB61. DBD20
4
Ti（积分时间）
浮点32位
Float To MSBDword
DB61. DBD24
5
Td（微分时间）
浮点32位
Float To MSBDword
DB61. DBD28
6
Ma（手/自动切换）
二进制变量
7
Man（手动输入）
浮点32位
DB61. D0. 1 Float To Float
DB61. DBD16
4）组态过程画面：监控系统包括设备运行状况的动画显示和数据采集、数据处理、过程值归档、工程 报表、工程报警等功能。本系统监控画面主要包括：主监控画面、登录画面、状态趋势、故障报警、过程值 归档等。根据上述各画面对象的功能进行相应的组态，组态完成保存各过程画面。
4 结论 本文设计了具有远程监控功能的换热站自动控制系统。通过GPRS to 3G网络与监控中心PLC建立可靠、 稳定的通信，并将换热站现场数据发送到监控中心，为供热管网的质调和量调提供科学的数据依据，最后由 监控中心根据实时数据对热力管网实行调控[7]。解决了换热站距离较远、范围较大的系统监控问题，实现了 供热运行的动态跟踪监视、故障实时诊断及自动化调控，使供热系统运行安全、稳定，经济效益和社会效益 明显提高。
REFERENCES [1] 王榜军, 于晓洋, 胡霞珍. 供热网站监控管理系统[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2003, 8(10): 105-107 [2] 梁涛, 马爱龙. 具有GPRS远程通讯的换热站自动控制系统研究设计[J] .电气传动, 2008, 38(7): 69-72 [3] 韩冰, 李芬华. GPRS技术在SCADA系统中的应用[J]. 电力系统, 2003, (7): 4-7 [4] 基于可编程控制器的PID 控制系统开发[J]. 电气电子教学学报, 2009.2 [5] 崔坚. 西门子工业网络通信指南[M]. 北京: 机械出版社, 2005 [6] 西门子有限公司. 西门子WinCC V6. 2004(5) [7] 张明光, 吴明永, 杨素娟. 基于GPRS-Internet的换热站无线远程监控系统[J]. 自动化仪表, 2009, 30(9): 46-48
【作者简介】 安震鹏（1987-） ，男，汉族，大连理工大
卢伟（1976-） ，男，汉族，大连理工大学
学硕士，研究领域为城市管网综合自动
博士，研究领域为智能控制技术与应用、
化系统复杂工业过程先进控制技术。
智能检测技术和复杂工业过程先进控制
Email: azprobert@mail.dlut.edu.cn
技术研究及应用。 Email: luwei@dlut.edu.cn
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