基于GPRS的供热热特性远程监测系统的研究外文翻译资料

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题 目 基于GPRS的供热热特性远程监测系统的研究

基于GPRS的供热热特性远程监测系统的研究

Investigation on Remote Monitoring System for Heat-Supply
Thermal Characters Based GPRS

Liu Jie, He YunFeng, Zhao WenJun, Li XiaoJun

摘要：随着低碳节能的战略要求，合适的自动控制方法变得越来越更重要的。为了实时监测热交换站的热特性，本文的研究框架提出了一种整体的解决方案。我们从不同的热交换站收集无线数据，通过互联网发送数据和服务器管理。我们利用三层B/S结构的形式化软件来控制热特性数据的采集，各方之间通信，以及服务器/数据库决策的解释。同时，构成分布式系统的节点之间的通信是通过无线网络来实现的，次要数据传输服务（GSM或GPRS）则由移动电话运营商提供。该监控系统运行状态良好，运行稳定，故障率低率和数据可信度较高。该系统一旦全面部署，可以大大减少劳力，并能提供实时数据监测，以实现节能减排的目的。

关键词：GPRS;远程监控;热交换;热特性

1. 引言

在北方冬季，集中供热方式被广泛使用。而热电厂总是通过城市高温供热管道把热水送至各住宅区或企业的热换站。在换热站，热管（以下称为主供热管网）和卧室散热器（以下称为二次供热管网）通过热交换换热。之后，二次供热管网中的热水流入卧室。在上述过程中，热调度需要对不同地理位置的换热站的温度、压力、流量、液位等参数进行实时监测，控制各设备在换热台的操作。同时，各部门根据各热力站的运行参数，调整火电机组运行情况，保证整个冬季供暖运行稳定。

我国现阶段火电厂运行管理仍处于人工操作阶段，影响了集中供热优势的发挥。主要体现在：首先，缺乏全面的参数测量方法，使得它无法分析和判断一般的操作条件。其次，在系统运行状态下，难以消除系统运行状态的不平衡性，导致对用户的统一加热。第三，加热参数不在最佳运行条件下，加热供给与加热所需要的不匹配。最后，由于缺乏操作数据，很难实现量化管理。大家都知道，要进行城市集中供热工程，必须提高供热技术水平。

因此，我们的启示是，GPRS无线网络的自动监测和控制系统，实现了对热交换站现场参数的采集和各部门之间的实时通信和控制，能很好地解决上述缺点，能有效地提高加热系统的自动控制水平，并大大提高供热行业的管理水平。在供热工程中，自动控制起着非常重要的作用，确保了高质量的系统加热，运行安全，节能环保。

2. GPRS通信

2.1 远程通信方式

热交换站分散分布，远离火电厂。因此，建立一个良好的沟通模式是必要的，这为监控系统奠定了基础。在智能监控系统的通信中，主要使用的传输方式包括数字广播电台、GSM短消息、光纤接入和GPRS通信等。数字广播电台很容易受地形和气候影响，成本只有每年正常运行的频率费，无需额外费用。以前，一些热交换站利用这种通信模式来监测热特性。近年来，运行结果表明，随着周边水厂的高层建筑不断增多，通信质量和稳定性不断下降，导致系统可靠性降低，实时性差，操作性差。同时，GSM短消息的方法虽然可以弥补这个缺点，但它运行成本更高，并且当消息中心服务器忙碌时，通信将会延迟很长时间。光纤通信是稳定可靠的，但具有成本高、可扩展性差、设备维护复杂等缺陷。而GPRS通信可以有效的避免上述问题，其工作方式如图1所示。

图1 GPRS工作方式

2.2 GPRS的工作原理

GPRS是通用分组无线业务的简称，这是一种基于现有GSM系统的新的轴承业务，针对GMS用户提供分组数据业务的形式，使用相同的GSM无线调制标准，使用相同的频带，同样的突发结构，相同的跳频规则和相同的TDMA帧结构，类似于当前的电路交换的语音业务信道。因此，现有的基站子系统（BSS）从一开始就可以提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组传输模式下发送和接收数据。无需使用电路交换模式的网络资源，在电信业务可以覆盖的地方，就可以实现对无线数据包传输的数据监测。该技术特别适用于具有间歇性、突发性和频繁性问题和少量数据传输的热交换站的采样数据传输。它的带宽可以达到171.2 kbit/s，这样实际应用带宽约40-100kbit/s，提供TCP/IP连接，可用于网络连接和数据传输应用。资源有效的利用，数据传输率高达160kbps。使用GPRS技术实现数据包的发送和接收，这使得用户可以永远在线、按流量收费，也可以降低服务成本。

3. 监控系统结构

3.1 监控系统的组成部分

热换站监控系统是由热力学的传感器，如温度、压力、流量，数据采集单元和GPRS远程数据传输模块组成的。数据采集终端安装在热换站上，一端连接热力学的传感器，来分析、存储和汇总数据。另一端通过RS-232串口通信模块将数据发送到GPRS DTU通信模块。GPRS DTU通信模块可以通过GPRS无线网络完成将数据发送到水监测中心的任务。

3.2 DTU

目前，GPRS数据终端单元（DTU）基本上采用单片机（SCM）或PLC的组合方案。DTU负责连接GPRS网络，完成信息的传递，其内部结构如图2所示。工作过程中应插入SIM卡。如果数据采集终端只具有简单的程序操作，如数据采集，并无需修改投入使用，则在选择单片机形式简化结构时可以降低成本。在这个时候，所有输出都为4 - 20mA电流，因此，数据必须经过A/D转换后送入单片机，然后DTU再发送数据。与此方案相比，采用可编程控制器的硬件电路具有更高的可靠性。此外，如果输出或其他执行器需要控制，或者液位，压力和流量也需要同时发送，可编程控制器应被选为较低级别的控制器。

图2 GPRS数据终端单元结构

最后，当DTU通信模块从PLC或单片机接收到数据后，它将把数据发送到Web服务器已经预先设定的数据中心和固定的IP地址，通过端口映射转发到数据中心服务器。GPRS DTU发送数据的过程如下：数据由中国移动GPRS网络发送，然后通过互联网，最后在数据控制中心服务器将通过ADSL接收所有数据。GPRS通信负责数据传输，一旦系统开始运行，GPRS通信任务通过AT指令开始登录互联网。 由于在G20模块的TCP / IP协议栈，它是比较容易登录互联网，然后GPRS通信完成一个从终端设备到服务器透明的任务通信链路，从而实现快速数据交互。通信过程如图3所示。现在作为数据中心服务器，计算机必须固定IP网络终端，因此通过局域网 分配IP或动态IP，用户一般不能用于数据接收。不过，有些用户可以通过动态DNS或架设代理服务器的方式接受数据，实际运行结果表明，故障率和误报率较高。

4. 换热台运行监测中心系统的开发

热交换站的热特性监测主要是监测运行状态或变化过程。因此，监控中心系统从每个热交换站节点自动循环检查消息，并通过GPRS网络和ADSL调制解调器发送和接收来自不同站点的PLC数据。一系列处理之后，将数据保存在SQL数据库，监控平台负责将网络地理信息系统与数据库进行整合以实现数据显示、存储和分析。最后，外部用户访问的网页开发是基于微软的ASP（Active Server ASP.NET Web）。同时，这个行为是在WWW服务器上完成的。整个在线监测系统是基于Web的，即以服务模型为基础的分布式应用系统。

4.1 软件设计

图3 DTU流程图

软件设计的开发是基于B-S模型的三层网络结构。B-S， 即是浏览器服务器，与客户端服务器相比（C-S）相比，是一个随着互联网技术的繁荣发展的升级或改进结构。如图4所示，三层B-S结构在逻辑上分为显示层、业务层、数据层三个功能应用。 显示层为客户提供应用服务和图形界面，帮助用户了解并获得一个高效的定位应用服务。数据层是在三层模

式的底部，它是用来定义、维护、访问和更新数据的，也用于管理和满足数据应用服务的要求。与两层C-S结构相比，业务层是一种特殊的或附加的层。它封装了所有与系统相关的应用模型，分离显示层和数据层，并提示逻辑、业务逻辑和数据库存储访问的分离。总之，B-S结构具有易访问，维护和升级模式简单，灵活性和可扩展性良好的优点。

图4 B/S三层结构

4.2 系统的运行方法

整个监测系统的网络结构如图5所示。热特性的远程监控终端，负责实时监控，信号传输和动态传输，用户可以在任何地方通过终端设备接入互联网，从而监测每一个热交换站的运行状况。

监控中心包括网络服务器、应用服务器和数据服务器。网络服务器通过TCP / IP协议管理跟踪浏览器和应用服务器之间的数据传输。应用服务器提供通信服务和数据库访问控制服务，电信服务负责通过GPRS网络从热交站的热性能监测设备实时接收数据。同时，它可以进行分析和存储处理。数据访问控制服务负责管理客户数据库的业务逻辑控制。这个数据库服务器包括点运行库、基础库、标准库和历史库四个部分，用于实现对数据的存储和热特性的管理。 其内容包括分散的地理信息空间数据，热换站热特性的数据属性及历史纪录。由于B-S三层结构以及互联网跨平台运行，专用网络或局域网的集成网络地理信息系统的设计，用户可以通过网络实现空间数据查询、属性数据查询、多媒体信息查询等功能。此外，它还可以进行各种空间检索和空间分析，使得用户可以更直观、更方便的管理热特性监测数据。

另外，在调度中心网络中，网络服务器连接整个工厂的管理信息系统，负责将各种各样的操作参数发送到管理信息系统中，完成数据分析以及更高级的相应管理信息系统软件和其他功能的数据挖掘，这大大提高了网络的运行性能。在这里，网络服务器和管理信息系统的数据接口是软件配置，导致了二次开发。软件操作界面的设计可以使用主菜单的形式，它在每一张画面上按按钮切换。同时，屏幕应包括加热流屏、参数显示和控制画面、报警画面等。根据需要进行监视、观察和维护，按钮已被设置在每一个画面中，用鼠标点击按钮，我们可以进入相关画面。在主菜单屏幕上，它包含每个画面按钮，操作人员可根据实际需要进入每个画面进行监控和操作系统维护。但是，关键参数由分级许可证制度来改变。如果运营商没有访问权限，系统将拒绝运行。在监控中心、数据库开发和节能控制算法的发展中，节能是核心。节能控制算法软件在监控中心的上位机运行，并通过GPRS发送节能控制指令到PLC控制器。

图5 热特性监测系统网络图

4.3 系统过程控制的描述

在该方案中，热换站的可编程控制器可以完成以下功能：温度、压力、流量、液位信号的采集；现场各调节器的控制；现场电机、变频器的控制及运行监控。在热换站，它可以通过触摸屏完成简单的人机交互，控制各种设备稳定运行。同时，对调节器和各种电机的控制，我们设计了三种方式，分别是本地控制，触摸屏控制和远程控制中心控制。

1. 根据二次供热管网的气象温度和供水平均温度，它可以调节供热管网中的供水或回水管道上的电调节器，使其能改变原供热管网中的流量，同时也能保证对二次供热管网的供热量。
2. 根据室外气象温度、二次供热管网供水和回水温度、供水和回水压力，可以通过运行频率调节循环水泵的频率，进而改变二次供热管网的运行流量。（目前，该方案是使用在热换站的，其循环水泵是由变频器控制的）。
3. 根据实测压力值的相对偏差来设定压力值，可以通过运行频率来改变给水泵的频率 确保恒定压力点的恒定压力。
4. 其中，室外气象数据按照新的温度单位经加权平均后，将数据发送到自动控制中心解决。

5. 结论

该方案实现了对热换站热力参数的集中监测和控制。与传统管理方法相比，远程监控系统可以节省大量的人力和物力资源，而且部分热换站已经实现无人值守，降低了生产成本和管理成本，减少了人为误差，避免了纠纷，使计量管理更快、更可靠。因此，该计划提高了 热电企业自动化管理水平，提高了企业的经济效益。与传统的广播电台相比，该方案具有更好的抗干扰能力（特别是在城市），数据传输更安全。我们相信，这种远程监控方案将广泛应用于一些无线远程数据监测，如城市管道、管道、石油、地震检测和电源等，这将改变我们的控制和监控方式。

参考文献

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[3] M. Ilyas and I. Mahgoub (Eds.), “Compact Wireless and Wired Sensing Systems,” in Handbook of Sensor

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