基于VPDN的海水淡化工程運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

康權(quán)，韓家新，劉宏，王鍇，王金燕

（1.國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192；2.天津市公用事業(yè)設(shè)計研究所，天津 300100）

當(dāng)前，我國正面臨水資源短缺和水環(huán)境不斷惡化的問題，海水淡化正成為解決問題的有效手段之一。隨著海水淡化產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，海水淡化水的供水安全以及濃海水排放對海洋環(huán)境影響也越來越受到各方的高度重視，國外大型的海水淡化廠在供水管網(wǎng)及濃海水排放等方面都有專門的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測方案，并建立了相應(yīng)的監(jiān)測手段，但國內(nèi)在該方面的研究尚屬空白。開發(fā)適合我國國情的海水淡化工程在線監(jiān)測系統(tǒng)，對于發(fā)揮政府部門對海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)作用、促進(jìn)海水淡化產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展具有重要的作用，能夠?yàn)槲覈Ｋa(chǎn)業(yè)的信息化管理奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)測控距離長短、通信數(shù)據(jù)量大小、現(xiàn)場環(huán)境以及對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、可靠性和保密性要求，可選用不同的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。常用的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的通訊主要采用三種模式：衛(wèi)星通訊模式、IP-VPN專線模式和VPDN無線專網(wǎng)模式。我國海水淡化工程規(guī)模偏小、建設(shè)分散，特別是對于南海眾多島嶼應(yīng)用的海水淡化工程，采用衛(wèi)星通訊模式費(fèi)用較高，采用IP-VPN專線模式實(shí)現(xiàn)難度較大，而VPDN無線專網(wǎng)模式具有建設(shè)費(fèi)用低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)?；诖耍疚拈_發(fā)了基于VPDN無線專網(wǎng)模式的海水淡化工程運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，以西沙某島海水淡化工程為試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了海水淡化工程生產(chǎn)運(yùn)行、供水水質(zhì)、濃海水污染物排放以及能源消耗等狀況的實(shí)時監(jiān)測，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確遠(yuǎn)程傳輸。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

海水淡化工程遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測服務(wù)中心三部分組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置包括檢測儀表、前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸終端。檢測儀表將將采集到的進(jìn)料海水流量、產(chǎn)水流量、排水流量、進(jìn)水溫度、排水溫度、產(chǎn)水pH值、進(jìn)水電導(dǎo)率、產(chǎn)水電導(dǎo)率等參數(shù)，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流 （4-20 mA）或電壓（1-5 V）信號送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器，采集器將標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，存入存儲單元。

遠(yuǎn)程數(shù)字通訊裝置（DTU）通過通訊接口讀取采集器存儲單元的信號，通過3G無線發(fā)送至VPDN無線網(wǎng)絡(luò)。

監(jiān)測服務(wù)中心主要包括數(shù)據(jù)接入路由器、交換機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站（工程師站、操作員站）、報表工作站和視頻輸出工作站。通過VPDN接入路由器將網(wǎng)絡(luò)引入，經(jīng)交換機(jī)傳輸至監(jiān)測中心服務(wù)器，通過專用軟件和人機(jī)界面可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、存儲、分析及打印。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件功能及組成

為遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的軟件主要包括三部分：數(shù)據(jù)源客戶端軟件Data Access Server，用于管理接收遠(yuǎn)程DTU端發(fā)送來的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)通訊軟件Data communication Server，用于管理對監(jiān)測界面組態(tài)程序的數(shù)據(jù)通訊；上位監(jiān)測界面軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。三部分在功能和邏輯上相對獨(dú)立，保證了軟件的穩(wěn)定性和安全性。

監(jiān)測系統(tǒng)涉及的軟件由多個任務(wù)組成，每個任務(wù)完成特定的功能。位于一個或多個服務(wù)器上的服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項(xiàng)功能。多個服務(wù)器邏輯上作為統(tǒng)一整體，物理上可配置在不同的機(jī)器上，分類劃分可以將多個服務(wù)器的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、分工協(xié)作。

2.2 數(shù)據(jù)源客戶端軟件

監(jiān)測系統(tǒng)的通信分為I/O設(shè)備通信和內(nèi)部數(shù)據(jù)安全校驗(yàn)通信。設(shè)備驅(qū)動程序與I/O設(shè)備（RS232串口）通訊采用請求式，支持主動發(fā)送方式。系統(tǒng)通過作為數(shù)據(jù)源服務(wù)器的Data Access Server軟件，來與遠(yuǎn)程采集終端DTU進(jìn)行通訊。Data Access Server軟件采用微軟內(nèi)定的標(biāo)準(zhǔn)，提供進(jìn)行通訊的服務(wù)。

Data Access Server軟件利用MicrosoftWindows的COM/DCOM技術(shù)作為數(shù)據(jù)交換的方式，支持MicrosoftWindows操作系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/UDP協(xié)議，可以同時跟多個的DTU客戶端通訊。Data Access Server軟件工作原理是將數(shù)據(jù)翻譯成支持DTU數(shù)據(jù)訪問規(guī)范形式。采用動態(tài)數(shù)據(jù)緩沖池技術(shù)，接收數(shù)據(jù)翻譯形式準(zhǔn)確、高效、安全。數(shù)據(jù)接收緩沖流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)接收緩沖流程圖

2.3 數(shù)據(jù)通訊軟件

為完成監(jiān)控軟件與數(shù)據(jù)庫之間的通訊，開發(fā)了Data communication Server軟件，該軟件最主要的功能為解碼和保障通訊。功能包括：

（1）校時及保障數(shù)據(jù)的實(shí)時性，含指令和應(yīng)答；

（2）定時上發(fā)數(shù)據(jù)包，保障及時獲得數(shù)據(jù)；

（3）索要當(dāng)前數(shù)據(jù)，不遺漏任何一組數(shù)據(jù)；

（4）計算校驗(yàn)碼，保障數(shù)據(jù)的安全性。

2.4 監(jiān)測界面

監(jiān)測界面軟件基于.NET等技術(shù)開發(fā)，集成了中心監(jiān)測功能、網(wǎng)站功能、數(shù)據(jù)查詢分析功能等。主要功能及特點(diǎn)如下：

（1）權(quán)限管理系統(tǒng)。所有類型的用戶置于統(tǒng)一的管理之下，通過在本地的默認(rèn)管理員用戶，對本地、遠(yuǎn)程訪問用戶以及不同權(quán)限的用戶進(jìn)行添加、編輯、啟用、禁用、刪除的操作。對監(jiān)測中心系統(tǒng)的每一項(xiàng)功能（例如：歷史趨勢查看功能、報警限值設(shè)置功能）實(shí)行權(quán)限分級設(shè)置的管理，可由默認(rèn)管理員用戶隨時進(jìn)行分配與設(shè)定。

（2）多元化畫面顯示。畫面可顯示海水淡化工程生產(chǎn)排放的實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)，并以曲線圖、柱狀圖等直觀顯示。

（3）網(wǎng)站應(yīng)用功能。將構(gòu)建海水淡化工程運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)試點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目采集數(shù)據(jù)Web發(fā)布系統(tǒng)，通過權(quán)限控制，提供對內(nèi)外部人士的遠(yuǎn)程瀏覽功能，并可以隨時開啟、關(guān)閉此功能。

（4）報表功能。使用數(shù)據(jù)庫保存歷史數(shù)據(jù)，并提供查詢。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)工程應(yīng)用

3.1 工程概況

以西沙某島100噸/日反滲透海水淡化工程為試點(diǎn)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的工程示范。工程主體設(shè)計應(yīng)用國際先進(jìn)的“雙膜法”工藝，即“超濾（UF）+反滲透（RO）”。在反滲透系統(tǒng)中安裝功交換式能量回收裝置，用于回收反滲透濃水余壓，降低系統(tǒng)能耗。工程取水采用“沉井+潛水泵”的方式，從碼頭附近的港池中取水輸送至主車間；產(chǎn)品水通過水泵輸送至淡水儲水池，用于駐島官兵的日常生活用水；濃海水通過排水管路排放至港池。

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置由主控制器、檢測儀表及遠(yuǎn)程通訊裝置組成，實(shí)現(xiàn)對海水淡化工程運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。

主控制器選用西門子公司SIMATICS7-200系列小型PLC，CPU型號選用S7-226，可擴(kuò)展7個模塊。信號采集選用EM231模擬量輸入模塊，可接入標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號。

檢測儀表主要包括水質(zhì)參數(shù)檢測、流量檢測和溫度檢測。水質(zhì)參數(shù)檢測選用美國GF公司生產(chǎn)的在線電導(dǎo)率儀和pH儀，原海水和濃海水的含鹽量較高，量程選擇100-2 000 000μs/cm，反滲透海水淡化產(chǎn)品水含鹽量一般低于300TDS，量程選擇0-1 000μs/cm，pH儀選用玻璃復(fù)合電極，帶Pt1000溫度補(bǔ)償。流量檢測選用重慶川儀公司生產(chǎn)的電磁流量計，配接地環(huán)，該型式的流量計精度和穩(wěn)定性較高，量程0-10m3/h、精度等級0.2級。溫度檢測選用上海儀表集團(tuán)生產(chǎn)的WZP系列鎧裝溫度變送器，量程-200℃-800℃、精度A級。

遠(yuǎn)程通訊裝置選用遠(yuǎn)大電氣公司生產(chǎn)的TC-82系列DTU，支持GPRS、CDMA等無線傳輸，組網(wǎng)簡單、資費(fèi)低，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)，中心對多點(diǎn)等數(shù)據(jù)傳輸。DTU內(nèi)置通訊協(xié)議，通過RS-232串口與S7-200主控制器通訊，讀取存儲單元數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置主要組成設(shè)備如表1。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

因試點(diǎn)海島分布較散，且無專線網(wǎng)絡(luò)，本文選取基于VPDN的無線專網(wǎng)既降低了傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，還具有較強(qiáng)的保密性和可用性。單套裝置現(xiàn)場采集12個模擬量回路信息，采集周期為500 ms，單個站點(diǎn)保障數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)乃俾蕿?00 Kbps以上，從數(shù)據(jù)包、心跳包、召測、WEB發(fā)布、后期擴(kuò)展的角度綜合考慮，選擇帶寬為2 Mbps的中國電信的無線網(wǎng)絡(luò)建立VPDN無線專網(wǎng)。

表1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置硬件配置

3.4 監(jiān)測中心

監(jiān)測中心對試點(diǎn)工程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲和統(tǒng)一顯示、管理。其他系統(tǒng)可以通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，依據(jù)相應(yīng)的權(quán)限等級進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問和數(shù)據(jù)的交互。由于本項(xiàng)目為監(jiān)測系統(tǒng)試點(diǎn)建設(shè)，以滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)量要求為選型目標(biāo)，主要硬件設(shè)備組成如表2。

表2 監(jiān)測中心硬件配置

開發(fā)完成的監(jiān)測界面軟件部分畫面如圖3、圖4所示。

4 結(jié)論與討論

圖3 定制報表界面

圖4 歷史趨勢界面

本文給出了基于VPDN的海水淡化工程遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，根據(jù)試點(diǎn)情況，初步構(gòu)建了遠(yuǎn)程在線檢測系統(tǒng)平臺，該平臺能夠科學(xué)、準(zhǔn)確、實(shí)時地掌握西沙某島海水淡化工程生產(chǎn)排放數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測。通過試點(diǎn)建設(shè)的實(shí)施，可為監(jiān)測點(diǎn)選擇及分布研究、現(xiàn)場采集儀器儀表優(yōu)選、專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)、遠(yuǎn)程監(jiān)測專用網(wǎng)絡(luò)搭建及軟件平臺研發(fā)等方面提供技術(shù)支持。

今后的工作主要包括以下兩個方面：一方面是監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)升級，兼容衛(wèi)星通訊（北斗、VSAT等）、IP-VPN專線等其他通訊方式的引入；另一方面是加強(qiáng)對海洋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源的利用，實(shí)現(xiàn)與海洋水文數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)以及海域動態(tài)數(shù)據(jù)等系統(tǒng)的對接。

致謝：任建波、張銘、俞永江為文章修改提供幫助，在此一并致謝。

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