基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)供水管道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

聞 飛，鄭建良，劉進(jìn)喜

（淮河水利委員會(huì)水文局信息中心，安徽 蚌埠 233001）

基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)供水管道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

聞 飛，鄭建良，劉進(jìn)喜

（淮河水利委員會(huì)水文局信息中心，安徽 蚌埠 233001）

針對(duì)管道型取水戶流量監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)一套完備的流量數(shù)據(jù)采集、傳輸與分析系統(tǒng)，應(yīng)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，可應(yīng)用于各種安裝環(huán)境，方便施工；對(duì)多點(diǎn)集中取水戶進(jìn)行典型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸終端傳輸多路數(shù)據(jù)，節(jié)約建設(shè)成本，維護(hù)簡(jiǎn)單；規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸終端和流量計(jì)安裝調(diào)試方式，提供精準(zhǔn)的水資源數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)日常水資源管理業(yè)務(wù)處理的電子化、網(wǎng)絡(luò)化，進(jìn)一步提高水資源信息共享能力。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；供水管道；流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

水資源監(jiān)測(cè)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)取水流量數(shù)據(jù)的采集、傳輸與分析。如圖1，系統(tǒng)主要由流量/水位采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)平臺(tái)3部分組成，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測(cè)平臺(tái)，數(shù)據(jù)經(jīng)存儲(chǔ)、處理后，為用戶提供應(yīng)用服務(wù)。在此著重對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)流量采集與傳輸建設(shè)進(jìn)行分析探討。

圖1 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)

1.1 水量信息采集

信息采集層主要完成對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息采集，具體實(shí)現(xiàn)方式為實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)信息采集、間接監(jiān)測(cè)信息采集兩種方式，信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在線自動(dòng)采集系統(tǒng)主要由取水計(jì)量設(shè)備及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成，通過(guò)實(shí)時(shí)在線方式監(jiān)測(cè)取水點(diǎn)的情況，并將實(shí)時(shí)信息通過(guò)GPRS/GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至省監(jiān)控中心服務(wù)器。在線自動(dòng)采集傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 實(shí)時(shí)在線采集傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備由流量計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)采集顯示儀表構(gòu)成，遵循資源共享和避免重復(fù)建設(shè)的原則，對(duì)已安裝且符合在線監(jiān)控要求的監(jiān)測(cè)設(shè)施，則利用已有設(shè)備，不再重復(fù)建設(shè)；對(duì)于已安裝但不符合在線監(jiān)控要求的設(shè)施，在保證設(shè)備精度的基礎(chǔ)上，盡量采取升級(jí)和維修的方式使之滿足監(jiān)控需求；對(duì)于無(wú)法通過(guò)升級(jí)、維修方式而實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用的，以及沒(méi)有安裝計(jì)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，重新安裝計(jì)量設(shè)備。

流量計(jì)應(yīng)選用經(jīng)國(guó)家計(jì)量監(jiān)督局認(rèn)證的超聲波或電磁式管道流量計(jì)，所有采集儀器應(yīng)具有RS-485數(shù)字通信接口。

共享已建取水計(jì)量設(shè)施，需要對(duì)各個(gè)取水點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)不同情況的取水計(jì)量設(shè)備采用不同的信息獲取方式。具體采用以下幾種方式：

1.1.1 具備RS232/485智能數(shù)字端口

采用串口多路復(fù)用設(shè)備與用戶共用RS-485智能端口，從而實(shí)現(xiàn)本監(jiān)測(cè)設(shè)備與取用水戶廠家監(jiān)測(cè)設(shè)備同時(shí)讀取流量計(jì)儀表內(nèi)置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的共享使用。

1.1.2 具備HART信號(hào)端口

對(duì)于不具備RS-485智能數(shù)字端口但是帶有HART輸出信號(hào)接口的流量計(jì)，可通過(guò) “HARTRS485協(xié)議轉(zhuǎn)換器”來(lái)實(shí)現(xiàn)RS485信號(hào)輸出，以讀取流量計(jì)的內(nèi)置數(shù)據(jù)。

圖4 RS-485端口連接

圖5 HART協(xié)議端口連接

圖6 公網(wǎng)專線組網(wǎng)方式

1.2 水量信息處理

數(shù)據(jù)傳輸方式采用GPRS信道與省級(jí)中心通信，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳輸至監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器。

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，并且有效避免數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的擁堵現(xiàn)象，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息的采集主要采取定時(shí)上報(bào)、超限上報(bào)和人工召測(cè)相結(jié)合的采集方式。監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，采集頻次按1h間隔定時(shí)輪詢的機(jī)制完成對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)信息的上報(bào)工作。采集間隔期間，如取水用戶超出取水限額，則向監(jiān)測(cè)中心加報(bào)超限預(yù)警信息。監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)支持短信模式，可以接受短信激活，向監(jiān)測(cè)中心主動(dòng)上報(bào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人工召測(cè)。

2 管道監(jiān)測(cè)站

管道型取水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站主要設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集終端（RTU）、流量計(jì)量設(shè)備、發(fā)送終端、供電設(shè)備及避雷設(shè)備等部分組成，如圖7。

圖7 取用水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站

2.1 功能要求

（1）具備水位、閘位、功率、流速等相關(guān)信息自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)功能。

（2）具備定時(shí)自報(bào)或召測(cè)報(bào)信功能。

（3）具備現(xiàn)地和遠(yuǎn)程參數(shù)配置，監(jiān)測(cè)頻度、時(shí)段和工作方式修改等功能。

（4）具備現(xiàn)地和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載功能。

（5）具備多路通信和主備通道自動(dòng)切換功能。

（6）具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)濾波、計(jì)算和處理功能。

（7）本地存儲(chǔ)容量保證存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)1年以上。

（8）具有設(shè)備故障、工作異常及參數(shù)越限自動(dòng)報(bào)警功能。

2.2 監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)

針對(duì)多點(diǎn)集中取水戶的典型情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，多點(diǎn)集中取水戶是指有多處取水口的取水用戶，且取水口比較集中，可將多臺(tái)傳感器（不超過(guò)16個(gè)）接入1臺(tái)RTU，其測(cè)站結(jié)構(gòu)如圖8，設(shè)備配置如表1。

圖8 多測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)

表1 監(jiān)測(cè)站主要設(shè)備配置

取水計(jì)量監(jiān)測(cè)站的主要由流量計(jì)和采集終端組成，如圖9。

圖9 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站安裝結(jié)構(gòu)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集終端安裝與調(diào)試

2.2.1.1 終端設(shè)備

數(shù)據(jù)采集終端用于對(duì)各種水資源監(jiān)測(cè)儀器及傳感器的數(shù)據(jù)采集和傳輸，主要包括水量、水位、閘門、閥門開度、管道壓力等。數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)具有存儲(chǔ)、閾值報(bào)警、工程參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、支持多種通信方式等功能。數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)上傳通信協(xié)議應(yīng)符合水利部SL427—2008《水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》要求。

2.2.1.2 安裝要求和技術(shù)指標(biāo)

（1）數(shù)據(jù)采集端應(yīng)遵循節(jié)約線纜、操作方便、同時(shí)應(yīng)選在傳輸信號(hào)質(zhì)量良好、盡量遠(yuǎn)離電磁干擾源、無(wú)滴水、無(wú)強(qiáng)震動(dòng)的場(chǎng)所進(jìn)行安裝。

（2）數(shù)據(jù)采集終端安裝時(shí)機(jī)箱應(yīng)有良好的接地，接地電阻應(yīng)小于等于5Ω，接地線應(yīng)選用截面積大于等于4mm黃綠雙色多股銅芯線，接地線兩端均應(yīng)用螺栓進(jìn)行固定。

（3）數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)確保在斷電的情況下進(jìn)行接地。

2.2.1.3 安裝步驟

（1）確定數(shù)據(jù)采集終端安裝位置，如圖10。

圖10 監(jiān)測(cè)終端箱安裝

（2）固定數(shù)據(jù)采集終端。在選定的安裝位置用膨脹螺絲將數(shù)據(jù)采集終端固定在墻上或預(yù)制的水泥墩上，應(yīng)盡量選擇在屋內(nèi)距離地面1m以上。

（3）將數(shù)據(jù)采集終端機(jī)箱接地螺栓與地網(wǎng)接地極連接。

（4）數(shù)據(jù)采集終端接線。確保在數(shù)據(jù)采集終端斷電的情況下按照數(shù)據(jù)采集終端說(shuō)明書進(jìn)行接線。

2.2.1.4 調(diào)試步驟

（1）接通電源，如是交流電供電，首先應(yīng)合上交流電源的空氣開關(guān)，再合上數(shù)據(jù)采集終端的電源開關(guān)，完成供電；如是太陽(yáng)能（蓄電池）供電，則合上數(shù)據(jù)采集終端的電源開關(guān)，完成供電。

（2）配置內(nèi)容包括站號(hào)、傳感器類型、數(shù)據(jù)采集間隔、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔等各項(xiàng)參數(shù)，具體需配置的參數(shù)應(yīng)按照所在水資源管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳和存儲(chǔ)要求進(jìn)行配置。

（3）按照與數(shù)據(jù)采集終端連接的各個(gè)水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備的試驗(yàn)要求觀察數(shù)據(jù)采集終端每次采集到的數(shù)據(jù)與比測(cè)數(shù)據(jù)是否符合誤差要求，符合要求則可以投入正常使用，否則，應(yīng)檢查相應(yīng)設(shè)備本身及與數(shù)據(jù)采集終端的連接是否存在問(wèn)題，如有問(wèn)題，則排除相關(guān)問(wèn)題直至合格。

2.2.2 流量計(jì)安裝與調(diào)試

流量計(jì)安裝位置需要管道具有一定長(zhǎng)度的直管段，流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度大于管徑的5倍，后直管段長(zhǎng)度大于管徑的3倍。直管段長(zhǎng)度不足的場(chǎng)合，應(yīng)考慮采用多聲道的超聲測(cè)量方式保證測(cè)量精度。

在管道地埋的場(chǎng)合，可采取開挖安裝井的方式，為儀器安裝維護(hù)提供條件。安裝井大小應(yīng)滿足施工安裝與維護(hù)的空間要求，安裝井須有排水防淹沒(méi)措施。

在管道不允許加工（管道切割、焊接法蘭）的場(chǎng)合，可選擇插入式，一般不建議采用外夾式安裝方式。

對(duì)大型非金屬材料的管道（涵洞）場(chǎng)合，可選用聲學(xué)時(shí)差法流量計(jì)，并采用換能器在管道（涵洞）內(nèi)壁安裝的方式。

設(shè)備安裝與調(diào)試嚴(yán)格按照SZY 204—2012《水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試》要求執(zhí)行。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的建設(shè)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的實(shí)時(shí)監(jiān)控，改善水資源管理基礎(chǔ)設(shè)施薄弱狀況，提高了水利業(yè)務(wù)部門水資源管理信息化水平，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地掌握省內(nèi)水資源監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)信息的宏觀與微觀信息及各類業(yè)務(wù)處理的綜合信息。

［1］羅有生．基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的供水流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹［J］．人民珠江，2004，25（2）：54-55．

［2］李樹石．供水管網(wǎng)壓力、流量遠(yuǎn)傳監(jiān)控系統(tǒng)［J］．科技傳播，2014（19）．

［3］趙瑞旺．基于GPRS的無(wú)線供水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］．太原：太原理工大學(xué)，2009．

［4］張彥榮，孔海心．基于GPRS的水計(jì)量無(wú)線采集系統(tǒng)應(yīng)用研究［J］．酒鋼科技，2012（1）：40-43．

［5］馮滄，李田．地下排水管道流量檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展［J］．給水排水，2007，33（5）：115-118．

［6］張麗華．流量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在供水計(jì)量中的應(yīng)用［J］．城鎮(zhèn)供水，2014（1）：46-48．

（責(zé)任編輯：王艷肖）

Research on flow monitoring system for water supply pipeline based on wireless network

WEN Fei，ZHENG Jian-liang，LIU Jin-xi
（The Hydrological Bureau the Information Center of The Huaihe River Committee,Bengbu 233001,China）

According to the water flow monitoring of pipeline type,a complete set of traffic data collection,transmission and analysis system is designed.Data transmission in wireless network can be applied to various installation environment because of convenient construction.The typical design of multi-point data transmission terminal can complish a multichannel data transmission and save construction cost by more simple maintenance.Specification for data transmission terminal and meter installation and debugging provide accurate data services of water resources.The daily business processing electronic and network is achieved among water resources management and the water resources information sharing ability is improving.

wireless network；water supply pipe；traffic monitoring system

TV674

：B

：1672-9900（2017）02-0049-04

2016-02-06

聞 飛（1985-），男（漢族），安徽蚌埠人，工程師，主要從事水文遙測(cè)通信和水利電氣應(yīng)用方面的研究，（Tel）18805520519。