热力管网监控方案

1.系统设计说明

     北方城市，由于冬天气温很低，需要集中供暖。如果供暖的管网出现问题，小则影响一个小区，大则影响一个城区，和居民的生活密切相关。而且管网分布面积很大，一般在几十平方公里以上，长度一般超过5公里。简单靠人工循检，已经无法满足城市规模越来越大，人口越来越多，要求越来越高的需要。

热力管网监控实质是SCADA系统，主要由监控主站、通信系统和远程终端构成。监控主站由通信管理单元和监控工作站监控，对于要求高的，可能还需要数据库服务器，对于需要远程浏览的还需要WEB服务器。通信系统差别很大，可以是电话线，双绞线，数传电台，GPRS电台等。远程终端简称RTU，是负责远方数据采集和控制的设备，因为其工作环境一般在室外，环境比较恶劣，对可靠性和抗干扰能力要求较高。

热力管网远方监控还需要大量的仪表，如温度变送器、压力变送器、流量计等。

1.1.现状综述

全国各地已不同程度地进行了热力管网监控的试点工作，目前参与的厂商数量比较多，水平参差不齐，各个厂家都是在做试点工作，也有个别厂家开始规模推广。也暴露出很多的问题，主要表现在现场设备可靠性差，可维护性差，不能承受现场恶劣的工作环境（包括高温、低温、潮湿和沙尘）。数据开放性不够，往往是各个厂家互不兼容，软件数据不能共享，呈现一个个的自动化孤岛。

1.2.设计思想

目的：

热力管网远程监控系统主要是通过对热力站、管网参数的实时检测，采用轮询-应答的通信方式，将检测到的热力站，热力管网状态，通过各种通信方式传送给实时数据库服务器，并以C／S或Ｂ／Ｓ模式，使各个部门能够及时热力站，热力管网工作状态，能实时监控热网的运行情况，如监视热网最不利压差，协调控制热源的供给以适合热网负荷的变化，保证热网安全、可靠、高效的运行。

原则：

开放性原则，通信协议采用业界较为通用的MODBUS协议。软件采用组态软件，用户可以自行开发，自行维护，RTU采用具有标准协议的产品。现场仪表变送器尽可能选用24V供电的，输出4～20mA的设备。
整个系统构成如下：



方案说明：

监控主站采用工控计算机，保证7×24运行。通信方式考虑建设的复杂度，一般推荐采用GPRS或者数传电台，架设速度快。监控装置选用易控微网公司的STC-1、STC-2 微型RTU设备。

2.RTU系统

RTU英文名称Remote Terminal Unit，IEC现在给的名称TeleControl。
是一种远方数据采集和控制的设备。易控微网公司的STC-1是一种合乎IEC要求的一种微型RTU设备，其型号STC为Small TeleControl的缩写。STC-2是一种可以直接完成交流电量采集的微型RTU设备，主要用于泵站的监控。

2.1.功能

STC-1 微型RTU设备的功能。

●8路开关量输出，可以作为遥控、跳闸或者告警。
●8路开关量输入，也可以作为脉冲量输入。
●8路直流采样,可以接各种变送器。
●1个标准485通信口，1个RS485/232接口，支持MODBUS或其它规约，扩展更加容易。
●贴片安装，无外部总线，可靠性高，抗干扰能力强。
●卡式导轨或螺丝固定，现场安装更加便
STC-1主要用于测温点，测压点和流量的监控。

STC-2设备主要功能：

●三表法测量准确测量三相交流电压、电流、有功、无功、频率、功率因数、零序电流等电参量, 可以测量变频器输出。
●具有3路独立的开关量输出，可以作为遥控、跳闸或者告警
●6路开关量输入，也可以作为脉冲量输入
●2路直流采样,可以接各种变送器
●两路通信接口，支持MODBUS规约，支持主站端的热备用
●FFT算法，可计算1－7次谐波
STC-2 主要用于泵站的监控。

2.2.现场安装

每个检测点需要安装一个监测箱，监测箱要求合乎IPC55防护等级要求。在监测箱内安装1台或者多台STC-1、STC-2微型RTU，采用24V供电。箱内配一个220V/24VD或者12V的开关电源，给RTU和电台、变送器供电。

温度变送器选用PT100的温度变送器，输入为3线制，输出为2线制。
压力变送器选用2线制的设备，由24V供电。

流量计可以选用电磁流量计或者涡轮流量计，输出可以是4~20mA或者是频率信号。频率信号可以接STC-1的开关量输入，可以计算单位时间流量，还可以计算总流量。

STC-1的继电器输出可以控制阀门，应用非常方便。

对于热力泵，供水泵，STC-2可以监控其工作电压电流，出口温度，出口压力，流量计频率信号可以接STC-2的开关量输入，可以计算单位时间流量，还可以计算总流量。STC-2需要安装三个电流互感器。
对于热力站可能需要多个STC-1或者STC-2，安装时可以把他们的RS485接口通过双绞线构成一个RS485网络，然后通过1台SCM-1通信模块进行数据转发。
   
     电台也安装在控制箱内，通过50欧姆馈线输出。电台的通信接口接STC-1、SCT-2或者SCM-1的RS232接口。

3.通信

SCADA系统的通信方式可以多种多样，考虑系统的可靠性，有可能还要有备用通道。通信的方式总体说来分为两种，一种是自己架设的专线系统，一种是架设在公网上的系统。
自己架设的系统：自成系统，不需要别人参与，运行费用低，架设成本高，需要用户自己维护。包括，自架的电话线，双绞线，光缆，载波，微波，电台等。
公网系统：电话线，专线，ISDN，帧中继，卫星线路，GPRS等。架设费用低，不需要用户维护，运行费用高。
用户选择时需要自己根据各种利益和费用考虑。
考虑热力管网分散，和建设的速度，我们推荐采用无线方式。
自行架设可以采用数传电台，相关手续：到无线电管理委员会申请频点，登记，购买数传电台。费用：频点占用费，电台费用，馈线，天线费用，架设费用。

参考价格:频点 1500元/年  电台 2000元左右  天线馈线 500元
公网GPRS或者CDMA，需要和当地的中国移动或者中国联通洽谈计费方式（可以包月或者按照流量计费），费用包括GPRS/CDMA收费，GPRS电台费用。
参考价格：包月 100元左右  电台 2000元左右。

参考数传电台：
数传电台可以选择深圳固迪GD230V型25W/8W功率稳定超强型无线数传电台，具有如下特点：
● 高性能、高稳定、高可靠
●适合于各种恶劣的工作环境；
● 精密压铸铝结构配合精良的电路设计，抗干扰能力更强；
● 采用温补频率基准源，确保高稳定收发频率；
● 专业的散热设计适合于长期不间断工作；
● 有效通信距离远；
● 采用频率合成技术，通过计算机灵活方便地设置频点；
● 全部设置通过设置软件完成，操作简便；
● 点对点、点对多点，灵活组网；
● 提供外置调制解调器接口；
● 提供模拟通道，方便进行话音通信；
● 可选配手咪喇叭配件，直接对讲，方便工程施工；
● 电源工作指示灯、空中收发指示灯及数据收发指示灯使工作状态一目了然；
● 采用超大规模集成电路，低功耗设计，SMT生产工艺；
● 工业级产品设计，温度范围宽。
● 集收发数据、话音通信于一体，功能强大。

1．总体指标：
● 频率范围：VHF/UHF
● 频率稳定度：1.5ppm
● 信道间隔：25KHz/12.5KHz
● 调制方式：MSK
● 数据接口：RS-232(标准配置) RS-485(选配)
● 接口速率：9600/4800/2400/1200bps（可设置）
● 接口校验：无校验/奇校验/偶校验 （可设置）
● 信道速率：2400/1200bps （可设置）
● 信道总数：16 （可扩充）
● 天线阻抗：50Ω
● 电源电压：DC 13.8V　（12—15V）
● 电源消耗：接收时＜100mA，满功率发射时＜5.5A
● 体积：长×宽×高＝149mm×109mm×50mm

2．接收机指标：
● 接收灵敏度：≤0.25μV（12dB信纳比）
● 杂散及镜频干扰：≥70dB
● 邻道选择性：≥70dB
● 接收失真：≤3%

3．发射机指标：
● 输出功率：25W （5-25W连续可调）
● 最大频偏：5Kc
● 邻道抑制比：≥70dB
● 杂散发射比：≥70dB
● 发射启动时间：≤40ms

参考GPRS

     GPRS MODEM 可以选择深圳市泰达鑫通信技术有限公司开发的TGM8800 GPRS无线数传系统，具有如下特点：



4.主站端

选用计算机硬件软件的原则为够用，一定时间内不落后。选用油井控制器的原则价格合理，可靠性高。

4.1.硬件

根据实现情况配置个人计算机和服务器，包括监控工作站、通信服务器和数据库服务器。
监控工作站选用流行的个人计算机或者工控机。P4 2.0GHz ,512M RAM,80G 硬盘，20英寸显示器或者17英寸LCD显示器，键盘、鼠标和多媒体套件。配备打印机一台。  
通信服务可以选择工控机，对机器要求不是非常高，可以灵活配置。
数据库服务器选择小型工作组服务器即可。

4.2.软件

软件选用组态软件，可以选用的产品：国内的 开务2000，组态王等，国外的INTOUCH,FIX等。
    参考价格：国内不限点版本 报价 5万元左右，可以有折扣。
    国外软件可以向代理商咨询，也有国外的盗版软件可用。
系统集成工作：包括实时数据库建立，数据命名，画面设计，画面制作，画面数据与实时数据链接。数据库服务器安装，配置。WEB服务安装，配置，WEB页面制作等。
完成功能：
监控中心采集现场过程数据进行分析计算处理，对运行人员提供操作指导，实现对热网的监测控制、热量供需量分析、管网水力分析、故障诊断报告、历史数据处理、趋势显示等功能。

5.规约说明

MODBUS 规约  
MODBUS规约是MODICOM公司开发的一个为很多厂商支持的开放规约
Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

标准的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。

控制器通信使用主—从技术，即仅设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据做出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。

主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。

从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。

在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。
在消息位，Modbus协议仍提供了主—从原则，尽管网络通信方法是“对等”。如果控制器发送消息，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器接收到消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。

查询

查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。

回应

如果从设备产生正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：像寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。

控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。



所选的ASCII或RTU方式仅适用于标准的Modbus网络，它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位，以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。

在该系统中，我们仅仅支持RTU的帧格式。
每个字节的位
. 1个起始位
. 8个数据位，最小的有效位先发送
. 1个奇偶校验位，采用偶校验
. 1个停止位

错误检测域
. CRC校验

地址域
消息帧的地址域包含两个字符（ASCII）或8Bit（RTU）。可能的从设备地址是0...247 (十进制)。单个设备的地址范围是1...247。主设备通过将要联络的从设备的地址放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一个设备做出回应。
地址0是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。当Modbus协议用于更高水准的网络，广播可能不允许或以其它方式代替。

功能域
消息帧中的功能代码域包含了两个字符（ASCII）或8Bits（RTU）。可能的代码范围是十进制的1...255。当然，有些代码是适用于所有控制器，有此是应用于某种控制器，还有些保留以备后用。
当消息从主设备发往从设备时，功能代码域将告之从设备需要执行哪些行为。例如去读取输入的开关状态，读一组寄存器的数据内容，读从设备的诊断状态，允许调入、记录、校验在从设备中的程序等。
当从设备回应时，它使用功能代码域来指示是正常回应(无误)还是有某种错误发生（称作异议回应）。对正常回应，从设备仅回应相应的功能代码。对异议回应，从设备返回一等同于正常代码的代码，但最重要的位置为逻辑1。

支持主要功能码：
Read Coil Status
Read Input Status
Read Holding Registers（读保持寄存器）
Read Input Registers （读输入寄存器）
Force Single Coil (设置单个继电器)
Preset Single Register （设置单个保持寄存器）
Force Multiple Coils（设置多个线圈）
Preset Multiple Registers（设置多个保持寄存器）
Read General Reference （读文件）
Write General Reference
Mask Write 4X Register
Read/Write 4X Registers （读写保持寄存器）
Read FIFO Queue（读FIFO队列）