海水淡化远程监测系统的设计与实现

俞永江，王金燕，李 楠，冯 涛，潘春佑,苗 超

(1.自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192；2.天津市海跃水处理高科技有限公司,天津 300192)

1 前言

随着水资源供需矛盾的持续加剧和海水淡化技术的日趋成熟，大规模地利用海水淡化生产淡水已成为共识[1-2]。近年来，我国海水淡化产业发展迅猛，市场空间巨大，大型工程不断涌现，对信息化管理系统的需求日益迫切。其原因主要有两方面：一是大型工程的取排水影响、产品水安全及制水能耗等问题引起社会关注，国内尚未建立有效的监测评价措施；二是大型工程基本由国外主导承建，国内缺乏加工制造和运行维护实践[3]，迫切需要全面掌握工程运行数据，不断提高运维管理水平。远程监测系统可为海水淡化管理、评价及决策等提供全方位的基础数据支撑，是实现大型工程高效运行和科学监管的重要保障。

工业远程监测系统一般由一个监控中心和若干个监测节点组成[4]，通过各种通讯方式来实现数据共享。组网通讯方式是整个系统的重点环节，直接关系到覆盖能力、可靠性、实时性、建设及运行成本等主要指标。现有的PSTN、ADSL、无线电台、GPRS、WSN、卫星及专线等通讯方式均具有局限性，对于复杂的工业现场存在着各自缺陷[5]。随着物联网技术的不断发展，利用有线、无线等异构网络和多样化终端组成计算机应用网络，为实现海量信息的采集、分析、处理和共享功能提供了有利条件。文章综合应用传感器网络、数据仓库、多级网络通讯、WebGIS等多项技术，建立了基于物联网环境的海水淡化远程监测系统，完成了远程实时监测站点设计、数据获取与管理、信息发布服务等研究和分析，对建立健全海水淡化运行监管体系、促进产业可持续发展等方面具有重要意义。

2 物联网技术介绍

物联网是在计算机互联网的基础上，利用射频识别(RFID)、无线数据通讯等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of things”[6]。物联网主要有以下三个特征：一是互联网特征；二是识别与通信特征；三是智能化特征。

物联网的结构框架基本可分为感知层、网络层、应用层[7]，如图1所示。其中，感知层由各种传感器以及传感器网关组成，主要是感知和识别物体，采集和捕获相关信息，同时接受执行相关指令。网络层由互联网、通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，主要是将信息进行传递和处理，搭起感知层和应用层的沟通桥梁。应用层是由在感知层和网络层的基础上开发各种应用软件和信息系统组成，主要是针对不同的行业和需求开发不同的应用系统，以实现智能化目标。

图1 物联网体系结构Fig.1 Internet of Things architecture

3 总体建设方案

海水淡化远程监测采集子站分布于沿海各地、海岛或偏远地区，覆盖范围大，其气候、供电及网络覆盖条件各有不同，需要适应室外长期采集工作和复杂多变的气候环境。考虑到需要上传数据的稳定、可靠、灵活等接入特性以及数据安全性等因素，故该方案采用RTU进行远程数据采集，通过GPRS、有线网络、通讯卫星等多种通讯方式进行传输及控制。系统总体设计框图如图2所示。

图2 总体架构图Fig.2 Overall architecture diagram

海水淡化远程监测系统集子站部分主要由现场的RTU和网络接入设备组成。RTU负责采集各种不同类型的数据、信息存储处理和执行操作命令，并与网络接入设备进行数据指令通讯。网络接入设备负责网络传输和通讯协议等，将RTU的通讯数据经网络运营系统发送到监控中心，并保持在线连通，侦听接收监控中心发来的数据指令，将所收发的各种信息迅速转达给RTU。

4 系统功能设计与实现

4.1 数据的采集

数字量输入采用RTU模块上的RS-232、RS-485与其它数字终端通讯。常用的通讯设备包括变频器、水质分析仪、智能电表等。通讯协议由仪表生产厂家指定或为高定制化的MODBUS协议。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，完成控制器之间、控制器经由网络和其它设备之间的通信功能。运用RTU芯片模块的可编程功能，与采集仪表数据并与仪表进行通讯，在RTU芯片模块汇编语言中配置通讯参数并进行带机测试，达到数据采集精度的、实时性的要求。

4.2 数据的接入

海水淡化远程监测系统在实际的子站建设中， CDMA(WCDMA、CDMA2000)/GPRS为最常用的网络通讯接入方式，考虑其网络信号环境、信号延时、以及费用成本等指标予以选型。以GPRS为例， GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效利用。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，降低了服务成本，满足数据传输的要求。

4.3 数据传输

海水淡化子站主要由现场的RTU和DTU组成。RTU负责采集各种不同类型的数据、信息存储处理和执行操作命令，并与DTU进行数据指令通讯。DTU负责网络传输和通讯协议等，将RTU的通讯数据经网络运营系统发送到监控中心，并保持在线连通，侦听接收监控中心发来的数据指令，将所收发的各种信息迅速转达给RTU。

4.3.1 数据传输格式

不论通过CDMA/GPRS、有线网络、数传电台、通讯卫星等介质网络，数据的传输都有统一的编码格式，并运行事先约定的数据验证加密方式。实现对现场的运行的海水淡化设备进行监视，以实现数据采集、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。以下为部分功能实现的数据包约定格式：

(1)时钟授时，保障数据的实时性

指令：DE 01 年月日周时分秒 check 5D

应答：DE 01 年月日周时分秒 check 5D

(2)B定时上发数据包，保障及时获得数据

指令：DE 15 check 5D

说明：

15—功能码：主动上发数据

同当前数据包的格式

(3)索要当前数据,不遗漏任何一组数据

指令：DE 00 check 5D

指令错误时：无返回

指令正确时返回：

DE 07 check 5D

返回数据格式说明：

DE —RTU地址，默认为0s；

07-功能码：当前数据；

-时间、开关量DI、模拟量AI、485采集量；

check-校验码；

5D -包尾

的解析

时间：5个字节(年、月、日、时、分，格式为BCD码)

开关量DI：2个字节

模拟量AI：44个字节(8路×3个字节)

485采集量：36个字节

4.3.2 数据中心接受数据并回应

海水淡化远程监测系统对海水淡化数据进行远程测量、远程参数调节、处理各类信号报警等。数据中心由多任务软件组成，每个任务完任务成特定的功能，如数据解码、计算处理、量程转换、报警检查、事件记录、历史存储、执行宏脚本等工作。系统采用Internet技术和4G技术，配合软件使用面向对象的Dot Net技术，使系统集成规模大且性能可靠，满足了安全性、经济性及商业化运营的需求。

海水淡化远程监测系统中的通信分为远程设备通信和内部数据安全校验通信。一次仪表驱动协议与RTU的设备接口(如串口，RS232)通讯采用大多数设备都支持的请求方式，这种通讯方式的设备支持主动发送方式。DAS(RTU端发送来的数据的Data Access Server)来与远程采集终端RTU(RTU功能上采用模块化设计，包括无线传输部分，可根据实际情况定制采集功能)进行通讯。DAS软件利用Microsoft Windows的 COM/DCOM技术作为数据交换的方式，安装在支持Microsoft Server Windows操作系统的服务器上，采用标准的TCP|UDP协议，可以同时跟多于一个的RTU客户端通讯。

4.4 数据的处理

4.4.1 数据中心与子站的数据对接

海水淡化远程监测系统程序本着先进、可靠、自动化程度高的设计原则，确保持续稳定安全运行。完善的程序功能，实现海水淡化试验运行的全自动工作状态，最大限度的减少了系统的维护和人员的工作强度。利用.NET等技术，调整程序组织结构，促进管理创新，主要的数据对接内容有：

(1)随时接收各RTU子站发出数据；

(2)接收各RTU子站发出的数据安全信息；

(3)向各RTU子站发送指令(如调整参数)；

(4)命令RTU子站即刻发送数据；

(5)数据入库；

(6)历史数据查询；

(7)实时数据显示。

4.4.2 数据源服务

数据源服务器Data Communication Server(以下简称DCS), 主要的功能是解码和保障通讯。相对于DAS软件保障了对RTU的沟通，DCS软件则保障了对监控软件的沟通。

4.4.3 一级数据中心监控人机界面

海水淡化远程监测系统将实现被监控海水淡化站点的数据监测自动化，传输网络化，管理数字化；监控界面软件是集成了中心监控功能、网站功能、数据查询分析功能的统一解决方案，一次性将数据监控中心主流功能全部实现，利用.NET等技术，调整程序组织结构，自主开发，可以最大限度节约成本。

(1)精细的统一权限管理系统

监控界面软件将所有类型的用户置于统一的管理之下，通过在本地的默认管理员用户，对本地、远程访问用户以及不同权限的用户进行添加、编辑、启用、禁用、删除的操作。对监控中心系统的每一项功能(例如：历史趋势查看功能、报警限值设置功能)实行权限分级设置的管理，可由默认管理员用户随时进行分配与设定。

(2)图形显示

精心开发人机交互界面，采用流程图、曲线图、棒图以及饼图等多种形式展示，超过了一般组态软件固有的浏览界面画质水平。

(3)移动应用功能

在海水淡化远程监测系统的平台上，将构建自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所采集数据移动发布系统，通过权限控制，提供对内外部人士的远程移动浏览功能，并可以随时开启、关闭此功能。

(4)报警管理

全方位的报警功能，可在多种画面中以直观方式通知调度人员系统发生异常。不同级别的报警可在所有操作员站上接收，当故障发生时，显示故障点和故障状态，可按照报警等级做出相应，纪录故障的信息，报警打印机自动打印故障纪录。

报警内容有：实际值和偏差值报警、给定值限制报警、系统自诊断报警、识别变送器运行在4 mA～20 mA范围以外的报警、输出限幅报警等。报警画面与其他显示画面相比，具有更高的优先级。报警对象、内容、时间同时列表纪录及打印，除流程图上有报警显示外，可设若干报警一览表，以便全面了解运行工况和报警的查询。

(5)统计、计算和分析

对供水量、水质数据、吨水电耗等进行统计计算，并具有数据存储、查询、辅助分析等功能，供管理人员进行分析。

监控系统的软件具备报表自动生成功能，即操作人员利用系统提供的实用程序，通过简单的人机对话或定时功能，就可以完成各类报表的制作工作，并具有定时打印和随机打印的功能。

4.4.4 数据中心的安全性

数据中心负责监视、管理和控制等工作，实现对现场参数的集中处理、检测、监控和对现场设备远程控制，保存并提供监控数据，报警监视，动态显示供水工艺参数，生成监测点报表和系统供水量计算统计报表，诊断发现RTU通讯中断故障并传送到监控系统报警，以及所有这些信息的打印、诊断、数据共享等功能。

(1)数据补录

当某站点故障，数据未能连续采集时，可人工补录历史数据(来自RTU停电记录)或数据补发(来自RTU历史数据等)，以便报表数据完整。

(2)密码保护

操作员站可进行参数设定操作、信息显示且监控系统具有密码保护功能，设置操作级别和密码，每个等级密码中设计有操作工号，根据用户的授权权限，规定其操作范围。

4.4.5 二级工作站

(1)授权和使用

凡能上网的(有线或无线)的任何经授权的计算机均可作为二级工作站。经授权客户端可通过互联网访问中心服务器的数据库，对数据进行查询，显示，打印及相应的分析。并采用与一级数据中心一致性的登录与权限管理。

(2)对称式数据加密

采用对称式数据加密的方式，替代了租用或者自行搭建硬件VPN加密网络，降低了成本和硬件维护的工作量，并可以定可更新密钥。

5 结论

随着海水淡化技术的日趋成熟和产业规模的不断扩大，建立起覆盖全国的海水淡化动态监测服务系统十分必要。文章在物联网环境下，综合应用传感器网络、数据仓库、多级网络通讯、WebGIS等多项技术，搭建了包括信息采集、网络传输、数据处理及共享发布等应用功能于一体的海水淡化远程监测系统。该系统融合了多种通讯方式和异构网络的优点，便于职能单位根据自身特点和实际需求，合理组建各级监控网络，对提高数据传输可靠性、改善网络接入灵活性、降低建设及运行成本等方面成效显著，值得推广。