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1、基于 4G DTU 的水库闸门远程控制系统方案 一 前言 水利行业是一个历史十分悠久的行业 也是信息十分密集的行业 随着计算机技术 数 字控制技术 网络通讯技术的发展 工业自动控制系统已进入一个全新的时 代 采用新技 术 新设备对水利工程项目的设备与管理进行现代化改造和智能化建设是历史发展的必然趋 势 对社会主义建设和水利行业的发展前景有着深远的意 义 水利现代化和智能化建设是 实现资源共享 促进国民经济协调发展的需要 信息化系统建成后 消除了信息孤岛 减少 了数据冗余 提高了信息的可靠性和科学 性 信息快速方便的信息传递为上级部门正确决 策提供了保证 同时也提高了水库现代化管理水平 提高了水
2、库的工作效率 同时也为水利 信息化建设打下了基础 水库 一般建在比较偏僻的山区 尽管现在交通发达 但对水库 运行管理来说仍然不便 一方面因为路途遥远 工作人员每天在往返的路上浪费大量的时间 和精力 另一方面道路崎岖 多是山路 行车危险 特别是雨季 道路泥泞 这给水库的 管理工作带来很大的不便 特别是在汛期暴雨期间 可能造成山体滑坡 电线中断等 事故 工作人员无法到达现场 此时更是防洪的关键时期 必须保证闸门的合理控制 才能有效的 控制洪水 保证人民群众生命 财产的安全 随着现代通讯事业的 不断发展 无线技术应 用在控制领域中越来越成熟 利用 4G 网络来实现远程的通讯 从而达到用计算机来实现水
3、 库闸门远程控制的目的 二 项目分析 2 1 闸门远程控制系统组成 2 1 1 终端闸门控制系统 采集闸门状态信息 如闸门开度 水库水位等 和执行各项中心发出的指令 2 1 2 无线传输设备 鉴于终端闸门控制系统的接口和设备的工作环境等多种情况的要求 我们选择 4G DTU F2816 采用 RS 232 485 接口 金属外壳设计 它具有体积小 功耗低 配置使用简单 即插即用 支持主备数据通道 并行多数据通道 支持实时在线和按需在 线多种工作方式 如定时上下线和设备唤醒 并且支持 APN 网络接入等功能不仅可以保障数据安全可靠还能 让客户根据需传输节省资费 2 1 3 数据控制中心 源始数据
4、处理与管理中心 负责对终端上传的数据进行分析 存储 对分析结果做出判 断 并下达各种控制指令 2 2 系统总架构 终端闸门控制系统数据采集设备通过 RS232 485 通讯接口与 F2816 串口连接 远程数 据中心服务器可以使用 APN 专线或普通 ADSL 等作为网络接入 通讯设备 F2816 通过 FDD LTE 网络接入 Internet 连接到远程数据中心服务器主机 建 立透明数据通道 这样采集终端产生的数据只要送到串 口 F2816 就会把收到的数据不做 任何处地发送到数据中心服务器主机 服务器主机收到终端上传上来的各项源始数据后对数 据进行综合分析和各种判断 并向 终端设备发出控
5、制指令 服务器主机发出的控制指令通 过通道传输到 F2816 后 F2816 通过串口送到采集终端 从而实现了数据双向透明传输 2 3 系统功能 2 3 1 中心控制室 中心控制室是整个系统的调度中心 主要由工控机和上位机软件等构成 工控机作为上 位机对闸门进行远程控制 以及对实时采集来的闸门开度 水库水位进行数 据处理入库等 操作 通过水库水位 H1 闸门开度 H2 和实际 H1 H2 Q H M H V 曲线 计 算机自动对比计算出放水流量 水库库容 库面面积等 可以随时观察水库水位和蓄水量等 参数的变化情况 计算机设计有标准 软硬件接口 可以与水情自动遥测 大坝自动观测等 系统共同组成水
6、库运行调度系统 作为系统工作安全的要求 对闸门的操作有严格的使用权 限 设有软硬件隔 离 操作指令保护措施 闸门开度 操作时间 操作者姓名及时入库保 存 只有高级管理员才可以修改 这样可以保证闸门操作的安全 2 3 2 现地控室 现场地控室距离闸门现场比较近 主要有控制柜 工控机 4G DTU 不间断电源 分 控软件 以及转换模块组成 工控机作为下位机功能基本与上位机相同 但操作级别比上位 机低 下位机也有工控机主要是为增强系统的可靠性 即使上位机出现了故障 不致影响对 闸门的操作 2 3 3 现场控制屏 现场控制屏相当于闸门操作按钮 它直接对闸门的上升 下降 停止进行控制 也是闸 门开度的采
7、集部分 负责将闸门开度值传到下位机中 将开度仪传来的模拟信号转变成 RS 485 信号传到下位机中 完成开度的采集传输工作 2 3 4 闸门开度仪 闸门开度仪采用弹拉式开度仪 它是将测量柔丝的线位移转换成码盘的角位移 以达到 用编码器来测量线位移的目的 同时将闸门的开度转换成模拟信号传到现场控制屏里 完成 测量工作 三 项目架构实施方案 3 1 无线通讯设备 F2816 与终端采集设备连接 F2816 支持 RS232 485 接口 可以通过 RS232 485 接口与终端连接 接口定义如下 3 2 数据控制中心服务器网络接入方式 3 2 1 专线接入 中心采用 APN 专线 所有点都采用内网
8、固定 IP 客户中心通过一条 2M APN 专线接 入联通公司 4G 网络 双方互联路由器之间采用私有固定 IP 地址进行广域连接 在 GGSN 与移动公司互联路由器之间采用 GRE 隧道 为客户分配专用的 APN 普通用户不得申请该 APN 用于 4G 专网的 SIM 卡才能进入 专网 APN 防止其他非法用户的进入 用户在内部建立 RADIUS 服务器 作为内部用户接入的远程认证服务器 或在 APN 路由 器内 启用路由器本地认证功能 只有通过认证的用户才允许接入 用以保证用户内部安 全 用户在内部建立 DHCP 服务器 或在 APN 路由器内 启用 DHCP 功能 为通过认证 的用户分配
9、用户内部地址 移动终端和服务器平台之间采用端到端加密 避免信息在整个传 输过程中可能的泄漏 双方采用防火墙进行隔离 并在防火墙上进行 IP 地址和端口过滤 此种方案无论实时性 安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高 适合于安全性要求 较高 数据点比较多 实时性要求较高的应用环境 在资金允许的情况下之最佳组网方式 3 2 2 ADSL 拨号连接 动态公网 IP 地址 中心采用ADSL等INTELNET公网连接 采用公网动态IP DNS解析服务的 客户先 与 DNS 服务商联系开通动态域名 4G DTU 先采用域名寻址方式连接 DNS 服务器 再由 DNS 服务器找到中心公网动态 IP 建立连接
10、此种方式可以大大节约公网固定 IP 的费用 但稳 定性受制于 DNS 服务器的稳定 所以要寻找可靠的 DNS 服务 商 此种方案适合小规模应 用 3 2 3 通过固定公网 IP 连接 中心采用 ADSL 等 INTELNET 公网连接 采用公网固定 IP 服务的 此种方案先向 INT ERNET 运营商申请 ADSL 等宽带业务 中心有公网固定 IP 的 4G DTU 直接向中心发起连 接 运行可靠稳定 推荐此种方案 3 2 4 数据中心软件平台构建 中心端软件的构建有多种方式 对于传入数据的方式的不同 我们提供不同的软件来帮 助客户快速地实现中心端的数据接收和现场设备的管理 目前提供三种方式
11、的中心接口 首先是对于组态软件 目前很多组态软件厂家已经集成了我们的驱动了 可以直接配置 使用 其次对于原本是读串口的程序 提供一个虚拟串口软 TCP2COM 最后是对于想 开发自己独有的数据中心软件的客户 会提供一个动态链接库及数据中心软件 不仅开放源 码还全程协助客户进行自 己数据中心软件和功能的开发 客户可能通过动态链接库快速开 发一个灵活的 稳定的 功能齐全的终端管理和数据交互的中心软件 四 方案特点 1 传输模块采用无线接入 FDD LTE 网络 目前 4G 网络已覆盖到全国各地甚至偏远山 区也有覆盖 因此水库监测站可以在不受地理位置影响的情况下正常接入 4G 网络 为数据 中心提供
12、数据传输通信通道 2 传输模块具有可靠的网络连接 智能防掉线 支持在线检测 在线维护 掉线自动 重拔 确保设备永远在线 确保通信通道正常 为数据中心提供准备 实时的侦测数据 3 维护和管理人员可以任意可以上网的地点 经过网络认证和身份认证后 对系统进行 日常维护和数据监控 传输模块经过简单配置即可使用 体积小方便安装 支持远程参数的 配置修改 控制 可以不必到现场修改设备工作数 为整个系统的运作节省了大量的人力物 力 4 传输模块采用工业级设计 金属外壳 外接电源 DC 12V 500mA 通信电流 250mA 12V 工作环境温度 25 65 C 储存温度 40 85 C 相对湿度 95 无凝 结 多重软硬件看门狗设计 5 终端传输模块支持多种激活方式 如语音电话 短信 数据等 终端设备故障或异 常时 自动发短信报警信息给维护人员 6 传输模块采用主备份中心和自动回复主中心功能 并同时支持多中心并发功能 最多 5 个 数据中心支持多种网络接入方式 如 APN 固定 IP 动态 IP 动态域名等 五 方案总结 此系统在 FDD LTE 无线网络平台的基础上 实现了上位机与下位机的实时无线通讯 从而实现了远程水库闸门的控制 经过长期运行证明该系统设计合理 运行稳定可靠 给水 库的管理工作带来了方便 对水库的防洪调度起到了积极的作用
