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Procedia Environmental Sciences 12 (2012) 843 – 850
2011 International Conference on Environmental Science and Engineering (ICESE 2011)
Investigation on Remote Monitoring System for Heat-Supply Thermal Characters Based GPRS
Liu jie1,a, He yunfeng1,a,Zhao wenjun1,a,Li xiaojun2
1Inst. of Environmental and Municipal Engi.Qing Dao Tech. University Qing Dao, China
2Design Inst. of Zheng Zhou Water Supply General Company
University of Huaguoshan,Zheng Zhou, China
Abstract
With the strategy requirements of low-carbon and energy-saving, the appropriate auto-control methods become more and more important. Aiming to monitor the thermal characters of the heat exchange station in the real time, the investigation framework in this paper presents an integral solution. We incorporate wireless data gathering from different heat exchange station, sending data to the service through the Internet and managing by sever.Net. We exploit formalization software by three-layer Browser-Server structure to regulate how thermal characters data should be gathered, communicated among concerned parties and interpreted to server/Date Base in decision-making. Meanwhile, the communication among the nodes that form the distributed system is implemented by means of the utilization of wireless networks, and secondary data transmission services (GSM or GPRS) provided by a mobile telephone operator. This monitoring system has been running in good condition and stable operation with lower fault rate and higher credibility data. This system, once fully deployed, can significantly reduce human labor and provide real-time data monitoring to achieve the propose of energy conservation and emission reduction.
copy; 2011 Published by Elsevier Ltd. Selection and/or peer-review under responsibility of [name organizer]
copy; 2011 Published by Elsevier B.V. Selection and/or peer-review under responsibility of National University of Singapore.
Open access under CC BY-NC-ND license.
Keywords :Thermal character, Remote monitoring, Heat exchange, GPRS,
Introduction
Today, Central heating means is widely used in winter in north China. While the thermal-power plant always sends hot water to the heat exchange station in each residential area or enterprises through the city high temperature heat-supply pipeline. In heat exchange station, the hot water in heat pipe (hereinafter
1878-0296 copy; 2011 Published by Elsevier B.V. Selection and/or peer-review under responsibility of National University of Singapore.
Open access under CC BY-NC-ND license. doi:10.1016/j.proenv.2012.01.357
referred to as the primary heat supply pipe network) and the bedroom radiators (hereinafter referred to as the secondary heat supply pipe network) exchange the heat through the heat exchange. After that, then the hot water in the secondary heat supply pipe network flows into the bedroom. In the above process, heat dispatching need to lead a real-time monitoring about the parameters such as temperature, pressure, flow and liquid level in different geographic position heat exchange station which is scattered, controlling the operation of each equipment in the heat exchange station. Meanwhile, the departments adjust the running condition on the thermal power plant and ensure the stable operation of the whole heating in winter according to the operation parameters from each heat exchange station.
The operation management of Chinas current thermal plant is still in manual operation stage, which influences the full play of the centralized heat-supply superiority. It mainly reflects in: First, that a lack of comprehensive parameter measurement method makes it unable to analyze and judge the operating condition in the generally. Secondly, it is hard to remove the imbalance in system running condition, which causes usersrsquo; on-uniform heating. Thirdly, heating parameters are not in the best running condition and heating supplying does not match with the heating wanted. The last, it is difficult to realize quantitative management because of lacking operating data. As we all know, to conduct urban concentrated heating projects, we must improve heating technology level.
Fig. 1 GPRS date transmission method
Therefore, what inspire us is that the GPRS wireless network automatic monitoring and controlling system, which can realize the acquisition of the heat exchange station site parameters and the real-time communication and control between the departments and each heat exchange station, can solve the above shortcomings perfectly, can effectively increase the automatic control level of the heating systems, and can also greatly improve the management level of heating profession. It plays a very important role for automatic control in heating projects to ensure high quality heating systems, safe operation, energy- saving and environmental protection[1][2].
The Gprs Communication
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- The Remote Communication Methods
The heat exchange stations are scattered distribution and far away from thermal-power plant. As a result, it is necessary to build a good communication mode which lays a foundation for monitoring system. In the intelligent monitoring system of communication, the transmission ways which are mainly used include digital radio stations, GSM short message, optical fiber access and GPRS communication etc. The digital radio station, which is easily influenced by topography and climate, costs
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基于GPRS的供热散热系统远程监控系统研究
Liu jie1,a, He yunfeng1,a,Zhao wenjun1,a,Li xiaojun
1Inst. of Environmental and Municipal Engi.Qing Dao Tech. University Qing Dao, China
2Design Inst. of Zheng Zhou Water Supply General Company
University of Huaguoshan,Zheng Zhou, China
alujor@163.com
摘要：随着低碳节能的战略要求，合适的自动控制方法变得越来越重要。为了实时监测热交换站的热特性，本文的调查框架提出了一个完整的解决方案。我们整合了来自不同热交换站的无线数据采集，通过互联网向服务器发送数据，并通过sever.Net进行管理。我们利用三层B/S结构来开发形式化软件，以规范如何收集热字符数据，在相关方之间进行沟通并在决策时将其翻译为服务器/数据库。同时，构成分布式系统的节点之间的通信通过利用无线网络和移动电话运营商提供的辅助数据传输服务（GSM或GPRS）来实现。该监控系统运行状况良好，运行稳定，故障率低，可信度高。该系统一旦完全部署，可以显着减少人力和提供实时数据监控，以实现节能减排的目标。
关键字：热特性，远程监控，热交换，GPRS，
- 引言
今天，中国北方冬季广泛使用中央加热手段。热电厂通过城市高温供热管道向各居民区或企业的热交换站输送热水。在换热站中，热管中的热水（以下简称主供热管网）和卧室散热器（以下简称二次供热管网）通过热交换换热。之后，二次供热管网中的热水流入卧室。在上述过程中，热量调度需要对分散在不同地理位置的热交换站的温度，压力，流量，液位等参数进行实时监控，控制热交换站各设备的运行。同时，各部门根据各换热站的运行参数，调整火电厂运行工况，确保冬季整体供热稳定运行。
中国当前热电厂的运行管理仍处于手动操作阶段，影响集中供热优势的充分发挥。 它主要表现在：一是缺乏全面的参数测量方法，一般无法对运行状况进行分析和判断。 其次，很难消除系统运行状态的不平衡性，导致用户供热不均。 第三，加热参数未处于最佳运行状态，加热供应与所需加热不匹配。 最后，由于缺乏运行数据，难以实现量化管理。 众所周知，要开展城市集中供热工程，必须提高供热技术水平。
因此，我们认为GPRS无线网络自动监控系统可以实现对换热站现场参数的获取以及各部门与各换热站之间的实时通信与控制，借此完美解决上述问题和缺点。自动监控系统可以有效提高供暖系统的自动控制水平，也可以大大提高供热行业的管理水平。它对供热工程中的自动控制起着非常重要的作用，以保证供热系统的高品质，安全运行，节能环保[1][2]。
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GPRS通信
- 远程通信方法
热交换站分散分布，远离火力发电厂。因此，有必要建立一个良好的通信模式，为监测系统奠定基础。在通信智能监控系统中，主要使用的传输方式包括数字无线电台，GSM短消息，光纤接入和GPRS通信等。数字广播电台很容易受到地形和气候的影响，在平时的运行中只需每年支付一次费用而无需额外费用。以前，一些热交换站利用这种通信模式来监测热敏字符。近年来的运行结果表明，随着水厂周边高层建筑的增多，通信质量和稳定性下降，导致系统可靠性降低，实时性差，行为积极性降低。虽然GSM短消息方法可以弥补这些问题，但会导致费用较大，运营成本较高，消息中心服务器繁忙时会长时间延迟等新的问题。对于稳定可靠的光纤通信，存在成本高，可扩展性差，设备维护复杂等缺陷。而GPRS通信可以有效避免上述问题，其工作方式如图1所示。
图1 GPRS数据传输方法
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- GPRS的工作原理
通用分组无线业务简称为GPRS，它是一种基于现有GSM系统的新型业务，针对GMS用户提供分组形式的数据业务，采用与GSM无线调制标准相同的方式，使用相同的频段，相同的突发结构，相同的跳频规则和相同的TDMA帧结构，类似于当前的电路交换语音业务信道。因此，现有的基站子系统（BSS）可以从一开始就提供全面的GPRS覆盖。 GPRS允许用户以端到端数据包传输模式发送和接收数据。不需要使用网络资源的电路交换方式，所以只要是电信业务可以覆盖的地方就能接收到无线分组传输的监测数据。该技术特别适用于间歇性，突发性，频繁性和少量数据传输的热交换站采样数据传输。它的带宽可以达到171.2 Kbit / s，实际应用带宽大约在40-100Kbit / s。它还提供TCP / IP连接，并且可以用于INTERNET连接和数据传输应用[3]。因为资源的有效利用，数据传输速率高达160Kbps[4]。采用GPRS技术实现数据包的发送和接收，使用户可以随时上网并按照流量收费，也可以降低服务成本。
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监测系统结构
- 监测系统的组成
热交换站监控系统由温度，压力或流量等热力学传感器，数据采集单元和GPRS数据远传模块组成。 数据采集终端安装在热交换站，其一端连接热力传感器，用于分析，存储和汇总数据。 另一端通过RS-232串行通讯模块向GPRS DTU通讯模块发送数据。 而GPRS DTU通讯模块则可以通过GPRS无线网络完成向水监测中心发送数据的任务。
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- DTU
目前，GPRS数据终端单元（DTU）基本采用单芯片Micyoco（SCM）或PLC组合方案。 DTU负责连接GPRS网络并完成信息传送，信息传输的内部结构如图2所示[5]。 工作时应插入SIM卡。 如果数据采集终端只需简单的程序操作如数据采集，并且无需修改即可投入使用，那么选择单片机形式可以简化结构并降低成本。此时，所有输出都是4~20mA电流，因此数据在发送到SCM之前必须通过数字信息的A / D转换，以便DTU发送数据。 与此方案相比，采用PLC连接方案在硬件上具有更高的可靠性。 另外，如果泵或其他执行器需要控制，或者液位，压力和流量也需要同时发送，则应该选择PLC作为下位控制器。
图2 GPRS数据终端单元的结构
最后，当DTU通讯模块接收到来自PLC或SCM的数据时，通过端口映射转发到数据中心服务器，将数据发送到预先设置好的数据中心和固定IP地址的Web服务器。 GPRS DTU发送数据的过程如下：数据由中国移动GPRS网络发送，然后通过互联网，最后由服务器的数据控制中心通过ADSL接收所有数据。GPRS通信负责应用数据传输，一旦系统开始运行，GPRS通信任务开始通过AT指令登录互联网。由于G20模块中存在TCP / IP协议库存，因此登录互联网相对容易，GPRS通信完成终端设备到服务器透明通信链路的任务建立，从而快速实现数据交互。通信过程如图3所示。现在作为数据中心服务器的计算机必须是固定的IP网络终端，而不是通过局域网分配IP或动态IP，所以用户一般不能将其用于数据接收。但是，一些用户可以通过动态DNS或安装代理服务器的方式接收数据，但实际操作表明，失败率和错报率较高。
图3 DTU流程图
- 换热站监控中心系统的开发
监测热交换站的热特性主要是监测运行状态或变化过程。 因此，监控中心系统通过GPRS网络和ADSL Modem发送来自各个热交换站节点的信息自动循环检查，并接收来自不同站点的PLC数据。 经过一系列处理后，数据将保存在SQL数据库中，监控平台负责将Web GIS与数据库进行集成，完成数据的显示，存储和分析任务。最后，基于微软ASP（Active Sever的asp.net Web）的Web页面是为外部用户访问而开发的。整个在线监测系统是基于Web的，也就是说，它是一个基于服务模型的分布式应用系统。
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- 软件设计
软件设计的发展基于三层B/S网络结构模型。 B/S即Browser/Server，是一种与客户端/服务器（C/S）相比的升级或改进结构，并且随着互联网技术的繁荣发展。 三层B/S架构在逻辑上将应用功能放入显示层，业务层，数据层，如图4所示。
图4 三层B/S结构
显示层为客户提供应用服务和图形界面，帮助用户了解和获取高效的定位应用服务。 数据层处于三层模式的底层，用于定义，维护，访问和更新数据，也用于管理和满足数据应用服务的请求。 与双层C/S结构相比，业务层是一个特殊或者说是附加层。 它封装了与系统关联的所有应用程序模型，并分离显示层和数据层，同时还分离了提示逻辑，业务逻辑和数据库内存访问。综上所述，B/S结构具有易于访问，维护和升级模式简单，灵活性和可扩展性好等诸多优点。
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- 系统运行方式
整个监控系统的网络结构如图5所示。热敏字远程监控终端负责实时监控，信号传输和动态传输，用户可以通过终端设备访问互联网来监控每个热交换站在任何地方的运行状况。
图5 热符号监视系统网络图
hellip;hellip;
Monitor Client
Monitor Client
INTERNET
Control Center
Fire wall
GPRS Net-gate
GPRS Net Work
DTU
hellip;hellip;
RS-232
SCM A/D
A/D transition transition
DTU
RS-232/485
PLC
D/A
SENSORS
SENSORS
transition
Heat Etimes;ghanger Stationrsaquo;
Controlled devices
WEB server
Application
server
Date server
监控中心包括Web服务器，应用服务器和数据服务器。 Web服务器通过TCP / IP协议管理跟踪浏览器和应用程序服务器之间的数据传输。应用服务器提供通信服务和数据库访问控制服务，电信服务负责通过GPRS网络从热交换站的在线热字监测设备接收数据。同时，它可以执行分析和储存处理。数据访问控制服务负责管理客户数据库的业务逻辑控制。数据库服务器包括点运行时间，基础库，标准库和历史库四部分，用于实现对热字符的监控数据存储和管理。其内容包括分散地理信息空间数据，热交换站热数据的数据属性和热字符的历史。由于B/S三层结构的设计和WebGIS的集成，跨平台运行在互联网，专网或局域网上，用户可以通过网络实现空间数据查询，属性数据查询，多媒体信息查询，制作特殊图表。此外，它还可以进行各种空间检索和空间分析，使用户可以更直观，更方便地管理热敏字符监测数据。
另外，在调度中心网络中，网络服务器与全厂管理信息系统（MIS）网络连接，负责将各种运行参数发送到MIS网络，完成关于上级的数据分析和数据挖掘相应的MIS软件等功能，大大提高了网络的运行性能。这里，网络服务器和MIS网络数据服务器的数据接口是选择配置软件来进行二次开发。软件操作画面的设计可以使用主菜单形式，通过单击按键来切换画面，画面应包括加热流程画面，参数显示和控制画面，报警画面等。主菜单包含了每个图面的切换按钮，操作人员可以根据维护系统的实际需要输入每张图片进行监控和操作。但是，关键参数的修改是通过分级许可证系统进行限制的。如果操作员无法访问，系统将拒绝修改。在节能监测中心的开发中，数据库开发和节能控制算法是核心。节能控制算法软件在监控中心PC上运行，并通过GPRS向PLC控制器发送节能控制指令。
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- 系统过程控制的描述
在该方案中，热交换站采用的PLC可以完成以下功能：温度，压力，流量，液位信号的采集;每个调节器的现场控制；现场电机，逆变器的控制和运行监控。在热交换站，通过触摸屏可以控制各种设备稳定运行，简单地进行人机交互。同时，针对调节器和各种电机控制，我们设计了三种方式，分别是本地控制，触摸屏控制和遥控中心控制。
1）根据二次供热管网供气和回水的气象温度和平均温度，可调节供水管网上的电力调节器或主供热管网中的回水管，改变流入主供热管网热交换器的流量，也可以保证向二次供热管网的供热量。
2）根据室外气象温度，二次供热管网供回水温度，供水回水压力，可以通过调节循环水泵的运行频率，改变二次供热运行流量供应管网。（目前换热站采用的方案是循环水泵由变频控制）。
3）根据测量压力值的恒定压力点与设定压力值的对比偏差，可以通过改变供水泵的运行频率，保证恒压点恒压。
4）其中室外气象资料按照新建室外温度加权平均后送中心自动重新调整到自动控制。
- 总结
该计划实现了热交换站运行参数的集中监控。与传统管理相比，远程监控系统可以节省大量人力，物力。该系统实现热交换站部分无人值守，可以降
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