《基于VPN的自来水管网无线监控系统设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于VPN的自来水管网无线监控系统设计.pdf（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、文章编号：1 0 0 1 9 9 4 4(2 0 1 2)0 2 0 0 2 7-0 3基于V PN 的自来水管网无线监控系统设计万科星(湖南华亿电子工程有限公司，株洲4 1 2 0 0 0)摘要：以某地自来水调度系统建设为工程背景，设计了管网无线远程监控系统。采用虚拟专用网(v P N)技术建立了自来水分散管网点与中控室的通信。简要介绍了V P N 的定义及在工业领域的优势，阐述了V P N 网络在其中的关键作用并讨论了P L C 和监控软件的实现。通过现场运行证明该方案具有较强的可行性。关键词：自来水管网；虚拟专用网；无线监控系统；P L C中图分类号：T P 2 7 7文献标志码：BD
2、e s i g no fT a pW a t e rP i p eN e t w o r kW i r e l e s sS u p e r v i s i o nS y s t e mB a s e do nV P NW A NK e x i n g(H u n a nH u a y iE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gC o，L t d，Z h u z h o u4 1 2 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：Ap i p en e t w o r kw i r e l e s ss u p e r v i s i
3、o ns y s t e mw a sd e s i g n e df o rt a pw a t e rd i s p a t c h i n gs y s t e mw h i c hu s ev i r t u-a lp r i v a t en e t w o r k(V P N1 t e c h n o l o g yt oc o m b i n ec e n t r a l c o n t r o lr o o mw i t hs c a t t e r e dp i p en e t w o r k T h ef u n c t i o no fV P Na n ds u p e
4、 r i o r i t yi ni n d u s t r yw e r es t a t e di nd e t a i l，i nw h i c ht h eV P Nn e t w o r kd e s c r i b e dt h ek e yr o l e，a n dt h er e a l i z a-t i o n o fP L Ca n ds u p e r v i s i o ns o f t w a r ew e r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r T h eo p e r a t i n gr e s u l t
5、s h o wt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d K e yw o r d s：t a pw a t e rp i p en e t w o r k；v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k(V P N)；w i r e l e s ss u p e r v i s i o ns y s t e m；P L C在城市供水中。随着城市规模的不断扩大，用水量逐渐增加自来水供水系统的重要性越来越突出。通常取水需要在独处水源井进行，然后通过集中管网供水或通过分区域分别供水川。但是水源井一般分布分散、距离远，使
6、得人工巡检方式效率太低调度处于低级阶段。而且也不利于搭建有线网络。本文提出通过无线网络对自来水管网监测点进行远程控制和数据监测。实现管网的稳定供水、企业成本的降低以及竞争力和效益的增加。1系统原理自来水公司中心机房与多个管网监测点距离相对较远。而且大多数管网监测点地理位簧偏远。如果继续沿用传统的人工巡检方式，每天都需要派出专人奔赴不同的管网点查看情况，费时费力而且一旦遇到紧急故障，更是不能及时处理。随着远程控制的发展本系统最初考虑采用A D S L 网络但是大多数管网点都地处偏远，不适合搭建有线网络。中控室主要完成对各个管网监测点的实时监控。是系统的信息采集和控制中心，中控室采集各站点的数据信
7、息，并对这些信息存储、分析汇总或打印等处理。通过数据分析，及时给出报警信息或向站点发出控制命令，控制站点设备运行，以实现整个系统的调度和管理。收稿日期：2 0 1 l 一0 8 2 5：修订日期：2 0 1 l _ 0 9 3 0作者简介：万科星(1 9 7 6 一)，男，工程师，主要从事远程控制及智能控制方面的研究。自动化与仪表2 0 1 2(2)国万方数据1 1 解决方案随着网络技术的发展V P N 技术也逐渐应用在工业控制中。V P N 是指在公众网络上所建立的内部网络。是虚拟的，节约了大量资金去建设实际网络所能达到同样的效果 2 1。在每个偏远的管网站点和自来水公司中控室内建立V P
8、N 隧道，使中控室和每个管网点处于一个局域网内省去了以往传统方式所耗费的大量人力和财力。而且当地G P R S 信号质量好，只要手机信号覆盖到的地方就都可以进行数据采集和人为控制。1 2 系统结构整个系统采用两级控制一级为中心控制室。是信息存放、处理的中心，采用固定I P 方式上网。数据流量大。在中控室配置V P N 路由器一台(带服务器功能)，可实现与客户端无缝连接，轻松组建V P N网络。二级为管网监测点远程测控终端，由可编程序控制器(s 7 1 2 0 0P L C)系统、V P N 路由器及检测仪表组成负责多个管网监测点的数据采集、无线传输的自动控制。系统结构图如图l 所示。退篇登姻；
9、攀簟审一I l，I 1 lI I I圈1 系统结构图F i g 1S t r u c t u r eo fs y s t e m2 工业领域中的虚拟专用网虚拟专用网络(V P N)是指通过公共网络建立私有数据传输通道(即隧道)，将远程的分支机构、商业伙伴、移动办公用户等安全连接起来的一种专用网络技术，它的实现是通过隧道技术进行连接，是目前和今后企业网络发展的趋势p】。随着工业制造技术和自动管理控制技术的不断进步，许多大型企业都要求各个异地分厂或每个测量站点、中转站的设备主要运行参数实时地汇总到总厂的调度中心以方便监控和调整，在这种背景下，V P N 和工业技术的结合就越来越多。司2 1V P
10、N 在工业领域的优势V P N 技术相当于在通信伙伴的两端搭建了一条虚拟的专线然而与实际的专线技术相比，V P N技术有下列优点：安全性非常高，保护数据传输的完整性和保密性，特别适合于工业领域；采用T C P I P 技术，其目前是开放性最好的协议。可以轻松进行系统扩展；投资成本低，设备一次性投人，长期看来大幅度节省支出可以大幅度节约企业成本；有多种带宽可供选择。而且升级非常方便 4 1。2 2V P N 技术与工业控制技术的结合随着V P N 技术和现代工业技术的发展，两者的结合越来越被广泛地应用在实际应用中。由于V P N的搭建有多种方式：如可以在网关与网关之间、在终端设备与网关之间、在终
11、端与终端之间。但是大多数工业控制器如P L C 本身不具有V P N 功能。所以在工业控制中终端与终端之间建立V P N 是不可以的。同时根据调查在L A N t o L A N 连接时。用V P N较使用专线的成本节省3 0 5 0 左右：而就远程访问而言，用V P N 更能比直接拨入到企业内部网络节省6 0 一8 0 的成本因此V P N 在工业中的应用具有广泛的前景 5-6 1。3 系统设计实现本系统由下位机(西门子S 7 1 2 0 0P L C)、上位机(工控机。采用W i n C C 监控软件)及远程通讯系统三部分构成，上位机和下位机是基础，它们之间的通讯是由V P N 构成的远程
12、通讯系统来实现的。3 1 远程通讯实现3 1 1 组网分析在供水管网远程监测系统中。由于各管网监控点分布范围广、数量多、距离远，个别站点还地处偏僻，因此架设光缆难度大、费用高。向电信部门租用专用电话线又要申请很多电话线。而且有些监控点线路难以达到。况且采用电话线路时需要等待漫长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高，不切合实际。总之监控系统采用有线通信方式建设周期长、丁作难度大、运行费用高，不便于大规模使用：与之相反，无线通信方式则显得非常灵活，具有投资少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。在众多的无线通信方式中，选择G P R S，其信号质量好，目前已覆盖全国，基本不存在盲点；实时性强
13、，系统无时延；采用包月计费方式，运营成本极低；瓣警毋万方数据而且设置简单。和V P N 路由器结合方便。V P N 网络：目前V P N 网络中P P T P 和L 2 T P 协议是应用最广泛的考虑到工程有多个V P N 客户端，P P T P 只能建立单一隧道。而L 2 T P 可以支持多隧道并且能根据不同的服务质量创建不同的隧道。因此，采用L 2 T P 通讯协议1 4 1。3 1 2V P N 实现每个管网点新增l 台V P N 路由器作为V P N客户端使用。图l 为V P N 隧道实现的网络结构图首先在上位机路由器上进行配置，设置V P N 服务器。包括网络接入方式，V P N 隧
14、道传人的用户名和密码等。泵站的V P N 路由器作为V P N 客户端(需要设置用户名和密码)，当获得I n t e r n e t 访问权限后便直接向P P P 会话点发起L 2 T P 隧道连接请求，同时上位机V P N 服务器对其进行认证，认证通过后终端获得隧道I P：2 0 0 2 0 0 2 0 0 5 中控室的隧道I P是2 0 0 2 0 0 2 0 0 1。这样泵站的V P N 路由器和中控室的工控机就组成了一个私有的安全的局域网。局域网内的各台设备就可以互相通讯。此时建立的V P N 隧道是上位机和V P N 路由器之间的隧道最后的目的是访问V P N 路由器后面的P L C
15、 因此需要添加一条静态路由把P L C 的I P 地址和P L C 端的V P N 隧道I P 添加进来，便实现了J：位机对P L C 的远程访问。当新的远程监控需求时，只需在新的管网点配备带V P N 客户端的路由器便可实现功能，同时L 2 T P 可以针对不同的服务器质量创建不同的隧道，满足工艺需求。3 2 下位机和上位机的实现3-2 1下位机实现各管网监测点的P L C 采用西门子公司的S 7 1 2 0 0 系列这款P L C 是西门子公司推出的新产品，定位于中小型P L C 其I O 点数、内存容量均比之前的s 7 2 0 0 多出3 0 同时集成了H M IT 程组态和P r o
16、f i n e t 接口可以灵活地和第三方通讯非常适合水处理和远程控制领域。根据控制要求，P L C 硬件主要包括P M 电源模块、C P U 模块、模拟量模块和数字量模块。P L C 的组态和编程通过S T E P 7B a s i cV 1 0 5 实现，在编程风格上更接近S T E P 7，具有硬件组态、通信组态、程序编写、故障诊断等功能t T i。因为P L C 后面连了V P N 路由器。在组态C P 模块时。需要进行喜动怔与投衰2 0 1 2(2)网关设置(地址为路由器I P)，如图2 所示。各监测点的P L C 程序用结构化编程实现。采用可读性较强的梯形图，由O B、F C、S
17、F C、D B 块组成。实现监测点的数据采集和自动控制。自 t o“o n 忡d_ dt I f r n 吐：5：，：t t N r-h I：i。I图2V P N 功能硬件组态图F i g2H a m w a mc o n f i g u r a t i o no fV P Nf u n c t i o n3 2 2 上位机监控系统上位机监控软件选用西门子公司的W i n C C 软件，其支持多种通信协议，拥有强大的组态功能和脚本扩展功能被广泛应用于现代工业。因为W i n C C 软件没有S 7 1 2 0 0P L C 的驱动因此要通过O P C 进行连接在上位机中通过S I M A T
18、I CN E T 软件来实现O P C 功能，建立W i n C C 与S 7 1 2 0 0 之间的通讯。V P N 建立之后中控窒丁控机与各个管网监测点的P L C 就在同一个局域网内按照普通的连接方法来建立W i n C C 与P L C 的连接，在O P C 服务器中建的变量可以观察到状态为“g o o d”此时通讯便建立起来，监控画面便町以看到数据。监控I 田i 面主要包括泵站的实时数据和设备状态显示、报警、趋势图等可以实现监视生产流程的运行状态、控制设备启停、分析运行数据做障报警。上位机监控画面如图3 所示目。图3 上位机监控画面F i g3S u p e r v i s i o
19、np i c t u r eo fu p p e rc o m p u t e r(下转第3 2 页)i 西万方数据近。图5 表示的是将模型输出与实际输出相比较的相对误差可以看出误差满足要求。所以可以得到结论：对这个对象建立的预测模型是合理的。0 5装0霞霹-0 5x 1 0 r al l l l l 懈槲州衅中-；Ol O2 03 04 05 06 07 08 0样本序数图5 相对误差F i g 5R e l a t i v ee r r o r3 过程控制仿真将上述预测结果用于补偿修正空燃比设定值，对控制过程进行仿真，设系统的期望输出竹=1 0。图6 显示对象在常规控制方法和神经网络预测补
20、偿控制方法下的效果图，虚线表示在常规P I D 控制下的输出实线表示在神经网络预测补偿控制下的输出从图中可以看出在常规控制下的响应曲线最大超调6=8。调节时间t,=6 0 s；在神经预测补偿控制下的响应曲线最大超调艿=2 5，调节时间，3 5 s。通过对比显示使用神经网络进行预测控制可以使控制效果有明显的改善。o o o o o o o o=，o o o o o o o o：(上接第2 9 页)1 2零1面0 8舡0 6坚o 4铎0 20：iij预测控制P I D 控制0；：，、L，?、一iil，。i 广l、一ll广f,4-7；亨一-!，；7；!；，llii，7iit，|，：O5l O1 52
21、 02 53 03 54 04 56 0，s图6 两种控制效果的对比F i g 6R e s u l tc o n t r a s t4 结语本文针对加热炉常规空燃比控制烟气含氧量遇到的时间滞后大、非线性、多变量耦合问题。提出利用神经网络预测炉气含氧量。并将预测结果用于空燃比设定补偿修正的控制技术。仿真结果表明：改进型E l m a n 网络预测模型的预测输出可很好地逼近实际检测值。神经网络预测补偿控制效果远高于常规P I D 控制。上述结论已经用于多家加热炉的控制系统。取得了良好的控制效果和经济效益。参考文献：【l】邓伟，张字，杨大正，等钢坯氧化烧损影响因素试验研究田冶金能源2 0 0 6。
22、2 5(6)：3 9 4 0，5 0【2】2E I-M e l i g iA A E f f e c to fh e a t i n gr a t e so nt h ef o r m a b l eo x i d es c a l eo naC-s t e e lS u r f a c e【J】J o u r n a lM a t e r i a l sS c i e n c eT e e h n o l o g y，2 0 0 4，2 0(5)：5 9 1 5 9 4【3】何玉彬。等神网络控制技术及其应用【M】北京：科学出版社，2 0 0 0【4】谢庆国，万淑芸，赵金一种E l m a n
23、 回归网络的设计方法【J】华中科技大学学报，2 0 0 2，3 0(3)：2 2 2 4 o o o：o o o o C o o：o4 结语自来水管网远程监控是城市自来水调度系统建设的趋势。该系统投入运行近一年来，降低了故障率、缩短了检修时间、减少了停水次数，当出现故障时可以在最短时间内解决。相比其他远程通讯方案。采用V P N 技术大大降低了网络建设成本，并且安全性能好，操作简单方便、直观，为其他自来水监控系统积累了宝贵经验。参考文献：【l】叶茂俊，黄保平，刘静成都市自来水公司远程无线S C A D A 系统的构建与应用们自动化信息，2 0 1 l(1)：6 6-6 8 囵一【2】程思，程家
24、兴V P N 中的隧道技术研究们计算机技术与发展，2 0 1 0，2 0(2)：1 5 6 1 5 9【3 1 金汉均V P N 虚拟专用网安全实践教程【M】北京：清华大学出版社2 0 1 0：2 3 5 2 7 9【4】黄浩，谢冬青L 2 T P 下可信的V P N 方案设计与实现【J】计算机T 程2 0 0 6，3 2(2 0)：1 5 7 1 5 9【5】魏广科V P N 技术及其应用的研究【J】计算机工程与设计，2 0 0 5，2 6(3)：7 1 4 7 1 5【6】W a n gLN，Y uG D e s i g no fv i r t u a lp r i v a t en e
25、t w o r kf o rav i r-t t u de n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i n gs y s t e m J P r o co fW e b A g eI n f o r m a t i o nA n n g e m e n t，2 0 0 0，3 9(6)：1 6 5 一1 7 7【7 1 柴瑞娟，陈海霞西f】子P L C 编程技术及工程应用【M】北京：机械丁业出版社2 0 0 7：2 5 3 2【8】李建民，裴永清，董国军基于P I E 与W i n C C 的污水处理字的监控系统的设计【J】工
26、业仪表与自动化装置。2 0 1 l(2)：2 0-2 3 一万方数据基于VPN的自来水管网无线监控系统设计基于VPN的自来水管网无线监控系统设计作者：万科星，WAN Ke-xing作者单位：湖南华亿电子工程有限公司,株洲,412000刊名：自动化与仪表英文刊名：Automation&Instrumentation年，卷(期)：2012,27(2)参考文献(8条)参考文献(8条)1.魏广科 VPN技术及其应用的研究期刊论文-计算机工程与设计 2005(03)2.黄浩;谢冬青 L2TP下可信的VPN方案设计与实现期刊论文-计算机工程 2006(20)3.金汉均 VPN虚拟专用网安全实践教程 201
27、04.程思;程家兴 VPN中的隧道技术研究期刊论文-计算机技术与发展 2010(02)5.叶茂俊;黄保平;刘静 成都市自来水公司远程无线SCADA系统的构建与应用 2011(01)6.李建民;裴永清;董国军 基于PLC与WinCC的污水处理字的监控系统的设计 2011(02)7.柴瑞娟;陈海霞 西门子PLC编程技术及工程应用 20078.Wang L N;Yu G Design of virtual private network for a virtual enterprise information integrating system 2000(06)本文读者也读过(10条)本文读者也读
28、过(10条)1.宋祖安 自来水管网监测预警终端设计方案期刊论文-当代人（下半月）2008(6)2.自来水公司为何还要购进自来水呢？期刊论文-财会学习2011(6)3.罗维平.LUO Wei-ping 模糊控制算法在自来水监控系统中的应用期刊论文-武汉科技学院学报2005,18(8)4.区卓敏 浅谈自来水企业信息集成的应用会议论文-20105.蔡利民.杨晓林.CAI Li-min.YANG Xiao-lin 用人工神经网络方法设计与实现自来水投矾控制期刊论文-江汉大学学报(自然科学版)2008,36(3)6.王激扬 自来水水厂化验室管理信息系统会议论文-20067.王鼎顺.孟志强.黎有坤.Wang,Dingshun.Meng,Zhiqiang.Li,Youkun 自来水管网遥测系统的硬件设计期刊论文-微计算机信息2006,22(23)8.王钰.张忠能.俞国庆 基于ERP理念的自来水生产管理系统期刊论文-计算机工程2004,30(z1)9.肖华.Xiao Hua 西山自来水公司自动化发展的趋势及实施步骤期刊论文-山西焦煤科技2008(4)10.莫晓明.谢佩章 自来水生产关键技术自动控制系统的研究期刊论文-给水排水2009,35(z2)本文链接：http:/