GPRS/CDMA系統在油田管道中進行實時監控的解決方案

第一部分 前言
        

在石油的開采、儲運等生產過程中，尤其是成品油儲運過程的動態監測是生產管理的重要工作內容，也是保證油田正常、安全、經濟運行的重要手段，在西方發達國家自動化數據采集與控制（SCADA）已經成為生產的配套設施。
         隨著人類科技水平的提高，以及高科技技術的運用。使得對輸油管道的實時動態監控成為可能。動態監測的主要內容包括管道及油井的泄漏監測、壓力超高保護、溫度異常、含水超標等。油田被稱為“沒有圍墻的工廠”，油井、集輸站、聯合站星羅棋布，偏遠分散，而石油的整個生產流程又通過管道連接起來，成為一個壓力系統，可謂牽一發而動全身，特別是管道及油井的泄漏事故時有發生，給油田單位造成巨大的經濟損失和環境污染。因此，實現油田生產系統的動態監測，對于及時發現泄漏等故障、優化生產運行參數、減少盜油犯罪案件的發生、提高油田的現代化管理水平等具有重要的意義。

第二部分 GPRS網絡簡介
    

GPRS是通用分組無線業務(GeneralPacketRadioService)的英文簡稱，是在現有GSM系統上發展出來的一種新的承載業務，目的，是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發結構、同樣的跳頻規則以及同樣的TDMA幀結構。這種新的分組數據信道與當前的電路交換的話音業務信道極其相似，因此現有的基站子系統(BSS)從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務。特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數據傳送方式，GPRS是分組交換技術，具有“系統實時在線”、“按流量計費”、“方便快捷登錄”、“數據高速傳輸”、“自如切換”的優點。

第三部分 系統組成
     

GPRS無線網絡油田管道監控系統是國內先進的遠程監控技術，利用計算機技術、移動通信技術、網絡通訊技術、數據庫技術及測試技術建立的軟硬件相結合平臺。該系統運用數字移動通信技術，改變了原有傳統結構下的模擬信號傳輸結構并導入移動通信技術，在主機與分機之間實現無線通訊。具備對油田管道數據實施動態檢測，泄漏監測、壓力超高保護、溫度異常、含水超標報警、遠程信息傳輸等功能，同時開展對采集數據進行綜合分析等擴充功能的開發與研究。為科學管理設施提供了依據，提高了設備的科學利用率，實現了節能降耗指標。
     

針對管道及油井的泄漏監測、壓力超高保護、溫度異常、含水超標等動態監控。以及油井、集輸站、聯合站星羅棋布，偏遠分散，而石油的整個生產流程又通過管道連接起來，成為一個壓力系統，可謂牽一發而動全身的特點，我們設計了用GPRS無線網絡的方式實現對油田管道現場參數的數據采集和遠程傳輸方案，真正實現了油田數據的多點、遠程、實時、同步的現場數據傳輸，方便、快捷、經濟、可靠、安全的進行油田管道的分布式集中測控。

（一） 系統結構框圖
 
（二）系統說明
      整個遠程監控系統如上圖所示由三部分組成：現場采集控制部分、GPRS 數據傳輸部分、監控室數據中心。通過控制模塊完成與 GPRS DTU 的數據交互。PLC（采集設備） 定時將數據發送給 GPRS DTU，同時 PLC 實時接收 GPRS DTU 發來的數據完成相應控制功能。GPRS DTU 在收到 PLC 發來的數據會立即轉發到數據中心。
(1) 每個站點里PLC 將各信息參數實時采集后通過 RS-485 串口通信模塊將數據送往 GPRS DTU 通信模塊；同時，還可通過該通信模塊接收監控中心的指令。
(2) GPRS 數據傳輸部分在對 GPRS DTU 通信模塊進行配置時預先輸入數據中心的固定 IP 地址GPRS DTU 通信模塊收到 PLC 發來的數據后，把這些數據送到前面設置的 IP 地址網絡服務器中，通過端口映射轉發到數據中心服務器。GPRS DTU 發送數據的過程為：數據送到中國移動GPRS 網絡中，然后再經過 Internet，最后在數據中心通過 ADSL 進行接收。
(3) 監控室數據中心由 ADSL MODEM、網絡服務器、防火墻、數據中心服務器、工作站。數據中心服務器通過 ADSL Modem 接收來自每個站點的數據，并對數據進行存儲、歷史趨勢分析、報表打印等。

（三）系統主要功能
•   遠程自動監測功能：能根據用戶的要求，對油田站點的現場數據進行采集、統計、分析、并自動生成各種報表和圖表，建立和存儲每個油田站點的歷史檔案；
•   故障告警和提示功能：能監測現場情況，并上報管理中心，通知管理人員前去處理；
•   遙測功能：能在數據管理中心對轄區內各油田站點的泄漏監測、壓力超高保護、溫度異常、含水超標、防盜等進行測量；
•   遙控功能：通過I/O控制，能對現場設備進行操作控制，例如啟動機泵、卸壓處理及安全保護裝置，報警、切斷電源等；

第四部分 TD-8600型RS485/422轉GPRS無線數傳 DTU 產品特點
      TD-8700S型RS485轉GPRS轉換器，無線數傳終端GPRS DTU為各種帶有RS-232、RS-485標準通信接口的傳感器、智能設備和工業控制設備提供透明數據傳輸通道。用戶不用知道復雜的GPRS通訊原理和TCP/IP協議，不用更改原有程序，就可以讓工業用的RS232/485串口設備的串口通信立即轉換為GSM/GPRS無線網絡通信。變傳統串口通訊為GPRS無線網絡通訊。TD-8700S內置TCP/IP協議棧透明傳輸數據，它不對設備上傳和下發的數據包進行解釋與處理，僅對用戶數據包實施TCP/UDP數據封包與拆包處理，從而實現數據透明傳輸的功能。廣泛用于長距離無線通信或遠程控制。 

    
    1. 使用方便、靈活、可靠 、配置維護接口 
    2. 符合GSM/GPRS通訊標準，支持虛擬數據專用網   
    3. 數據終端永遠在線 ，透明數據傳輸與協議轉換 
    4. 支持點對點、點對多點、多點對中心等數據傳輸短消息數據備用通道   
    5. 一個RS232串口，支持RS-232/485， 內置GPRS模塊 
    6. 抗干擾設計，適合電磁環境惡劣的應用需求   
    7. 路由與虛擬地址轉換服務(NAT)  無線、實時、大數據量通信  
    8. 控制端不需要多用戶卡、Modem之類的設備，只需要控制端上網  
    9. 低端串口設備快速無線聯網，大數據量通信  
    10.通信效果取決于GSM/GPRS網絡的建設  
    11.數據通信穩定，數據傳輸速度快，數據量大的優點。單程<1秒,速度可 達40 kbit/s
    12.通過超級終端類似于AT指令方式設置程序，靈活設置通信參數  
    13.支持靜態IP，域名，SMS找IP等多種主機發現方式  

   ◆ TCP/IP協議棧支持：TCP、UDP、FTP、SOCKET、TELNET、POP3、SMTP、HTTP 
   ◆ 天線接口：50Ω/SMA 陰頭    
   ◆ 數據傳輸方式：全透明數據傳輸   
   ◆ 支持參數設置：TCP客戶、TCP服務器、UDP、設備透明傳輸等模式  
   ◆ UIM卡：3V    
   ◆ 串行數據接口：RS-232或RS-485    
   ◆ 串行數據接口速率：300到115,200 bits/s    
   ◆ 功能模式：掉線自動重新撥號功能 省電模式  
    ◆ 設備功耗：待發射狀態約120mA；發射狀態約300mA，范圍200mA ~480mA
    ◆ 工作溫度：-10～+50℃    
    ◆ 儲存溫度：-20～+75℃    
    ◆ 相對濕度：95% (無凝結)   
    ◆ 設備供電： +5V   
    ◆ 工作溫度：-20℃ ～ +70℃   
    ◆ 質量保證：三年  
   

       廣泛用于樓宇自動化控制、停車場設備聯網控制、交通聯網控制、PLC控制與管理、POS機的聯網、LED屏幕控制、工廠、車間、礦井、銀行、油田監控、電氣、航海通信 、其他RS-232/485設備聯網應用等遙控領域

第五部分 系統方案
A.  公網方案
     中心用一個服務器組作為中心接收，中心采用 ADSL 等 INTELNET 公網連接，采用公網固定 IP 或者公網動態 IP+DNS 解析服務。此種方案先向 INTERNET 運營商申請 ADSL 等寬帶業務。        

1)  中心公網固定IP：監控點直接向中心固定 IP 發起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。（固定 IP 費用比較貴）        

2)  中心公網動態 IP+DNS 解析服務：大部分 IP 都是動態的，而且費用相對便宜。監控點先采用域名尋址方式連接 DNS 服務器，再由 DNS 服務器找到中心公網動態 IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定 IP 的費用，但穩定性受制于 DNS 服務器的穩定，所以要尋找可靠的 DNS 服務商。

B.  專網方案
1、根據客戶內部網對網絡安全的特殊要求，決定采用中國移動GPRS網絡的專用APN形式入網：通過一條2M 專線由信息中心接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN客戶可自建一套RADIUS服務器和DHCP服務器，GGSN向RADIUS服務器提供用戶主叫號碼，采用主叫號碼和用戶賬號相結合的認證方式；用戶通過認證后由DHCP服務器分配企業內部的靜態IP地址。
端到端加密：移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。如上圖所示。

2．APN業務流程
GPRS專網系統終端上網登錄服務器平臺的流程為：
1）用戶發出GPRS登錄請求，請求中包括由移動公司為GPRS專網系統專門分配的專網APN；
2）根據請求中的APN，SGSN向DNS服務器發出查詢請求，找到與企業服務器平臺連接的GGSN，并將用戶請求通過GTP隧道封裝送給GGSN；
3）GGSN將用戶認證信息（包括手機號碼、用戶賬號、密碼等）通過專線送至Radius進行認證；
4）Radius認證服務器看到手機號等認證信息，確認是合法用戶發來的請求，向DHCP服務器請求分配用戶地址；
5）Radius認證通過后，由Radius向GGSN發送攜帶用戶地址的確認信息；
6）用戶得到了IP地址，就可以攜帶數據包，對GPRS專網系統信息查詢和業務處理平臺進行訪問。

第六部分 結束語
      以GPRS為基礎的無線數據系統有很廣泛的應用，GPRS使互聯網進入無線領域，一直延伸到手機上。除了支持傳統的互聯網應用，GPRS也可使無線終端支持B2B、B2C的電子商務和電子支付、股票交易、銀行轉帳等應用。GPRS同樣可以應用于公司內部網(INTRANET)，基于IP的遠程LAN接入，使無線終端成為LAN的延伸，幾乎所有低速率的數據傳輸服務都可以應用，如對電力系統自動化、工業監控、交通管理、氣象、金融、環保監測、煤礦、油田、證券等行業領域的應用。

順頌商祺！