智慧水利是运用物联网、云计算、大数据等新一代信息通信技术,促进水利规划、工程建设、运行管理和社会服务的智慧化,提升水资源的利用效率和水旱灾害的防御能力,改善水环境和水生态,保障国家水安全和经济社会的可持续发展。逐步实现提高节能降耗、提升运管水平等需求。
随着信息化的发展,智慧水电站、智慧大坝应用也给传统水利行业提供更大的价值体现,提升产业全面感知、共享整合、智慧管理。Hightopo三维可视化和信息技术在水利、电力、能源等领域的推广和应用,将为行业运维管理带来极大的便利,数字孪生技术将帮助优化管理流程、提升管理质量、并形象生动地展示数据。
想要了解智慧水利,首先要看到什么是智慧水利,下面为大家展示利用 Hightopo 的 HT 搭建出一个水墨风的山水大坝 3D 可视化场景。
通过三维建模,多种角度直观展示大坝主体、厂房、船闸、升船机、发电机组、闸门泄水建筑物等重点管理对象的运行态势,实现水利管理综合运营态势一屏掌握。
通过三维引擎对大坝 360 度全景浏览,以场景中鹤的飞行视角实现虚拟巡检漫游整个水利设备。
大坝安全监测主要分为渗流、内部、环境量以及变形监测。监测仪器主要包括位移计、渗压计、应力计等。监测数据分为:不具有方向性的标量信息;包括上下游、左右岸以及坝体垂直方向的矢量信息。
监控指标主要包括变形、应力、渗流量等,其中可以依据水工建筑物手册确定大坝安全系数,拟定应力预警值;再结合典型大坝渗流分析结果拟定渗流量的监控预警值。
支持集成各类监测系统数据,基于地理信息系统(Geographic Information System,GIS),直观展示自建、报汛和共享水雨情测报站点等要素的分布、覆盖面积、类型和监测信息,结合专业分析预测模型,对流量、流速、降雨(雪)、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等水情参数进行多维度分析,对异常水情进行可视化预警告警,辅助用户及时掌握水情动态,提升对水害事故应急相应效率。
综合来看,智慧水利的内涵主要有三个方面:
(1)新信息通信技术的应用。即信息传感及物联网、移动互联网、云计算、大数据、人工智能等技术的应用。
(2)多部门多源信息的监测与融合。包括气象、水文、农业、海洋、市政等多部门,天上、空中、地面、地下等全要素监测信息的融合应用。
(3)系统集成及应用,即集信息监测分析、情景预测预报、科学调度决策与控制运用等功能于一体。其中,信息是智慧水利的基础;知识是智慧水利的核心;能力提升是智慧水利的目的。
通过 HT 可视化,运维管理人员可直观具体的获取一手资料,分析大坝及基岩的运行状态,掌握大坝的工作形态,评价大坝安全状况,发现大坝异常提供依据。图扑软件的 HT 可视化可帮助用户清晰、快速的定位监测仪器设施,及时获取相关测点的监测基础信息。依托智慧水利平台,实施监管信息预处理、行业监督稽查、安全生产监管、工程质量监督、项目稽察和监督决策支持等,构建水行政智能应用,实现资产智能监管,移民智能监管,项目智能规划和智慧机关建设等。
NHR系列智能显示控制仪表RS-485通信中应用
01摘要
NHR系列智能显示控制仪表是经过多年开发制造经验而设计生产,集诸多全新功能于一身的新一代智能显示控制仪表。针对现场温度、压力、液位、速度、流量等各种信号进行采集、显示、控制、远传、通讯、打印等处理,构成数字采集系统及控制系统,广泛运用于电力、石化、冶金、轻工、制药、航空等诸多领域。产品的EMC设计符合GB/T176262-11相关规定,同时产品取得了CE认证。
02产品的市场背景
在自动化控制领域,随着分布式控制系统的发展,在产业上的分布式控制系统中,经常需要采用串行通讯来达到远程信息交换的目的。目前,用于串行通讯的接口标准包括:RS-232、RS-422、RS-423和RS-485。RS-232是最早的串行接口标准,广泛应用在短间隔、较低波特率串行通讯中。其后发展起来的RS-422、RS-485是平衡传送的电气标准,比起RS-232非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的进步。RS-485串行接口的电气标准实际上是RS-422的变型,它属于七层OSI (open system interconnection,开放系统互连)模型物理层的协议标准。由于性能优异、结构简单、组网轻易,RS-485总线标准得到了越来越广泛的应用。下面是关于虹润NHR 系列智能显示控制仪表在RS-485通信中的应用。
03产品的技术原理
1、系统技术方案
工业场合中,经常要用一些仪表去控制如温度、液位、流量等。在某些场合,需要1台控制器灵活地控制多台仪表,以达到设计控制目的。
本文利用标准的MODBUS RTU通讯协议与 RS-485通信指令,方便的实现与多台虹润NHR系列仪表的串行通信成功的实现了用单台控制器对多台仪表的灵活控制。可编程控制器允许在一个RS-485通信接口上连接多达100台虹润仪表,仪表大于60台时,需加一个RS-485中继器,RS-485通信口通信距离长达1KM以上。
2、RS-485总线的硬件设计
考虑到此控制系统中网络节点数较多,整个网络超过100个节点,为保证通讯的可靠性和通讯效率按照仪表在系统中实现的不同功能、数据流量、实时性要求把各仪表分布到两条总线上,而且所选器件中的RS-485芯片驱动能力均达到255点,通讯速率选96Kbps,离主站最远的节点不超过50m。
3、网络协议
为了能使具体的命令、数据在网络上正确地传输,在数据链路层必须提供一定的网络协议,保证在物理层的比特流出现错误时进行检测和校正,同时实现数据帧和命令帧的功能。然而,为保证数据传输质量,对每个字节进行校验的同时,应尽量减少特征字和校验字,而常用的数据包格式由引导码、长度码、地址码、命令码、数据、校验码、尾码组成,每个数据包长度达20~30字节,在RS-485系统中显得又有些繁杂。由于MODBUS协议是公然的通讯协议,而且被很多的工控产品生产厂家支持,该协议已广泛应用于水利、水文、电力等行业设备及系统的国际标准中,因此,本系统采用MODBUS协议作为此控制系统的网络协议。
在此控制中由于对PLC和变频器的通讯数据量小而且实时性要求不高,因此采用MODBUS ASCII方式,而对单片机的数据通讯量较大且实时性要求高,因此采用MODBUS RTU方式。
04产品的应用
考虑到100台仪表在RS485总线上的实时性、有效性、正确性,现将100台虹润NHR系列智能控制仪表通讯组网分为两条总线,分别由PLC的串口扩展口分别定义为A1、B1和A2、B2 ;下面是虹润NHR系列智能控制仪表与PLC主机连接图,见图1、图2:
图1:虹润仪表与PLC组网图
图2:虹润仪表与PLC组网图
1、虹润NHR系列智能显示控制仪表通信参数配置
(1)、通信方式为RS-485, (1个起始位,1个或2个停止位,8位数据,无奇偶校验)
(2)、通信传输数据的波特率(12K 24K 48K 96K 192K)可在仪表叁数baud中设定
(3)、通信协议为标准Modbus Rtu 模式
这里重点突出可编程控制器与虹润NHR仪表RS-485接口部分。在工业现场,RS-485通信是应用较多的一种通信方式,图中可编程控制器通过RS-485通信接口与多个NHR仪表相连接,最多可达到100台,每台仪表被赋予各自的地址码,用以识别身份,( 地址码可在仪表叁数Addr中设定),子单元和主单元采用地址轮询方式。这样可编程控制器的RS-485通信口便能通过RS485总线对挂在下面的所有仪表进行控制 *** 作。
2、虹润NHR系列智能数字显示控制仪通信数据流解析
本通信协议采用标准ModBus协议,采用RTU(十六进制数)传输模式。ModBus协议是一种主---从式协议。任何时刻只有一个设备能够在线路上进行发送。由主站管理信息交换,且只有主站能发起。主站会依次对从站进行轮流查询。只有当从站地址与轮询地址相匹配,从站才能回复消息。从站之间不能进行直接通信。协议桢中不包含任何消息报头及消息结束符,消息的开始和结束依靠间隔时间来识别,当间隔时间长于或等于35个字符时,即作为检测到桢结束。如果网络内没有与查询地址相一致的从站或从站接收时CRC校验出错,主站将不会接收到返回桢,这时主站根据超时设定判断是否超时,如超时,作出重发或d出异常错误窗口动作。
协议桢定义如下:
从站地址:地址必须在1---247之间。
在同个主站网络中每个从站地址必须唯一。
0为广播地址,从站接收消息并作相应处理,但不能回复消息。
功能代码:包含读、写寄存器。
数据:以二进制代码传输。
CRC16:循环冗余校验,校验从从站地址到数据区最后一个字节,计算多项式码为A001(hex)。
(1)、通讯口设置
通讯方式 异步串行通讯接口,如RS-485,RS-232等。
波 特 率 2400~9600bps(可由设定仪表二级参数自由更改,设定仪表二级参数BT,默认4800)。
(2)、字节数据格式 HEX
一位起始位、八位数据位、一位停止位、无校验
(3)、消息桢格式(读、写功能是从主站角度定义的)
读寄存器桢
读寄存器返回桢
写寄存器桢
写寄存器返回桢
错误返回桢
功能代码表:1
错误代码表:2
3、产品
05结论
本文利用标准的MODBUS协议和虹润NHR系列智能显示控制仪表进行RS-485通信,实现了单台控制器控制多台NHR仪表的任务,并能实时检测各仪表的运行状态,整个系统控制灵活方便, 方案结构简单,开发成本低,周期短,既使在恶劣的工业环境下也能稳定工作。
随着物联网技术发展不断进步、NB模块成本不断下降、云技术与大数据的发展不断推进,当下水务领域出现了各种远程抄表的“新物种”,物联网与云计算正在迅速改造传统水务行业。
中国电信成都分公司携手天翼物联产业联盟于6月8日在中国西部信息中心举办了“水·网·云”天翼物联智慧水务研讨会。此间,新都水务的智慧水务崭新尝试浮出水面。
此外,为了快速打造智慧水务运营服务新模式,进一步拓展水务产业链的合作,全面助力智慧水务的建设,由水司、中国电信和无锡聚为科技有限公司共同签订“互联网”+智慧水务云服务系统战略合作协议。
传统水务行业的头疼之处
虽然各种智慧抄表应用的硬件开始逐渐出现在家庭用户中,但其实当下的水务行业从业者并没有轻松很多,这又是什么原因呢?
因为当下水务系统的信息化程度普遍过低,一个水务公司往往有几十套系统,系统之间数据形成孤岛,连数据调用都十分困难更不用提“数据的二次利用”了。
无锡聚为科技有限公司副总经理常峰涛与昆山市自来水集团有限公司信息中心薛颖均表示,当下水务公司大多处于“粗放式”的管理模式,诸如管网监测等还依靠传统的模式。
薛颖说:“昆山自来水的信息化很大程度上是客户倒逼的成果,譬如微信、支付宝支付水费、譬如电子账单等功能。”
虎哥了解到,并不是水务公司不愿意做信息化更好为客户服务,而是出于以下多种原因,让水务公司难以进行信息化改造。
1
水务系统过于复杂
水务系统是个相当复杂的系统,从源头到端都可以包括在内,更不用提“智慧水务”了。建设部城市水资源中心所长、中国城镇供水排水协会秘书处副主任周长青先生表示:智慧水务是一个庞大的系统,系统内又可以分众多子系统。现在没有企业能够完全打造出“智慧水务”,只是针对某些细分领域在做,目前来看智慧水务没有龙头企业。
正是因为系统过于复杂,所以水务同样需要复合型人才。但是目前来看,县级水务公司很难留住一个IT人员,所以在运维管理方面水务公司的信息化程度也就相对较低。
2
信息平台并未打通
虽然很多水务公司都在进行信息化的建设,但是由于各个系统之间信息化建设时间不同、厂商不同、标准不同等问题。所以数据很难实现跨系统之间的调用分析,更不用提跨公司统一管理或者监控了。
华北水利水电大学、城市水务研究院侯煜堃博士介绍:“就拿一个很简单的例子‘管网漏损’监测来说,水务公司要监测到漏损,需要调用的有GIS数据、区域流量数据、营收数据、客服系统数据、巡检系统数据。但这些数据根本没办法实现统一分析,所以当下对于漏损情况,只能采取原始的‘换管,换表’等成本高、效率低的补救措施。”
3
投入成本高昂
如果选择靠谱的方案提供商,为水务公司建立整体的信息化系统的话,成本会有多少呢?常峰涛认为,单就软件平台的投入就需要300到500万左右,这还不算其他的硬件等方面的投入。
这对于水务公司来说,改造成本还是过于高昂,更不用提用户不到5万的县级水务公司了。
4
后期运维困难
即便是水务公司建立起自己的信息化系统,后期的运营保障谁来负责?水务公司核心业在“治水”而不是IT运维,更不懂大数据、云计算等技术。
更多的水务公司,往往是5-7人管理着30多套系统,还要负责公司的新风系统、机房系统等维护,本身已经焦头烂额,进行数据的精细化运营更是不现实。
5
行业缺乏标准
由于每个企业的技术不同、标准不同,带来的另一个问题就是“行业标准”的缺失。
周长青认为:“水务行业缺乏一个统领性权威性的标准,协会标准只要是协会都可以制定,但权威性显然就不如建设部。但现在来看协会关于水务的标准都相对缺失,都是每个企业自己在用自己的标准,长期来看不太适合行业发展。”
6
信息安全性保障差
水务公司记录着本地每户居民的“居住位置、身份信息、消费数据”等敏感信息,而当下水务系统对于数据安全性的保障方面。
一家自来水公司的信息中心主任郭建飞说:“现在想想还是很可怕的,我们用户的用水等30多万数据在服务器中,公司员工只要有权限就能下载。如果信息安全保障的不到位,那么问题无疑很严峻。”
SaaS平台解决水务公司信息化改造
为了快速打造智慧水务运营服务新模式,进一步拓展水务产业链的合作,全面助力智慧水务的建设,由水司、中国电信和无锡聚为科技有限公司共同签订“互联网”+智慧水务云服务系统战略合作协议,打造“水网云”的一站式智慧水务应用服务平台。
借用中国电信天翼云物联平台(无线网、NB网络、光纤网络),未来的中小水务公司可以实现像SaaS平台一样,通过购买服务的方式实现信息化改造。
也就是说,原本水务公司需要花费百万进行信息化改造,未来可以实现按年缴费(譬如每年10万)即可享受智慧水务方面的服务。
具有这些特点:网络接入形式多样、托管模式成本低、广泛适应多厂商设备多协议、安全保障级别高、无需运营维护……通过一站式的水务云服务,水务公司可以实现以较低的成本享受远程抄表、手机设备巡检,DMA漏水监测,水质在线监测等众多功能。
同时水务公司将不用担心维护问题,四川电信将为水务公司提供维护服务,而水务公司可以专注于核心业务为用户提供更优质的服务。
在研讨会上,虎哥了解到这套水务云服务系统最初是聚为想和BAT互联网巨头中的一家共同打造的,结果谈了半年并没有实践,最后发现电信才是最合适的选择。
“因为他们的服务没办法做到覆盖到每个乡镇,但是电信可以,电信能把服务覆盖到每个水务公司。”无锡聚为科技有限公司副总经理常峰涛说。当然除此之外,虎哥认为电信作为运营商,安全性的保障也是水务公司需要考虑的因素之一。
电信搭建智慧水务基础设施
在这背后,则是四川电信在网络建设、物联网搭建、产业推进等多个方面进行努力的结果。
物联网方面,作为首批7个NB-IoT试验省份,自2016年12月以来,中国电信四川公司重耕800MLTE网络,累计投入上亿元打造物联专网。2016年12月10日,成都800M专网率先开始实施,各市州也陆续进行网络改造。
2017年5月,中国电信率先建成全球覆盖最广的新一代商用物联网NB-IoT网络,全国NB-IoT基站总量33万,开通率达97%,其中四川基站总量24万,开通率达100%。具备低功耗、海量连接、深度覆盖等多项优点的NB-IoT物联网应用正全面走向市场。
借助NB-IoT网络的优质覆盖,中国电信四川公司积极布局全省物联网,聚焦智慧城市公共设施服务和行业垂直领域,重点在智能气表、智能水表、智能井盖、土壤检测、智能安防、水质监测、智能停车等领域成功开展多场NB-IoT外场试验。在智能抄表领域,我们在成都市新都区、天府新区,已经开展智能燃气、智能水务试点,现在数千台NB水表、燃气表已投入使用。
产业推动方面,2017年9月中国电信四川公司联合华为、中兴、四川长虹、四川九洲等10余家副理事长单位,并依托电子科大、西南交大的专业技术支持,共同成立具有四川特色的四川天翼物联产业联盟。
另外值得一提的是,为了推动四川物联网产业发展,四川电信打算在资金方面增加支持力度。中国电信四川公司政企客户部总经理杨斌介绍,天翼物联产业联盟打算成立基金,为川内从事物联网的企业提供资金支持,而目前针对四川的基金规模大致是10亿。
同时,中国电信四川公司和九洲集团、五粮液等公司成立物联网联合实验室,将物联网业务发展与本土企业的产业链相结合,构建产、学、研一体的物联网生态圈。帮助物联网企业在推广产品前进行场景化的试用,从而完成试错过程。
DTU应用示意图
DTU,简写来自于Data Terminal
unit,直译为数据传输单元,专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。是物联网M2M传输设备中的一种,应用场景主要有透明数据传播等。
通过监视,测量安装远程现场的传感器和设备,并负责信号传输。还可以通过自身软件系统,对现场设备进行遥测、遥控、遥信和遥调“四遥”
的功能。主要的应用是水文水利,温湿度监控、热网监控、燃气监控、环保检测、气象监测、交通控制等行业上。
基本功能
1)数据通信:DTU内部内部集成TCP/IP协议栈,支持Modbus RTU转Modbus
TCP;利用公用GSM/SMS/GPRS/3G/4G无线网络为用户提供无线长距离稳定可靠的短信以及数据传输功能。支持短信和数据透传;支持AT
Command。
2) 数据采集:采集串口设备数据,如串口仪表、采集器、PLC,SCADA等。
3)
支持永久在线:DTU包含了数字量变位触发或脉冲计数事件触发、定时器触发、语音呼入触发、短信触发多种上线模式;内置强大的定时器功能,支持定时自动上报、定时上线、定时下线、定时重启等功能;设备支持永久在线。
4) 支持主从:支持主从服务器,服务器可为DNS或者IP地址。
5) 远程管理:支持远程短信重启设备以及配置设备参数功能;支持远程程序升级、远程短信配置参数查询。
6) 可编程:强大的可编程功能,支持自定义握手协议、心跳包内容以及下线协议等。
7) 支持USB: 支持USB接口通过电脑配置软件进行参数的配置、读取、数据监测、AT指令以及程序的升级;
通俗的说物联网就是东西和东西直接连起来的网,主要的表现方式就是在不同领域的应用。举个例子,以往抄水表都是挨家挨户的去看水表,现在通过物联网技术就可以实现网上抄水表,只需要在一定的范围内建一个基站就好了,通过基站把水表和控制后台都连起来,就是用得物联网啦。前几天新闻里,智恒科技和锐捷网络签了个20万个终端的协议,就是用在智能抄表的。
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