垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)
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聚英電子之環(huán)保篇
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摘要:針對高壓開關(guān)設(shè)備地域分布廣而造成溫度信號采集困難和設(shè)備難以及時維修的問題,開發(fā)了一種基于通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)的遠程溫度測控系統(tǒng),該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心,利用熱電堆傳感器采集溫度,通過GPRS模塊連接Internet,利用動態(tài)域名解析的辦法與監(jiān)控中心建立連接,再把溫度信號傳到監(jiān)控中心進行分析監(jiān)控,并進行了相關(guān)測試。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)抗干擾能力強,工作穩(wěn)定,可對歷史數(shù)據(jù)進行分析,并可對高壓開關(guān)設(shè)備的溫度實施有效的遠程監(jiān)控。引言
隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展,各行各業(yè)對電力系統(tǒng)設(shè)備可靠性也提出了越來越高的要求。在201*年2月國務(wù)院發(fā)布的《同家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中,超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障被列為能源這一重點領(lǐng)域中的優(yōu)先主題。輸變電設(shè)備(特別是高壓開關(guān)設(shè)備)安全可靠性足大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障的蓖要環(huán)節(jié),因此受到了更多的蘑視。據(jù)統(tǒng)計,在輸變電沒備的運行過程中,許多故障是由設(shè)備的異常溫升而造成。目前對高壓開關(guān)設(shè)備的溫升監(jiān)測大都基于人工巡檢,用手持式紅外測溫儀獲得開關(guān)柜內(nèi)的溫度數(shù)據(jù),但由于受開關(guān)設(shè)備的元件遮擋的影響,使得紅外測溫儀器無法獲得準確的溫度數(shù)據(jù);同時人工操作中的失誤不可能完全避免,且巡檢時間間隔也過長。與此同時,我國電網(wǎng)輸變電設(shè)備分布地域很廣,當配電網(wǎng)開關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障時往往不能及時通知維修人員排除故障,導致用戶停電時間過長。如何將分散的高壓開關(guān)沒備的運行數(shù)據(jù)進行實時、可靠、便捷的傳輸是一個關(guān)鍵的技術(shù)問題。因此,基于通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)的無線數(shù)據(jù)傳輸方式足目前十分適合遠程監(jiān)控的一種通訊方式。
本研究主要探討基于GPRS的高壓開關(guān)設(shè)備遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的研究。一、組網(wǎng)方式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
考慮到各開關(guān)沒備地域分布廣泛,本系統(tǒng)要求在許多地域都能方便地通過ADSL撥號方式建立上位監(jiān)控中心系統(tǒng),為此,筆者采用動態(tài)域名解析方案組網(wǎng),具體原理如下:每次監(jiān)控中心計算機通過ADSL上網(wǎng)時,ISP(互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商)主機都是隨機分配給用戶IP地址,即所謂“動態(tài)IP地址”。而下位的各個信號采集終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接Internet時,也會被隨機分配一個IP地址,這樣,監(jiān)控中心無法以固定IP方式對各信號采集終端進行定位,因此,各信號采集終端只有及時獲取監(jiān)控中心當前的IP地址并重新設(shè)置才能與監(jiān)控中心建立通信。
針對這一問題,本系統(tǒng)采用動態(tài)IP結(jié)合DNS域名解析的組網(wǎng)方式建立通信。在該方式中,監(jiān)控中心計算機每次上線的IP可能不同,但可以通過DNS動態(tài)域名解析,在兩者之間建立關(guān)聯(lián)。采用動態(tài)域名解析方案,需要首先聯(lián)系DNS服務(wù)商,為監(jiān)控中心計算機申請一個域名,并把這個域名寫入各GPRS模塊中,監(jiān)控中心計算機接入Internet后,與DNS服務(wù)器進行連接,將當前獲得的動態(tài)IP報告給DNS服務(wù)器。
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GPRS模塊上電后,首先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器,再由DNS服務(wù)器找到服務(wù)器公網(wǎng)動態(tài)lP,這樣就可以在兩者之間建立通訊。此種方式可以減少申請和使用公網(wǎng)靜態(tài)IP的開支,但其穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器,所以必須確保所選擇的DNS服務(wù)器穩(wěn)定、可靠地工作。
基于以上考慮,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。
圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由下位數(shù)據(jù)采集終端、GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)和上位監(jiān)控中心等4部分構(gòu)成。其中,數(shù)據(jù)采集終端由DSP及其外圍電路組成,數(shù)據(jù)采集終端與GPRS模塊安裝在高壓開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場。工作原理如下:
每次監(jiān)控中心通過M)SL撥號方式接入Internet時,ISP會隨機分配給監(jiān)控計算機一個IP地址,監(jiān)控計算機再通過花生殼之類的軟件將當前IP地址告知域名服務(wù)器,這時,數(shù)據(jù)采集終端的DSP通過GPRS接入Internet,對域名服務(wù)器進行訪問,獲取監(jiān)控中心IP地址,這樣雙方建立了連接。然后,DSP將采集到的溫度信號再通過TCP/IP協(xié)議傳到監(jiān)控中心,當溫度達到設(shè)定值時,DSP啟動開關(guān)柜內(nèi)冷卻風機降溫,當溫度過高產(chǎn)生報警信號時,DSP通過GPRS及時發(fā)送短消息通知值班人員通過Internet網(wǎng)絡(luò)隨時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài),遠程強行啟動備用風機,必要時進行設(shè)備維修。
監(jiān)測中心~方面通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場監(jiān)測終端進行雙向通信,另一方面為用戶提供一個可視化界面,讓用戶實時了解遠方的高壓開關(guān)設(shè)備運行狀況。并且監(jiān)測中心把定時傳送的溫度保存到數(shù)據(jù)庫中,通過對數(shù)據(jù)庫的分析,可以掌握電力負載情況,為優(yōu)化電力調(diào)度提供依據(jù)。
二數(shù)據(jù)終端硬件結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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系統(tǒng)具有抗電磁干擾能力強、安全可靠的特點。為了降低系統(tǒng)GPRS通訊費用,當溫度設(shè)備內(nèi)溫度低于50℃時,DSP每隔10分鐘發(fā)送一次測量數(shù)據(jù),發(fā)送數(shù)據(jù)前,DSP必須通過GPRS模塊獲取監(jiān)控中心IP以建立點對點的聯(lián)系,當溫度超過50℃時,DSP一方面啟動設(shè)備內(nèi)相應(yīng)的冷卻風機1降溫,另一方面,把發(fā)送數(shù)據(jù)間隔時間縮減到5分鐘,當溫度達到報警值后,DSP通過GPRS模塊發(fā)送短消息通知遠程值班人員及時處理,同時啟動冷卻風機2加速降溫,發(fā)送數(shù)據(jù)間隔時間再次縮減到3分鐘。各測量點溫度信息可以在現(xiàn)場LCD上顯示出來,便于現(xiàn)場值班人員隨時掌握該開關(guān)設(shè)備工作情況,備用風機組是當冷卻風機l、2發(fā)生故障時,在不斷電情況下更換風機時使用的,備用風機組可以在現(xiàn)場直接啟動,也可以由遠程監(jiān)控中心啟動以協(xié)助降溫。
三、GPRS終端撥號上網(wǎng)
DSP采集到的溫度值要通過GPRS模塊傳輸?shù)絀nternet上,則必須對GPRS模塊進行操作,即使用AT命令通過RS232串口控制GPRS模塊連接Internet。把數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心,GPRS模塊撥號上網(wǎng)的程序流程如圖3所示。
圖3GPRS撥號上網(wǎng)程序流程圖
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GPRS終端撥號上網(wǎng)可分為比較明顯的2個階段:①配置GPRSmodem參數(shù),進行一系列初始化,然后發(fā)送“ATDT”指令連接基站服務(wù)器;②同基站服務(wù)器通過3階段協(xié)商(即LCP配置、PAP/CHAP認證、IPCP配置)建立PPP連接。連接成功后,GPRS終端就會從移動基站服務(wù)器上獲得一個動態(tài)IP地址。接下來,GPRS終端就可以在PPP協(xié)議框架中嵌入TCP/lP數(shù)據(jù)包進行傳輸,訪問GPRS網(wǎng)內(nèi)的主機和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)(如Internet)上的主機,當然也可以訪問DNS服務(wù)器,查詢IP地址。每次GPRS終端斷線后,都會按照如圖3所示流程圖進行重撥。
四、監(jiān)控中心
監(jiān)控中心軟件基于LabVIEW而開發(fā),采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想。監(jiān)控中心管理系統(tǒng)主要由兩大部分組成:監(jiān)控部分和數(shù)據(jù)處理部分。監(jiān)控部分的主要功能足查詢監(jiān)測終端的各項數(shù)據(jù),顯示開關(guān)設(shè)備內(nèi)各接觸點溫度值,并且可以向監(jiān)測終端發(fā)送命令,啟動備用風機協(xié)助降溫;數(shù)據(jù)處理部分則包括歷史數(shù)據(jù)查看、圖形查看和報表幾個部分,歷史數(shù)據(jù)查看部分可以很方便地查詢到具體的某一臺開關(guān)柜在具體的一天的溫度變化數(shù)據(jù),統(tǒng)計溫度最大、最小值及出現(xiàn)時間,為優(yōu)化電力調(diào)度提供依據(jù)。
接收數(shù)據(jù)流程如下:上位監(jiān)控中心系統(tǒng)通過設(shè)置一個同定的不被計算機占用的端1:3作為通信端1:3,然后不斷地偵聽這個端1:3的狀態(tài),一旦端口中由GPRS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)到達時將觸發(fā)TCP控件響應(yīng)此事件,然后接收所有到達的數(shù)據(jù);再將各個數(shù)據(jù)包保存到一個字符串數(shù)組中,然后判斷各個包足否完整,如不完整則通知發(fā)送端重發(fā),若完整則提取本數(shù)據(jù)包的源地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。當所有數(shù)據(jù)包都處理完畢后退出響應(yīng)處理程序,等待下一次事件的到來。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集可以通過UDP方式實現(xiàn),也可以通過TCP方式實現(xiàn)。但通信的雙方需要選定使用相同的協(xié)議。
接收數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。
圖4接收數(shù)據(jù)流程圖
五、運行情況
GPRS模塊和監(jiān)控中心建立聯(lián)系后監(jiān)控中心運行界面如圖5所示。從該界面上,用戶可以方便地獲取監(jiān)控中心和GPRS模塊IP及聯(lián)機情況,通過開關(guān)柜下拉列表選擇不同地域的開關(guān)拒可以得到柜內(nèi)溫度情況以及冷卻風機工作狀態(tài),選中歷史數(shù)據(jù)選項,可以分析設(shè)備溫度變
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化情況,選擇報警處理,可以強制啟動備用風扇,發(fā)送信息通知相關(guān)人員及時維修。
圖5監(jiān)控中心界面
六、結(jié)束浯
經(jīng)實際測試,本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端抗電磁干擾能力強,通過GPRS與監(jiān)控中心建立連接時間不超過2S,建立通訊后數(shù)據(jù)傳輸速率達50kbps,在傳輸數(shù)據(jù)量不太大的情況下,完全滿足要求,本系統(tǒng)改變了開關(guān)柜傳統(tǒng)的就地操控方式,可以通過Internet實現(xiàn)對地域分布廣泛的開關(guān)設(shè)備實施遠程監(jiān)控,利用本系統(tǒng)所具備的數(shù)據(jù)分析功能可以繪出歷史曲線為電力合理調(diào)度分配提供依據(jù),并且為設(shè)備及時維修和故障排除提供指導。當然,基于GPRS的測控技術(shù)在安全性、可靠性和實時性等方面還有待提高,但隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善和應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟,基于GPRS的測控技術(shù)也必會日臻完善,我國電力系統(tǒng)也會隨著GPRS的發(fā)展越來越普遍地使用無線通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)控功能。
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垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境監(jiān)測
針對垃圾焚燒電廠環(huán)境指標監(jiān)測的需要,設(shè)計了垃圾焚燒電廠的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分考慮了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的真實性和傳輸可靠性,將modbus技術(shù)、通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)、大屏幕顯示技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等有機地結(jié)合起來構(gòu)成模塊化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。采用modbus總線采集機組運行數(shù)據(jù),并利用GPRS模塊將環(huán)境指標數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測中心進行監(jiān)視。實際應(yīng)用表明,該監(jiān)視系統(tǒng)達到了預期目標。
為了實現(xiàn)城市生活垃圾減量化和資源化處理的目標,普遍采用垃圾焚燒電廠處理城市生活垃圾。垃圾焚燒電廠通常位于城市邊緣或市區(qū),距離人口稠密地區(qū)較近,在垃圾集中焚燒過程中不可避免地對周邊環(huán)境造成污染,其環(huán)境指標十分引人關(guān)注。對此,利用現(xiàn)代化的環(huán)境監(jiān)測手段,加強對垃圾焚燒電廠的環(huán)境監(jiān)管,防止產(chǎn)生新的環(huán)境污染十分必要。以某垃圾焚燒電廠為例,介紹其環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),軟硬件協(xié)作高效,操作管理簡便易行。系統(tǒng)最大限度地滿足了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸和顯示的需要,充分考慮了監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和對決策支持等管理需求。
1、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測垃圾焚燒電廠的排放指標和部分運行參數(shù),并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測中心,實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報表顯示等功能。為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性,采樣信號通過現(xiàn)場變送器進行數(shù)據(jù)采集。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由排放物監(jiān)測設(shè)備、中心電腦、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊和戶外大屏幕顯示屏組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為了確保采集數(shù)據(jù)的真實性,系統(tǒng)使用獨立的監(jiān)測設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),如熱電偶等;從DCS采集部分難以直接測量的數(shù)據(jù),如煙氣流量等;DCS通過標準的Modbus通訊
接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中心電腦;二惡英采樣系統(tǒng)自動采集煙氣樣本,該系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)測中心遠程監(jiān)控。
由于垃圾焚燒電廠位于較偏僻地區(qū),采用中國移動公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸較方便,且成本不高。戶外大屏幕顯示屏的顯示信息來自環(huán)境監(jiān)測中電腦。中心電腦采用雙輸出顯卡,一路信號輸出至腦顯示器,另一路信號輸出至屏控板卡,屏控板卡將到的視頻信號通過以太網(wǎng)送至戶外大屏幕顯示屏。
2、系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中心電腦是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心,其采用IPC610H型研華工控機,主要完成數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和管理。數(shù)據(jù)采集接口程序?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)與modbus通信接口的通訊,將采集數(shù)據(jù)存入環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采用MySQL為各個模塊提供數(shù)據(jù)服務(wù),其為數(shù)據(jù)核心。后臺數(shù)據(jù)庫主要包括實時數(shù)據(jù)表、歷史數(shù)據(jù)表、報表顯示數(shù)據(jù)表。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
2.1modbus通信
環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集提供Modbus(RS485)和以太網(wǎng)(UDP)2種接口方式,采用modbus通訊協(xié)議與DCS和模擬量輸入模塊通信,其通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3環(huán)境檢測系統(tǒng)modbus通信結(jié)構(gòu)
2條Modbus總線分別連接DCS和模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊完成現(xiàn)場溫度的數(shù)字化轉(zhuǎn)換,并提供了Modbus接口,可以作為Modbus從站,環(huán)境監(jiān)測中心電腦作為Modbus主站。由于DCS通常需要連接許多從站,所以將DCS作為Modbus主站,環(huán)境監(jiān)測中心電腦做為從站。DCS主站使用Modbus功能碼3將流量等信息發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測中心電腦。在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中,環(huán)境監(jiān)測中心電腦既作為從站又作為主站,該電腦的2個串行口分別與2條Modbus總線連接。
2.2GRPS通信
環(huán)境監(jiān)測中心電腦使用GPRSModem撥號接入gprs網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。在環(huán)境
監(jiān)測中心電腦上安裝有GPRS數(shù)據(jù)傳輸軟件,通過RS232與外置GPRS煙氣數(shù)據(jù)傳輸模塊通信,將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測中心。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩,采用TCP方式傳輸?shù)據(jù),采用Winsock控件實現(xiàn)通信功能。
2.3大屏幕顯示
MySQL的實時數(shù)據(jù)表主要用于大屏幕顯示。數(shù)據(jù)采集接口將最新的數(shù)據(jù)寫入實時數(shù)據(jù)表,大屏幕顯示驅(qū)動程序定期讀取實時數(shù)據(jù)表里最新的數(shù)據(jù),顯示數(shù)據(jù)包括燃燒室溫度、酸性氣體(HCl、SO2、NO)含量和粉塵濃度,同時顯示數(shù)據(jù)的國家標準值和地方標準值。戶外大屏幕顯示數(shù)據(jù)跟蹤焚燒爐實時數(shù)據(jù),并與環(huán)境監(jiān)測中心電腦數(shù)據(jù)同步。
2.4查詢及管理功能
數(shù)據(jù)采集接口將收到的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫維護程序?qū)崿F(xiàn)定期更新數(shù)據(jù)、用戶管理和數(shù)據(jù)庫備份與恢復等功能。數(shù)據(jù)查詢及報表系統(tǒng)將查詢數(shù)據(jù)存入顯示數(shù)據(jù)表中,并依據(jù)用戶設(shè)定的查詢條件,生成環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的日報表、月報表。
3系統(tǒng)運行
環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用VC6.0編程工具,由GPRS模塊實現(xiàn)無線通信,修改DCS的部分組態(tài)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送功能。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)某時段監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。
圖4某時段部分環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)
如果遠程數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)可以采用JY-RTU6640,針對功能,提供設(shè)備狀態(tài)指示燈,方便設(shè)備維護;寬電壓供電范圍:7V-30V;
帶RS232、RS485(232也轉(zhuǎn)為485的情況下,可以有兩路485);
內(nèi)置大容量SPI-flash(容量可選1Mbit-64Mbit),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長時間本機保存(需定制);
6路AD仿真量輸入(12位),輸入電壓為0-30V,也可以測量4-20mA工業(yè)電流信號;
6路繼電器輸出控制、4路光耦輸入輸出控制(輸入和輸出的位數(shù)自選);內(nèi)置RTC,掉電可自動計時,定時定點喚醒,需定制;
高效的電源管理設(shè)計,在對功耗要求嚴格的場合,實現(xiàn)低功耗節(jié)能,延長工作時間,需定制;
傳輸支持多種協(xié)議,我公司自定協(xié)議和Modbus協(xié)議(ASCII、RTU、ModbusTCP)完美支持;
Modbus從機工作模式:標準從機、從機主動回傳;數(shù)據(jù)遠程傳輸支持GPRS、以太網(wǎng)等;數(shù)據(jù)傳輸采用GSM模塊可實現(xiàn)功能:GPRS斷線自動重連;
根據(jù)需要最多可同時連接6個中心服務(wù)器;支持固定IP、域名解析和APN專網(wǎng)的尋址方式;支持TCP、UDP、PPP、ICMP、DNS、FTP等協(xié)議;
支持的節(jié)點數(shù),只要服務(wù)器資源允許,理論上為無數(shù)個;減少布線的成本和施工的麻煩;
支持短信數(shù)據(jù)傳輸、短信參數(shù)配置功能;支持電話和短信喚醒功能;
數(shù)據(jù)傳輸采用以太網(wǎng)模塊可實現(xiàn)功能:
支持10Mbps/100Mbps兩種方式接入Internet,數(shù)據(jù)傳輸速度加快,適合大數(shù)據(jù)量傳輸;支持TCP、UDP、PPP、ICMP、DNS、FTP等協(xié)議;
支持的節(jié)點數(shù),只要服務(wù)器資源允許,理論上為無數(shù)個;根據(jù)服務(wù)器的需要,協(xié)議可以支持更加豐富;支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)喚醒功能;
支持專用軟件進行本地和遠程參數(shù)配置及維護;支持本地和遠程固件升級;
并可以直接于技術(shù)溝通:電話:010-8289982713466665507(張工)
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