無線通信SCADA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

　　摘要：介紹了城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括監(jiān)控中心組成與功能、無線通信方式及RTU硬件電路模塊設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：SCADA系統(tǒng) 測(cè)控系統(tǒng) 電臺(tái)通信 1 SCADA系統(tǒng)的特點(diǎn) SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)即監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)控制與調(diào)度管理自動(dòng)化系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能，可廣泛應(yīng)用于電力、水利、石油、化工、環(huán)保和市政等眾多領(lǐng)域。 SCADA系統(tǒng)一般采用分散式測(cè)控、集中式管理的方式，整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個(gè)分散的遠(yuǎn)程測(cè)控終端RTU(Remote Terminal Unit)和通信介質(zhì)三部分組成。監(jiān)控中心又稱主站，是SCADA系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行;RTU又稱外圍站點(diǎn)，是采用微處理器或DSP 的可獨(dú)立運(yùn)行的智能測(cè)控模塊，完成各種遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及與遠(yuǎn)程控制中心的通信，具有易擴(kuò)展性和易維護(hù)性特點(diǎn);通信介質(zhì)根據(jù)實(shí)際需求和應(yīng)用對(duì)象的不同多種實(shí)現(xiàn)方式，下面稍作分析。 2 通信介質(zhì)的選取 數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)分為有線和無線兩類。有線傳輸方式如：電力線載波、RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線和PSTN公用電話網(wǎng)等。無線傳輸方式如：VHF/UHF無線電臺(tái) 、ISM擴(kuò)頻電臺(tái)、GSM移動(dòng)電話網(wǎng)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)等。每種方法各種其特點(diǎn)。 電力線載波利用現(xiàn)有的供電線路不需另鋪專用通信線路，但電力線固有干擾較大，且載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域內(nèi)傳送，通信跟蹤較短;RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線具有通信效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，但用于大容量系統(tǒng)時(shí)鋪設(shè)專用線路工程造價(jià)太高。 PSTN公用電話網(wǎng)和GSM移動(dòng)電話網(wǎng)的初期投入費(fèi)用少，無盲區(qū)覆蓋，但日積月累的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用極高;ISM(工業(yè)科學(xué)醫(yī)療用途)頻段的擴(kuò)頻電臺(tái)(2.4GHz)及微波(4GHz以上)可用于遠(yuǎn)距離、高性能傳輸，但價(jià)格昂貴。 VHF/UHF無線電臺(tái)：傳輸距離較遠(yuǎn)，只需維護(hù)費(fèi)用而無運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，系統(tǒng)使用及站點(diǎn)擴(kuò)展很方便，尤其適用于大容量分散式SCADA系統(tǒng)，其性能價(jià)格比高，但必須向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部分申請(qǐng)相應(yīng)頻點(diǎn)才可使用。 由此可見，有線與無線方式各有利弊，有線通信的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但?dāng)RTU分散時(shí)測(cè)控系統(tǒng)輔設(shè)專用線路造價(jià)過高;而無線通信則在大容量 SCADA系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)明顯。城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)正是采用VHF/UHF無線電臺(tái)通信方式，已在南京、福州、長(zhǎng)春等省會(huì)城市連續(xù)常運(yùn)行幾年且客戶反映好。實(shí)踐證明，只要解決好數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃@一關(guān)鍵問題，就能保證整個(gè)無線通信SCADA系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行。 3 城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成：監(jiān)控中心、若干個(gè)外圍站RTU及VHF/UHF無線電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控中心選用TAIT 855/856基地臺(tái)，外圍站選用Motorola GM300車載電臺(tái)。城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 監(jiān)控中心組成和功能 城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)的控制中心主要由主控機(jī)、后備機(jī)、服務(wù)器、大屏幕多媒體投影機(jī)、電臺(tái)、鐵塔及天線等組成。 主控機(jī)與服務(wù)器按Client/Server結(jié)構(gòu)連網(wǎng)。主控機(jī)作為系統(tǒng)的客戶機(jī)，由一臺(tái)Intel工控機(jī)構(gòu)成，用VB語言編程，主要功能實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面并通過無線Modem與電臺(tái)連，向RTU發(fā)送控制指令，接收返回的檢測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)。為提高系統(tǒng)的可靠性，在該系統(tǒng)中采用另一臺(tái)Intel工控機(jī)作為后備機(jī)對(duì)主控機(jī)進(jìn)行備份。 用一臺(tái)IBM服務(wù)器作無線通信SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，RTU采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控機(jī)處理后存放在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，其它管理系統(tǒng)經(jīng)授權(quán)可以直接訪問該服務(wù)器，很容量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享。 監(jiān)控中心主要完成以下功能： (1)大屏幕多媒體投影機(jī)動(dòng)態(tài)顯示SCADA系統(tǒng)中每一個(gè)RTU在城市地圖中所處位置及該站點(diǎn)的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)參數(shù)(包括各條線路的交流電壓、電流、功率、電度表讀數(shù)、亮燈率等)。 (2)根據(jù)該城市所處經(jīng)糾度及日出日落時(shí)間，制定出對(duì)應(yīng)全年的每日開/關(guān)燈時(shí)間曲線以實(shí)時(shí)控制路燈的通/斷;另外可由控制人員結(jié)合具體情況，修改開/關(guān)燈時(shí)間，并傳送給RTU以進(jìn)行控制。 (3)定時(shí)巡檢/定點(diǎn)檢測(cè)RTU，并通過無線Modem獲取RTU返回的開關(guān)狀態(tài)、數(shù)據(jù)參數(shù)及報(bào)警碼。 (4)在巡檢過程中，若發(fā)現(xiàn)故障或參數(shù)越限，可進(jìn)行聲光報(bào)警，并在大屏幕上動(dòng)態(tài)顯示以該站點(diǎn)位置為中主的放大地圖及相應(yīng)的工況、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及故障形式。 (5)具有節(jié)省能源功能，實(shí)行全夜燈/半夜燈兩種工作方式，由控制人員針對(duì)每條線路決定是否采用半夜燈方式及任意調(diào)節(jié)半夜燈的起止時(shí)間。同時(shí)還具有防竊電監(jiān)測(cè)功能：當(dāng)檢測(cè)到某一支路電流值大于正常運(yùn)行值時(shí)，若同一RTU中其它支路電流值正常(表明A/D芯片工作正常)，則該支路存在竅電現(xiàn)象。 (6)采用虛擬儀表方法顯示電壓表、電流表、電度表等儀表形狀，利用VB控件Meter在儀表盤上直觀顯示模擬數(shù)據(jù)量的動(dòng)態(tài)變化。 (7)定時(shí)對(duì)所有RTU進(jìn)行校時(shí)，確保外圍站時(shí)間準(zhǔn)確性。 (8)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)及報(bào)表打印功能。 3.2 無線通信 3.2.1 通信介質(zhì) 無線通信SCADA系統(tǒng)監(jiān)控中心與RTU之間采用VHF/UHF無線電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，工作頻率為203～450Hz(須向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門申請(qǐng)相應(yīng)的頻點(diǎn))，數(shù)據(jù)通信的調(diào)制方式為FSK，傳送速率為300～1200bps。RTU站點(diǎn)間分布較散，與監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，因此通信體制采用大區(qū)制。監(jiān)控中心選用TAIT 855/856基地臺(tái)，發(fā)射功率為45W，工作在全雙工方式，覆蓋范圍與高增益全向天線鐵塔的高度有關(guān)，半徑可達(dá)幾十公里。RTU采用Motorola GM300車載電臺(tái)，配以定向天線，發(fā)射功率為25W，工作在半雙工方式。 3.2.2 通信方式 監(jiān)控中心采用廣播方式或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式向RTU發(fā)送命令。采用廣播方式時(shí)，RTU只接收命令并執(zhí)行，如校對(duì)時(shí)間、修改開/關(guān)燈時(shí)間等命令;采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式時(shí)，如遙測(cè)、遙控等命令，RTU先進(jìn)行站點(diǎn)編號(hào)確認(rèn)，若是則根據(jù)命令格式執(zhí)行相應(yīng)操作，如控制路為開/關(guān)、向監(jiān)迭中心返回電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)、故障碼數(shù)據(jù)幀等。 3.3 外圍站RTU結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì) 無線通信SCADA系統(tǒng)的外圍站RTU結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 RTU主要由單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成，包括數(shù)據(jù)采集處理及A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤顯示電路、時(shí)鐘電路、路燈全夜燈/半夜燈控制電路、無線通信電路。外圍站都可獨(dú)立運(yùn)行，即使因通信故障等原因無法與監(jiān)控中心聯(lián)系，也可單獨(dú)完成路燈系統(tǒng)的日益監(jiān)控。 單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)采用80C31作為CPU，27C256作為EPROM，62256作為RAM，在地址譯碼電路中采用74LS138，P2.7分別接 62256的片選信號(hào)(為零選中)及74LS138管腳G1(為1選中)，P2.4、P2.5、P2.6分別接74LS138管腳A、B、C，輸出片選信號(hào)控制多路開關(guān)、ICL7109、DS12887、74HC245、液晶顯示。 (1)數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換電路 RTU實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)包括線路的電壓、電流、電度表讀數(shù)等。該模塊模擬輸入信號(hào)有三相交流電壓UA～UC。線路總電流IA～I(xiàn)C，各支路電流(本系統(tǒng)最多可檢測(cè)8條支路)I1A～I(xiàn)1C、…、I8A～I(xiàn)8C，信號(hào)經(jīng)V/I變送器、多路開關(guān)(4051%26;#215;4片)、信號(hào)處理電路(包括對(duì)交流信號(hào)整流、濾波等變換)后送入雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109，轉(zhuǎn)換成十二位二進(jìn)制數(shù)，其中低八位D1～D8與P0.0～P0.7相連，高四位D9～D12 與P0.0～P0.3相連，CPU通過控制高/低字節(jié)使能端HBEN、LBEN分別從數(shù)據(jù)總線上讀取高四位及低八位數(shù)據(jù)。 (2)鍵盤顯示電路 采用液晶顯示。鍵功能主要有：設(shè)置站號(hào)、時(shí)間、各支路電流變化值、電流/電壓調(diào)零校正、全夜燈/半夜燈模式，巡檢/定點(diǎn)檢測(cè)每一支路參數(shù)等。 (3)時(shí)鐘電路 采用時(shí)鐘芯片DS12C887提供精確時(shí)鐘信號(hào)，包括年、月、日、時(shí)、分?？赏ㄟ^手動(dòng)方式修改時(shí)間，也可由監(jiān)控中心統(tǒng)一校時(shí)。 (4)路燈開/關(guān)電路 可通過固化在EPROM中的每日開/關(guān)燈時(shí)間自動(dòng)執(zhí)行該站點(diǎn)路燈線路的通/斷，也可通過手動(dòng)設(shè)置方式或由監(jiān)控中心進(jìn)行遙控來實(shí)現(xiàn)線路通/斷。 (5)無線通信電路 由調(diào)制/解調(diào)芯片TCM3105將接收的模擬載波信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)傳給CPU，將需發(fā)送的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬載波信號(hào)并通過GM300車載電臺(tái)、定向天線與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

4 路燈無線通信SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的注意事項(xiàng) 采用VFH/UFH電臺(tái)通信的城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)幾年正常運(yùn)行。經(jīng)驗(yàn)表明，只要解決好數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)目煽啃詥栴}，在城市大容量監(jiān)控系統(tǒng)中該方法明顯優(yōu)于有線傳輸方式，性能價(jià)格比高，且可方便地任意擴(kuò)展RTU。筆者認(rèn)為在設(shè)計(jì)調(diào)試安裝過程中還需要注意以下幾方面： (1)尤其要重視無線信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試。在外圍站安裝前，由監(jiān)控中心基地臺(tái)發(fā)送信號(hào)，每一個(gè)RTU安裝處都要進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，應(yīng)無明顯的同頻干擾和異頻互調(diào)干擾，信號(hào)電平應(yīng)在20dB以上。若某個(gè)RTU不能滿足，須改變其地址;當(dāng)大部分 RTU都不能滿足要求時(shí)，必須改變無線電臺(tái)的工作頻點(diǎn)。 (2)不能選擇過高的通信波特率，否則極易引起丟碼現(xiàn)象。 (3)在A/D轉(zhuǎn)換電路調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，ICL7109芯片引腳17(TEST)、27(SEND)不能懸空，應(yīng)與26(RUN/HOLD)同接+5V。否則 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。 (4)用于測(cè)量三相電壓的V/I變送器不能直接裝在主板上，否則極易受雷擊而燒毀主板。 (5)在多山地區(qū)若無線信號(hào)受影響可設(shè)立中斷站。