無線通信SCADA系統(tǒng)設計

 1 SCADA系統(tǒng)的特點

SCADA系統(tǒng)一般采用分散式測控、集中式管理的方式，整個系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個分散的遠程測控終端RTU(Remote Terminal Unit)和通信介質三部分組成。監(jiān)控中心又稱主站，是SCADA系統(tǒng)的核心，負責控制管理整個系統(tǒng)的運行;RTU又稱外圍站點，是采用微處理器或DSP的可獨立運行的智能測控模塊，完成各種遠端現場數據的采集與處理、現場執(zhí)行機構的控制以及與遠程控制中心的通信，具有易擴展性和易維護性特點;通信介質根據實際需求和應用對象的不同多種實現方式，下面稍作分析。

2 通信介質的選取

數據傳輸介質分為有線和無線兩類。有線傳輸方式如：電力線載波、RS-485現場總線和PSTN公用電話網等。無線傳輸方式如：VHF/UHF無線電臺、ISM擴頻電臺、GSM移動電話網以及衛(wèi)星通信網等。每種方法各種其特點。

電力線載波利用現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，且載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域內傳送，通信跟蹤較短;RS-485現場總線具有通信效率高、可靠性好等優(yōu)點，但用于大容量系統(tǒng)時鋪設專用線路工程造價太高。

PSTN公用電話網和GSM移動電話網的初期投入費用少，無盲區(qū)覆蓋，但日積月累的運營費用極高;ISM(工業(yè)科學醫(yī)療用途)頻段的擴頻電臺(2.4GHz)及微波(4GHz以上)可用于遠距離、高性能傳輸，但價格昂貴。

VHF/UHF無線電臺：傳輸距離較遠，只需維護費用而無運營費用，系統(tǒng)使用及站點擴展很方便，尤其適用于大容量分散式SCADA系統(tǒng)，其性能價格比高，但必須向當地無線電管理部分申請相應頻點才可使用。

由此可見，有線與無線方式各有利弊，有線通信的優(yōu)勢在于數據傳輸的可靠性，但當RTU分散時測控系統(tǒng)輔設專用線路造價過高;而無線通信則在大容量SCADA系統(tǒng)中優(yōu)勢明顯。城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)正是采用VHF/UHF無線電臺通信方式，已在南京、福州、長春等省會城市連續(xù)常運行幾年且客戶反映好。實踐證明，只要解決好數據傳輸的可靠性這一關鍵問題，就能保證整個無線通信SCADA系統(tǒng)正?？煽窟\行。

3 城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)的設計

該系統(tǒng)總體結構主要由三部分構成：監(jiān)控中心、若干個外圍站RTU及VHF/UHF無線電臺進行數據通信。監(jiān)控中心選用TAIT 855/856基地臺，外圍站選用Motorola GM300車載電臺。城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)組網結構如圖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、后備機、服務器、大屏幕多媒體投影機、電臺、鐵塔及天線等組成。

主控機與服務器按Client/Server結構連網。主控機作為系統(tǒng)的客戶機，由一臺Intel工控機構成，用VB語言編程，主要功能實現人機界面并通過無線Modem與電臺連，向RTU發(fā)送控制指令，接收返回的檢測數據和狀態(tài)參數。為提高系統(tǒng)的可靠性，在該系統(tǒng)中采用另一臺Intel工控機作為后備機對主控機進行備份。

用一臺IBM服務器作無線通信SCADA系統(tǒng)的數據庫服務器，RTU采集到的數據經主控機處理后存放在數據服務器中，其它管理系統(tǒng)經授權可以直接訪問該服務器，很容量實現系統(tǒng)間的數據共享。

監(jiān)控中心主要完成以下功能：

(1)大屏幕多媒體投影機動態(tài)顯示SCADA系統(tǒng)中每一個RTU在城市地圖中所處位置及該站點的工作狀態(tài)和實時參數(包括各條線路的交流電壓、電流、功率、電度表讀數、亮燈率等)。

(2)根據該城市所處經糾度及日出日落時間，制定出對應全年的每日開/關燈時間曲線以實時控制路燈的通/斷;另外可由控制人員結合具體情況，修改開/關燈時間，并傳送給RTU以進行控制。

(3)定時巡檢/定點檢測RTU，并通過無線Modem獲取RTU返回的開關狀態(tài)、數據參數及報警碼。

(4)在巡檢過程中，若發(fā)現故障或參數越限，可進行聲光報警，并在大屏幕上動態(tài)顯示以該站點位置為中主的放大地圖及相應的工況、實測數據及故障形式。

(5)具有節(jié)省能源功能，實行全夜燈/半夜燈兩種工作方式，由控制人員針對每條線路決定是否采用半夜燈方式及任意調節(jié)半夜燈的起止時間。同時還具有防竊電監(jiān)測功能：當檢測到某一支路電流值大于正常運行值時，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據量的動態(tài)變化。

(7)定時對所有RTU進行校時，確保外圍站時間準確性。

(8)數據處理、存儲及報表打印功能。

3.2 無線通信

3.2.1 通信介質

無線通信SCADA系統(tǒng)監(jiān)控中心與RTU之間采用VHF/UHF無線電臺進行數據傳輸，工作頻率為203～450Hz(須向當地無線電管理部門申請相應的頻點)，數據通信的調制方式為FSK，傳送速率為300～1200bps。RTU站點間分布較散，與監(jiān)控中心距離較遠，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，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，半徑可達幾十公里。RTU采用Motorola GM300車載電臺，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對點方式向RTU發(fā)送命令。采用廣播方式時，RTU只接收命令并執(zhí)行，如校對時間、修改開/關燈時間等命令;采用點對點方式時，如遙測、遙控等命令，RTU先進行站點編號確認，若是則根據命令格式執(zhí)行相應操作，如控制路為開/關、向監(jiān)迭中心返回電流、電壓、開關狀態(tài)、故障碼數據幀等。

3.3 外圍站RTU結構模塊設計

無線通信SCADA系統(tǒng)的外圍站RTU結構圖如圖2所示。

RTU主要由單片機測控系統(tǒng)組成，包括數據采集處理及A/D轉換電路、鍵盤顯示電路、時鐘電路、路燈全夜燈/半夜燈控制電路、無線通信電路。外圍站都可獨立運行，即使因通信故障等原因無法與監(jiān)控中心聯系，也可單獨完成路燈系統(tǒng)的日益監(jiān)控。

單片機測控系統(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(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，輸出片選信號控制多路開關、ICL7109、DS12887、74HC245、液晶顯示。

(1)數據采集及A/D轉換電路

RTU實時測量參數包括線路的電壓、電流、電度表讀數等。該模塊模擬輸入信號有三相交流電壓UA～UC。線路總電流IA～IC，各支路電流(本系統(tǒng)最多可檢測8條支路)I1A～I1C、…、I8A～I8C，信號經V/I變送器、多路開關(4051×4片)、信號處理電路(包括對交流信號整流、濾波等變換)后送入雙積分式A/D轉換器ICL7109，轉換成十二位二進制數，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分別從數據總線上讀取高四位及低八位數據。

(2)鍵盤顯示電路

采用液晶顯示。鍵功能主要有：設置站號、時間、各支路電流變化值、電流/電壓調零校正、全夜燈/半夜燈模式，巡檢/定點檢測每一支路參數等。

(3)時鐘電路

采用時鐘芯片DS12C887提供精確時鐘信號，包括年、月、日、時、分。可通過手動方式修改時間，也可由監(jiān)控中心統(tǒng)一校時。

(4)路燈開/關電路

可通過固化在EPROM中的每日開/關燈時間自動執(zhí)行該站點路燈線路的通/斷，也可通過手動設置方式或由監(jiān)控中心進行遙控來實現線路通/斷。

(5)無線通信電路

由調制/解調芯片TCM3105將接收的模擬載波信號解調為數字信號傳給CPU，將需發(fā)送的數字信號調制成模擬載波信號并通過GM300車載電臺、定向天線與監(jiān)控中心進行數據傳送。

4 路燈無線通信SCADA系統(tǒng)實現的注意事項

采用VFH/UFH電臺通信的城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)已經連續(xù)幾年正常運行。經驗表明，只要解決好數據無線傳輸的可靠性問題，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，性能價格比高，且可方便地任意擴展RTU。筆者認為在設計調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的場強測試。在外圍站安裝前，由監(jiān)控中心基地臺發(fā)送信號，每一個RTU安裝處都要進行場強測試，應無明顯的同頻干擾和異頻互調干擾，信號電平應在20dB以上。若某個RTU不能滿足，須改變其地址;當大部分 RTU都不能滿足要求時，必須改變無線電臺的工作頻點。

(2)不能選擇過高的通信波特率，否則極易引起丟碼現象。

(3)在A/D轉換電路調試中發(fā)現，ICL7109芯片引腳17(TEST)、27(SEND)不能懸空，應與26(RUN/HOLD)同接+5V。否則A/D轉換數據經常會出現不穩(wěn)定現象。

(4)用于測量三相電壓的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)若無線信號受影響可設立中斷站。