無線通信SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 SCADA系統(tǒng)的特點(diǎn)

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(yuǎn)程測控終端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)行的智能測控模塊，完成各種遠(yuǎn)端現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場執(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)場總線和PSTN公用電話網(wǎng)等。無線傳輸方式如：VHF/UHF無線電臺、ISM擴(kuò)頻電臺、GSM移動電話網(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，且載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域內(nèi)傳送，通信跟蹤較短;RS-485現(xiàn)場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)時鋪設(shè)專用線路工程造價太高。

PSTN公用電話網(wǎng)和GSM移動電話網(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(2.4GHz)及微波(4GHz以上)可用于遠(yuǎn)距離、高性能傳輸，但價格昂貴。

VHF/UHF無線電臺：傳輸距離較遠(yuǎn)，只需維護(hù)費(fèi)用而無運(yùn)營費(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)，其性能價格比高，但必須向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部分申請相應(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)勢在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?dāng)RTU分散時測控系統(tǒng)輔設(shè)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(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，就能保證整個無線通信SCADA系統(tǒng)正常可靠運(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、若干個外圍站RTU及VHF/UHF無線電臺進(jìn)行數(shù)據(jù)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(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、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與電臺連，向RTU發(fā)送控制指令，接收返回的檢測數(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Intel工控機(jī)作為后備機(jī)對主控機(jī)進(jìn)行備份。

用一臺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(diǎn)的工作狀態(tài)和實(shí)時參數(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)糾度及日出日落時間，制定出對應(yīng)全年的每日開/關(guān)燈時間曲線以實(shí)時控制路燈的通/斷;另外可由控制人員結(jié)合具體情況，修改開/關(guān)燈時間，并傳送給RTU以進(jìn)行控制。

(3)定時巡檢/定點(diǎn)檢測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)半夜燈的起止時間。同時還具有防竊電監(jiān)測功能：當(dāng)檢測到某一支路電流值大于正常運(yùn)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(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)量的動態(tài)變化。

(7)定時對所有RTU進(jìn)行校時，確保外圍站時間準(zhǔn)確性。

(8)數(shù)據(jù)處理、存儲及報(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，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，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)對點(diǎn)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(guān)燈時間等命令;采用點(diǎn)對點(diǎn)方式時，如遙測、遙控等命令，RTU先進(jìn)行站點(diǎn)編號確認(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。