無線通信SCADA系統(tǒng)的簡介與設(shè)計

　　1SCADA系統(tǒng)的特點

　　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)，是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)測控制與調(diào)度管理自動化系統(tǒng)，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警等各項功能，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(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;通信介質(zhì)根據(jù)實際需求和應(yīng)用對象的不同有多種實現(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。每種方法各有其特點。

　　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，通信距離較短;RS-485現(xiàn)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(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(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)費用而無運營費用，系統(tǒng)使用及站點擴(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線電管理部門申請相應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但?dāng)RTU分散時測控系統(tǒng)鋪設(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)正常運行幾年且客戶反映好。實踐證明，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?？煽窟\行。

　　3 城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)的設(shè)計

　　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，主要功能是實現(xiàn)人機(jī)界面并通過無線Modem與電臺相連，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)器作為無線通信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，很容易實現(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的工作狀態(tài)和實時參數(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)緯度及日出日落時間，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)行聲光報警，并在大屏幕上動態(tài)顯示以該站點位置為中心的放大地圖及相應(yīng)的工況、實測數(shù)據(jù)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(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)，則該支路上存在竊電現(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230～450Hz(須向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門申請相應(yīng)的頻點)，數(shù)據(jù)通信的調(diào)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(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(guān)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(jìn)行站點編號確認(rèn)，若是則根據(jù)命令格式執(zhí)行相應(yīng)操作，如控制路燈開/關(guān)、向監(jiān)控中心返回電流、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

　　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。外圍站都可獨立運行，即使因通信故障等原因無法與監(jiān)控中心聯(lián)系，也可單獨完成路燈系統(tǒng)的日常監(jiān)控。

　　單片機(jī)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(guān)、ICL7109、DS12887、74HC245、液晶顯示。

　　(1)數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換電路

　　RTU實時測量參數(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8條支路)I1A～I(xiàn)1C、…、I8A～I(xiàn)8C，信號經(jīng)V/I變送器、多路開關(guān)(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(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

　　(2)鍵盤顯示電路

　　采用液晶顯示。鍵功能主要有:設(shè)置站號、時間、各支路電流變比值、電流/電壓調(diào)零校正、全夜燈/半夜燈模式，巡檢/定點檢測每一支路參數(shù)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?？赏ㄟ^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(guān)電路

　　可通過固化在EPROM中的每日開/關(guān)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(shè)置方式或由監(jiān)控中心進(jìn)行遙控來實現(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解調(diào)為數(shù)字信號傳給CPU，將需發(fā)送的數(shù)字信號調(diào)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

　　4 路燈無線通信SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)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(jīng)連續(xù)幾年正常運行。經(jīng)驗表明，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，性能價格比高，且可方便地任意擴(kuò)展RTU。筆者認(rèn)為在設(shè)計調(diào)試安裝過程中還需注意以下幾方面：

　　(1)尤其要重視無線信號的場強(qiáng)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(jìn)行場強(qiáng)測試，應(yīng)無明顯的同頻干擾和異頻互調(diào)干擾，信號電平應(yīng)在20dB以上。若某個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，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(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

　　(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(shè)立中繼站。