??? 摘? 要: 介紹了城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)的實現(xiàn)方法,包括監(jiān)控中心組成與功能、無線通信方式及RTU硬件電路模塊設計。

??? 關鍵詞: SCADA系統(tǒng)? 測控系統(tǒng)" title="測控系統(tǒng)">測控系統(tǒng)? 電臺通信

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1? SCADA系統(tǒng)的特點?

??? SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)即監(jiān)視控制與數(shù)據采集" title="數(shù)據采集">數(shù)據采集系統(tǒng),是以計算機為基礎的監(jiān)測控制與調度管理自動化系統(tǒng),能實現(xiàn)遠程數(shù)據采集、設備控制、測量、參數(shù)調節(jié)以及信號報警等各項功能,可廣泛應用于電力、水利、石油、化工、環(huán)保和市政等眾多領域。?

??? 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(xiàn)場數(shù)據的采集與處理、現(xiàn)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有多種實現(xiàn)方式,下面稍作分析。?

2 通信介質的選取?

??? 數(shù)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(xiàn)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" title="大容量">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?shù)責o線電管理部門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(shù)據傳輸?shù)目煽啃?但當RTU分散時測控系統(tǒng)鋪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)正常運行幾年且客戶反映好。實踐證明,只要解決好數(shù)據傳輸?shù)目煽啃赃@一關鍵問題,就能保證整個無線通信SCADA系統(tǒng)正常可靠運行。?

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(shù)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。?

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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,主要功能是實現(xiàn)人機界面并通過無線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工控機作為后備機對主控機進行備份。?

??? 用一臺IBM服務器作為無線通信SCADA系統(tǒng)的數(shù)據庫服務器,RTU采集到的數(shù)據經主控機處理后存放在數(shù)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,很容易實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)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(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)根據該城市所處經緯度及日出日落時間,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(shù)據參數(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的工況、實測數(shù)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" title="A/D">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(shù)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(shù)據傳輸,工作頻率為230～450Hz(須向當?shù)責o線電管理部門申請相應的頻點),數(shù)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,如控制路燈開/關、向監(jiān)控中心返回電流、電壓、開關狀態(tài)、故障碼數(shù)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。?

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??? RTU主要由單片機測控系統(tǒng)組成,包括數(shù)據采集處理及A/D轉換電路" title="轉換電路">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(lián)系,也可單獨完成路燈系統(tǒng)的日常監(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(shù)據采集及A/D轉換電路?

??? 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U_A～U_C,線路總電流I_A～I_C,各支路電流(本系統(tǒng)最多可檢測8條支路)I_1A～I_1C、…、I_8A～I_8C,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(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)使能端分別從數(shù)據總線上讀取高四位及低八位數(shù)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、各支路電流變比值、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(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(xiàn)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(shù)字信號傳給CPU,將需發(fā)送的數(shù)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(shù)據傳送。?

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)已經連續(xù)幾年正常運行。經驗表明,只要解決好數(shù)據無線傳輸?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,且可方便地任意擴展RTU。筆者認為在設計調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(xiàn)象。?

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

參考文獻?

1. 李行善. 計算機測試與控制. 北京:北京航空航天大學出版社,1990?

2. 朱梅英. 傳真通信與調制解調器. 北京:人民郵電出版社,1996?

3. 劉樂善. 微型計算機接口技術原理及應用. 武漢:華中理工大學出版社,1996