無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統設計

1 SCADA系統的特點(diǎn)

SCADA系統一般采用分散式測控、集中式管理的方式，整個(gè)系統由監控中心、若干個(gè)分散的遠程測控終端RTU(Remote Terminal Unit)和通信介質(zhì)三部分組成。監控中心又稱(chēng)主站，是SCADA系統的核心，負責控制管理整個(gè)系統的運行;RTU又稱(chēng)外圍站點(diǎn)，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(chǎng)數據的采集與處理、現場(chǎng)執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(diǎn);通信介質(zhì)根據實(shí)際需求和應用對象的不同多種實(shí)現方式，下面稍作分析。

2 通信介質(zhì)的選取

數據傳輸介質(zhì)分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩類(lèi)。有線(xiàn)傳輸方式如：電力線(xiàn)載波、RS-485現場(chǎng)總線(xiàn)和PSTN公用電話(huà)網(wǎng)等。無(wú)線(xiàn)傳輸方式如：VHF/UHF無(wú)線(xiàn)電臺、ISM擴頻電臺、GSM移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)以及衛星通信網(wǎng)等。每種方法各種其特點(diǎn)。

電力線(xiàn)載波利用現有的供電線(xiàn)路不需另鋪專(zhuān)用通信線(xiàn)路，但電力線(xiàn)固有干擾較大，且載波信號只能在一個(gè)配電變壓器區域內傳送，通信跟蹤較短;RS-485現場(chǎng)總線(xiàn)具有通信效率高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，但用于大容量系統時(shí)鋪設專(zhuān)用線(xiàn)路工程造價(jià)太高。

PSTN公用電話(huà)網(wǎng)和GSM移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)的初期投入費用少，無(wú)盲區覆蓋，但日積月累的運營(yíng)費用極高;ISM(工業(yè)科學(xué)醫療用途)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(jià)格昂貴。

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

由此可見(jiàn)，有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)方式各有利弊，有線(xiàn)通信的優(yōu)勢在于數據傳輸的可靠性，但當RTU分散時(shí)測控系統輔設專(zhuān)用線(xiàn)路造價(jià)過(guò)高;而無(wú)線(xiàn)通信則在大容量SCADA系統中優(yōu)勢明顯。城市路燈監控系統正是采用VHF/UHF無(wú)線(xiàn)電臺通信方式，已在南京、福州、長(cháng)春等省會(huì )城市連續常運行幾年且客戶(hù)反映好。實(shí)踐證明，只要解決好數據傳輸的可靠性這一關(guān)鍵問(wèn)題，就能保證整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統正?？煽窟\行。

3 城市路燈無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統的設計

該系統總體結構主要由三部分構成：監控中心、若干個(gè)外圍站RTU及VHF/UHF無(wú)線(xiàn)電臺進(jìn)行數據通信。監控中心選用TAIT 855/856基地臺，外圍站選用Motorola GM300車(chē)載電臺。城市路燈無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統組網(wǎng)結構如圖1所示。

3.1 監控中心組成和功能

城市路燈無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統的控制中心主要由主控機、后備機、服務(wù)器、大屏幕多媒體投影機、電臺、鐵塔及天線(xiàn)等組成。

主控機與服務(wù)器按Client/Server結構連網(wǎng)。主控機作為系統的客戶(hù)機，由一臺Intel工控機構成，用VB語(yǔ)言編程，主要功能實(shí)現人機界面并通過(guò)無(wú)線(xiàn)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。為提高系統的可靠性，在該系統中采用另一臺Intel工控機作為后備機對主控機進(jìn)行備份。

用一臺IBM服務(wù)器作無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統的數據庫服務(wù)器，RTU采集到的數據經(jīng)主控機處理后存放在數據服務(wù)器中，其它管理系統經(jīng)授權可以直接訪(fǎng)問(wèn)該服務(wù)器，很容量實(shí)現系統間的數據共享。

監控中心主要完成以下功能：

(1)大屏幕多媒體投影機動(dòng)態(tài)顯示SCADA系統中每一個(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(包括各條線(xiàn)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(jīng)糾度及日出日落時(shí)間，制定出對應全年的每日開(kāi)/關(guān)燈時(shí)間曲線(xiàn)以實(shí)時(shí)控制路燈的通/斷;另外可由控制人員結合具體情況，修改開(kāi)/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RTU，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)Modem獲取RTU返回的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、數據參數及報警碼。

(4)在巡檢過(guò)程中，若發(fā)現故障或參數越限，可進(jìn)行聲光報警，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的工況、實(shí)測數據及故障形式。

(5)具有節省能源功能，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(xiàn)路決定是否采用半夜燈方式及任意調節半夜燈的起止時(shí)間。同時(shí)還具有防竊電監測功能：當檢測到某一支路電流值大于正常運行值時(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(pán)上直觀(guān)顯示模擬數據量的動(dòng)態(tài)變化。

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

(8)數據處理、存儲及報表打印功能。

3.2 無(wú)線(xiàn)通信

3.2.1 通信介質(zhì)

無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統監控中心與RTU之間采用VHF/UHF無(wú)線(xiàn)電臺進(jìn)行數據傳輸，工作頻率為203～450Hz(須向當地無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)申請相應的頻點(diǎn))，數據通信的調制方式為FSK，傳送速率為300～1200bps。RTU站點(diǎn)間分布較散，與監控中心距離較遠，因此通信體制采用大區制。監控中心選用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(xiàn)鐵塔的高度有關(guān)，半徑可達幾十公里。RTU采用Motorola GM300車(chē)載電臺，配以定向天線(xiàn)，發(fā)射功率為25W，工作在半雙工方式。

3.2.2 通信方式

監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(shí)，RTU只接收命令并執行，如校對時(shí)間、修改開(kāi)/關(guān)燈時(shí)間等命令;采用點(diǎn)對點(diǎn)方式時(shí)，如遙測、遙控等命令，RTU先進(jìn)行站點(diǎn)編號確認，若是則根據命令格式執行相應操作，如控制路為開(kāi)/關(guān)、向監迭中心返回電流、電壓、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、故障碼數據幀等。

3.3 外圍站RTU結構模塊設計

無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統的外圍站RTU結構圖如圖2所示。

RTU主要由單片機測控系統組成，包括數據采集處理及A/D轉換電路、鍵盤(pán)顯示電路、時(shí)鐘電路、路燈全夜燈/半夜燈控制電路、無(wú)線(xiàn)通信電路。外圍站都可獨立運行，即使因通信故障等原因無(wú)法與監控中心聯(lián)系，也可單獨完成路燈系統的日益監控。