無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統的簡(jiǎn)介與設計

　　1SCADA系統的特點(diǎn)

　　SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)系統即監視控制與數據采集系統，是以計算機為基礎的監測控制與調度管理自動(dòng)化系統，能實(shí)現遠程數據采集、設備控制、測量、參數調節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(lǐng)域。

　　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有多種實(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。每種方法各有其特點(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，通信距離較短;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)電管理部門(mén)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)測控系統鋪設專(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 )城市連續正常運行幾年且客戶(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，主要功能是實(shí)現人機界面并通過(guò)無(wú)線(xiàn)Modem與電臺相連，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)器作為無(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，很容易實(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)緯度及日出日落時(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)位置為中心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)，則該支路上存在竊電現象。

　　(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230～450Hz(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，如控制路燈開(kāi)/關(guān)、向監控中心返回電流、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常監控。

　　單片機測控系統采用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(kāi)關(guān)、ICL7109、DS12887、74HC245、液晶顯示。

　　(1)數據采集及A/D轉換電路

　　RTU實(shí)時(shí)測量參數包括線(xiàn)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(xiàn)路總電流IA～IC，各支路電流(本系統最多可檢測8條支路)I1A～I1C、…、I8A～I8C，信號經(jīng)V/I變送器、多路開(kāi)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轉換器ICL7109，轉換成十二位二進(jìn)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(guò)控制高/低字節使能端

　　(2)鍵盤(pán)顯示電路

　　采用液晶顯示。鍵功能主要有:設置站號、時(shí)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(diǎn)檢測每一支路參數等。

　　(3)時(shí)鐘電路

　　采用時(shí)鐘芯片DS12C887提供精確時(shí)鐘信號，包括年、月、日、時(shí)、分?？赏ㄟ^(guò)手動(dòng)方式修改時(shí)間，也可由監控中心統一校時(shí)。

　　(4)路燈開(kāi)/關(guān)電路

　　可通過(guò)固化在EPROM中的每日開(kāi)/關(guān)燈時(shí)間自動(dòng)執行該站點(diǎn)路燈線(xiàn)路的通/斷，也可通過(guò)手動(dòng)設置方式或由監控中心進(jìn)行遙控來(lái)實(shí)現線(xiàn)路通/斷。

　　(5)無(wú)線(xiàn)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(guò)GM300車(chē)載電臺、定向天線(xiàn)與監控中心進(jìn)行數據傳送。

　　4 路燈無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統實(shí)現的注意事項

　　采用VFH/UFH電臺通信的城市路燈無(wú)線(xiàn)通信SCADA系統已經(jīng)連續幾年正常運行。經(jīng)驗表明，只要解決好數據無(wú)線(xiàn)傳輸的可靠性問(wèn)題，在城市大容量監控系統中該方法明顯優(yōu)于有線(xiàn)傳輸方式，性能價(jià)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(guò)程中還需注意以下幾方面：

　　(1)尤其要重視無(wú)線(xiàn)信號的場(chǎng)強測試。在外圍站安裝前，由監控中心基地臺發(fā)送信號，每一個(gè)RTU安裝處都要進(jìn)行場(chǎng)強測試，應無(wú)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(gè)RTU不能滿(mǎn)足，須改變其地址;當大部分RTU都不能滿(mǎn)足要求時(shí)，必須改變無(wú)線(xiàn)電臺的工作頻點(diǎn)。

　　(2)不能選擇過(guò)高的通信波特率，否則極易引起丟碼現象。

　　(3)在A(yíng)/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

　　(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)在多山地區若無(wú)線(xiàn)信號受影響可設立中繼站。