無線通信SCADA系統的簡介與設計

　　1SCADA系統的特點

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/249648.htm

　　SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)系統即監視控制與數據採集系統，是以計算機為基礎的監測控制與調度管理自動化系統，能實現遠程數據採集、設備控制、測量、參數調節以及信號報警等各項功能，可廣泛應用於電力、水利、石油、化工、環保和市政等眾多領域。

　　SCADA系統一般採用分散式測控、集中式管理的方式，整個系統由監控中心、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。監控中心又稱主站，是SCADA系統的核心，負責控制管理整個系統的運行;RTU又稱外圍站點，是採用微處理器或DSP的可獨立運行的智能測控模塊，完成各種遠端現場數據的採集與處理、現場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;通信介質根據實際需求和應用對象的不同有多種實現方式，下面稍作分析。

　　2 通信介質的選取

　　數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行動電話網以及衛星通信網等。每種方法各有其特點。

　　電力線載波利用現有的供電線路不需另鋪專用通信線路，但電力線固有幹擾較大，且載波信號只能在一個配電變壓器區域內傳送，通信距離較短;RS-485現場總線具有通信效率高、可靠性好等優點，但用於大容量系統時鋪設專用線路工程造價太高。

　　PSTN公用電話網和GSM行動電話網的初期投入費用少，無盲區覆蓋，但日積月累的運營費用極高;ISM(工業科學醫療用途)頻段的擴頻電臺(2.4GHz)及微波(4GHz以上)可用於遠距離、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，系統使用及站點擴展很方便，尤其適用於大容量分散式SCADA系統，其性能價格比高，但必須向當地無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，有線通信的優勢在於數據傳輸的可靠性，但當RTU分散時測控系統鋪設專用線路造價過高;而無線通信則在大容量SCADA系統中優勢明顯。城市路燈監控系統正是採用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正常運行幾年且客戶反映好。實踐證明，只要解決好數據傳輸的可靠性這一關鍵問題，就能保證整個無線通信SCADA系統正常可靠運行。

　　3 城市路燈無線通信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、若干個外圍站RTU及VHF/UHF無線電臺進行數據通信。監控中心選用TAIT 855/856基地臺，外圍站選用Motorola GM300車載電臺。城市路燈無線通信SCADA系統組網結構如圖1所示。

　　

 

　　3.1 監控中心組成和功能

　　城市路燈無線通信SCADA系統的控制中心主要由主控機、後備機、伺服器、大屏幕多媒體投影機、電臺、鐵塔及天線等組成。

　　主控機與伺服器按Client/Server結構連網。主控機作為系統的客戶機，由一臺Intel工控機構成，用VB語言編程，主要功能是實現人機界面並通過無線Modem與電臺相連，向RTU發送控制指令，接收返回的檢測數據和狀態參數。為提高系統的可靠性，在該系統中採用另一臺Intel工控機作為後備機對主控機進行備份。

　　用一臺IBM伺服器作為無線通信SCADA系統的資料庫伺服器，RTU採集到的數據經主控機處理後存放在數據伺服器中，其它管理系統經授權可以直接訪問該伺服器，很容易實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態顯示SCADA系統中每一個RTU在城市地圖中所處位置及該站點的工作狀態和實時參數(包括各條線路的交流電壓、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，並傳送給RTU以進行控制。

　　(3)定時巡檢/定點檢測RTU，並通過無線Modem獲取RTU返回的開關狀態、數據參數及報警碼。

　　(4)在巡檢過程中，若發現故障或參數越限，可進行聲光報警，並在大屏幕上動態顯示以該站點位置為中心的放大地圖及相應的工況、實測數據及故障形式。

　　(5)具有節省能源功能，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採用半夜燈方式及任意調節半夜燈的起止時間。同時還具有防竊電監測功能:當檢測到某一支路電流值大於正常運行值時，若同一RTU中其它支路電流值正常(表明A/D晶片工作正常)，則該支路上存在竊電現象。

　　(6)採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控制項Meter在儀錶盤上直觀顯示模擬數據量的動態變化。

　　(7)定時對所有RTU進行校時，確保外圍站時間準確性。

　　(8)數據處理、存儲及報表列印功能。

　　3.2 無線通信

　　3.2.1 通信介質

　　無線通信SCADA系統監控中心與RTU之間採用VHF/UHF無線電臺進行數據傳輸，工作頻率為230～450Hz(須向當地無線電管理部門申請相應的頻點)，數據通信的調製方式為FSK，傳送速率為300～1200bps。RTU站點間分布較散，與監控中心距離較遠，因此通信體制採用大區制。監控中心選用TAIT 855/856基地臺，發射功率為45W，工作在全雙工方式，覆蓋範圍與高增益全向天線鐵塔的高度有關，半徑可達幾十公裡。RTU採用Motorola GM300車載電臺，配以定向天線，發射功率為25W，工作在半雙工方式。

　　3.2.2通信方式

　　監控中心採用廣播方式或點對點方式向RTU發送命令。採用廣播方式時，RTU只接收命令並執行，如校對時間、修改開/關燈時間等命令;採用點對點方式時，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行相應操作，如控制路燈開/關、向監控中心返回電流、電壓、開關狀態、故障碼數據幀等。

　　3.3 外圍站RTU結構模塊設計

　　無線通信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，包括數據採集處理及A/D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控中心聯繫，也可單獨完成路燈系統的日常監控。

　　單片機測控系統採用80C31作為CPU，27C256作為EPROM，62256作為RAM，在地址解碼電路中採用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)數據採集及A/D轉換電路

　　RTU實時測量參數包括線路的電壓、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)後送入雙積分式A/D轉換器ICL7109，轉換成十二位二進位數，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通過控制高/低字節使能端

分別從數據總線上讀取高四位及低八位數據。

 

　　(2)鍵盤顯示電路

　　採用液晶顯示。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等。

　　(3)時鐘電路

　　採用時鐘晶片DS12C887提供精確時鐘信號，包括年、月、日、時、分。可通過手動方式修改時間，也可由監控中心統一校時。

　　(4)路燈開/關電路

　　可通過固化在EPROM中的每日開/關燈時間自動執行該站點路燈線路的通/斷，也可通過手動設置方式或由監控中心進行遙控來實現線路通/斷。

　　(5)無線通信電路

　　由調製/解調晶片TCM3105將接收的模擬載波信號解調為數位訊號傳給CPU，將需發送的數位訊號調製成模擬載波信號並通過GM300車載電臺、定向天線與監控中心進行數據傳送。

　　4 路燈無線通信SCADA系統實現的注意事項

　　採用VFH/UFH電臺通信的城市路燈無線通信SCADA系統已經連續幾年正常運行。經驗表明，只要解決好數據無線傳輸的可靠性問題，在城市大容量監控系統中該方法明顯優於有線傳輸方式，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，由監控中心基地臺發送信號，每一個RTU安裝處都要進行場強測試，應無明顯的同頻幹擾和異頻互調幹擾，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象。

　　(3)在A/D轉換電路調試中發現，ICL7109晶片引腳17(TEST)、27(SEND)不能懸空，應與26

同接+5V。否則A/D轉換數據經常會出現不穩定現象。

 

　　(4)用於測量三相電壓的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)在多山地區若無線信號受影響可設立中繼站。