無線通信SCADA系統的實現與應用

2019-11-05 02:58:44

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作者：蔡衛峰

摘要：介紹了城市路燈無線通信SCADA系統的實現方法，包括監控中心組成與功能、無線通信方式及RTU硬件電路模塊設計。

要害詞：SCADA系統測控系統電臺通信

1 SCADA系統的特點

SCADA（SupervisoryControlandData 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治理自動化系統，能實現遠程數據采集、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、環保和市政等眾多領域。

SCADA系統一般采用分散式測控、集中式治理的方式，整個系統由監控中心、若干個分散的遠程測控終端RTU（RemoteTerminalUnit）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，負責控制治理整個系統的運行；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，完成各種遠端現場數據的采集與處理、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移動電話網以及衛星通信網等。每種方法各種其特點。

電力線載波利用現有的供電線路不需另鋪專用通信線路，但電力線固有干擾較大，且載波信號只能在一個配電變壓器區域內傳送，通信跟蹤較短；RS-485現場總線具有通信效率高、可靠性好等優點，但用于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移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，系統使用及站點擴展很方便，尤其適用于大容量分散式SCADA系統，其性能價格比高，但必須向當地無線電治理部分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，有線通信的優勢在于數據傳輸的可靠性，但當RTU分散時測控系統輔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常運行幾年且客戶反映好。實踐證實，只要解決好數據傳輸的可靠性這一要害問題，就能保證整個無線通信SCADA系統正?？煽窟\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TAIT855/856基地臺，外圍站選用MotorolaGM300車載電臺。城市路燈無線通信SCADA系統組網結構如圖1所示。

無線通信SCADA系統的實現與應用（圖一）

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、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。主控機作為系統的客戶機，由一臺Intel工控機構成，用VB語言編程，主要功能實現人機界面并通過無線Modem與電臺連，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服務器作無線通信SCADA系統的數據庫服務器，RTU采集到的數據經主控機處理后存放在數據服務器中，其它治理系統經授權可以直接訪問該服務器，很容量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）根據該城市所處經糾度及日出日落時間，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、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，并在大屏幕上動態顯示以該站點位置為中主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采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、電度表等儀表外形，利用VB控件Meter在儀表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、存儲及報表打印功能。

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之間采用VHF/UHF無線電臺進行數據傳輸，工作頻率為203～450Hz（須向當地無線電治理部門申請相應的頻點），數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，與監控中心距離較遠，因此通信體制采用大區制。監控中心選用TAIT855/856基地臺，發射功率為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MotorolaGM300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

監控中心采用廣播方式或點對點方式向RTU發送命令。采用廣播方式時，RTU只接收命令并執行，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行相應操作，如控制路為開/關、向監迭中心返回電流、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，包括數據采集處理及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系，也可單獨完成路燈系統的日益監控。

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關、ICL7109、DS12887、74HC245、液晶顯示。

（1）數據采集及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）后送入雙積分式A/D轉換器ICL7109，轉換成十二位二進制數，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通過控制高/低字節使能端HBEN、LBEN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

采用液晶顯示。鍵功能主要有：設置站號、時間、各支路電流變化值、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

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，將需發送的數字信號調制成模擬載波信號并通過GM300車載電臺、定向天線與監控中心進行數據傳送。

無線通信SCADA系統的實現與應用（圖二）