基于嵌入式PC和GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 引言

隨著電子計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)功能也在不斷增強(qiáng)。本文針對(duì)的某油田采油區(qū)較為分散的實(shí)際情況，探索應(yīng)用相應(yīng)的測(cè)控系統(tǒng)。由于存在著單井作業(yè)或數(shù)臺(tái)甚至十臺(tái)以上抽油機(jī)排列在一起，形成一個(gè)或數(shù)個(gè)井排，同時(shí)在其周圍相距幾百米分布著一些中轉(zhuǎn)原油的儲(chǔ)油罐和其他設(shè)備，為了提高采油效率，保障安全生產(chǎn)，需要采集各個(gè)抽油機(jī)、油罐、電機(jī)和油泵等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、油罐的液位和儲(chǔ)油量、電壓、電流等。為了使采油廠的生產(chǎn)管理調(diào)度部門及時(shí)掌握一線生產(chǎn)情況，必須將數(shù)據(jù)及時(shí)上傳。但工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，無法晝夜值守，又無通訊線路，因此，給生產(chǎn)管理帶來極大不便。

針對(duì)上述問題，本文討論一種不受惡劣環(huán)境影響的、可安裝在現(xiàn)場(chǎng)的基于嵌入式PC 和中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 嵌入式PC（Embedded PC）

早在20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就出現(xiàn)了一個(gè)新分支——嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。為了區(qū)別原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，把嵌入到對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)，稱作嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計(jì)算機(jī)嵌入到一個(gè)對(duì)象體系中去，也可將其定義為：“嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。對(duì)象系統(tǒng)是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)，如本文中所涉及到的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

針對(duì)對(duì)象系統(tǒng)的環(huán)境（如地理、成本）要求，嵌入式系統(tǒng)是要嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中去，能夠滿足對(duì)象要求的最小軟、硬件配置及對(duì)象系統(tǒng)控制要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的三個(gè)基本要素即“嵌入性”、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。

嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為三種：芯片級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)即微控制器，俗稱單片機(jī);模板級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)，即以8位、16位、32位微處理器為核心的板卡或模塊;系統(tǒng)級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)。本文中采用的ADAM-5510即是一款模板級(jí)的嵌入式系統(tǒng)。

3 GPRS技術(shù)及其特點(diǎn)

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡(jiǎn)稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS理論帶寬可達(dá)171.2Kbit/s，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。它采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，資源被有效的利用。GPRS能將數(shù)據(jù)打包發(fā)送，允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，只有在資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，且傳輸時(shí)按量計(jì)價(jià)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，對(duì)于用戶來說比較經(jīng)濟(jì)合理。在本研究課題中使用GPRS技術(shù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收。能永遠(yuǎn)在線并且只按傳輸流量計(jì)費(fèi)，較大幅度地降低服務(wù)成本。

4 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）

SCADA系統(tǒng)是以對(duì)生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視為主，向操作控制人員提供現(xiàn)場(chǎng)信息并由操作控制人員決定要實(shí)施的控制，最后由操作人員發(fā)出指令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器進(jìn)行操作的系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個(gè)分散的遠(yuǎn)程測(cè)控終端RTU （Remote Terminal Unit）和通信介質(zhì)三部分組成。監(jiān)控中心又稱主站，是SCADA系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行;RTU又稱外圍站點(diǎn)，相當(dāng)于DCS中的現(xiàn)場(chǎng)控制站，是采用PLC或單片機(jī)等測(cè)控系統(tǒng)組成的可獨(dú)立運(yùn)行的智能測(cè)控模塊，完成各種遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及與遠(yuǎn)程控制中心的通信、具有易擴(kuò)展性和易維護(hù)性特點(diǎn)。隨著開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷成熟和IP技術(shù)的高速發(fā)展，系統(tǒng)的功能正在逐步從單一向綜合的方向發(fā)展，許多過去要幾個(gè)不同系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)的控制和自動(dòng)化功能，現(xiàn)在只需要一個(gè)系統(tǒng)即可完成。

5 系統(tǒng)組成及原理

5.1 系統(tǒng)組成

本數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控部分、GPRS傳輸部分、外部數(shù)據(jù)網(wǎng)和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心四部分組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

在圖1所示系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控部分將各種傳感器傳回的信號(hào)經(jīng)過智能模塊的處理，通過GPRS傳輸部分將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)上，再通過外部數(shù)據(jù)網(wǎng)（如Internet）傳輸。監(jiān)控中心服務(wù)器通過GPRS Modem即可接受現(xiàn)場(chǎng)的全部數(shù)據(jù)。

由于現(xiàn)場(chǎng)大多數(shù)被測(cè)量參數(shù)都是定時(shí)采集，故GPRS模塊不必一直發(fā)送數(shù)據(jù)，而是每隔一段時(shí)間發(fā)送一次數(shù)據(jù)，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)部分在檢測(cè)到的數(shù)據(jù)變化幅度異常時(shí)，可立即發(fā)送數(shù)據(jù)，并報(bào)警。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀器必須與上位機(jī)有一定的通訊功能，才能使現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器輸出的信號(hào)，準(zhǔn)確地經(jīng)無線傳輸發(fā)送給遠(yuǎn)方的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，進(jìn)行分析、處理及存儲(chǔ)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，經(jīng)過多方面的比較，決定使用嵌入式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集器采用ADAM-5510嵌入式PC和遠(yuǎn)程模塊ADAM-5000系列模塊。ADAM-5000系列功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展，易整合，并且在通用工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中，它可以和PC主機(jī)進(jìn)行通信;本身帶有獨(dú)立運(yùn)行內(nèi)核的獨(dú)立控制器;支持多種軟件，可使用它建立滿足不同要求的SCADA系統(tǒng)。

ADAM-5510是PC-based可編程控制器，在一個(gè)5510的基座上有4個(gè)插槽，用戶可以根據(jù)需要選用不同的5000系列模塊。因此，一個(gè)ADAM-5510主單元和I/O模塊的配合可以同時(shí)測(cè)量多種數(shù)據(jù)。

ADAM-5510內(nèi)置基于x86-CPU的 ROM-DOS，16位微處理器，256KB Flash，256KB SRAM，內(nèi)建ROM-DOS，支持COM端口，2個(gè)RS-232，1個(gè)RS-485;它是在C語(yǔ)言環(huán)境中開發(fā)的，帶有自身的C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)，在程序中可以直接調(diào)用這些函數(shù)，編譯，鏈接生成可執(zhí)行文件。最后一起下載到ADAM-5510的Flash ROM中。

基于ADAM-5510的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠在惡劣環(huán)境下可靠工作，是一種智能化的現(xiàn)場(chǎng)信息采集單元，特別適合于采樣及控制點(diǎn)分散，與主機(jī)距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)采集及控制場(chǎng)合。ADAM-5510基座的插槽數(shù)，相應(yīng)模塊的通道數(shù)都較好的適應(yīng)和滿足了本系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中所反應(yīng)出來的性價(jià)比較高。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)采用的是3片8路模擬量輸入模塊ADAM-5017H采集模擬量信號(hào)，一片4路模擬量輸出模塊ADAM-5024作為數(shù)據(jù)輸出模塊。

現(xiàn)場(chǎng)使用傳感器測(cè)量的信號(hào)有溫度、壓力、流量、油罐的液位和儲(chǔ)油量、電壓、電流等，信號(hào)的傳輸類型有傳統(tǒng)的4-20mA，此外還有基于現(xiàn)場(chǎng)總線的傳感器，本系統(tǒng)使用了一些HART協(xié)議的傳感器。如圖2所示，4-20mA接到ADAM-5017H，8個(gè)HART信號(hào)并聯(lián)在一條線纜上，通過HART Modem接到ADAM-5510的一個(gè)串口上。這種連接方法使全部傳感器僅使用一個(gè)GPRS模塊，可大大節(jié)省成本。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)模塊連接圖

除傳感器外的所有設(shè)備（包括ADAM-5510、HART Modem和GPRS模塊）均置于一個(gè)IP66工業(yè)級(jí)密封箱內(nèi)，并安裝在現(xiàn)場(chǎng)。

5.3 GPRS傳輸

針對(duì)通訊成本和易用性，本系統(tǒng)采用H7112 GPRS DTU作為通訊模塊。它是一種嵌入式設(shè)備，具有TTL、RS-232/442/485、以太網(wǎng)等多種接口方式，并有耳機(jī)和麥克風(fēng)接口，軟件部分內(nèi)置了TCP/IP等通訊協(xié)議。在數(shù)據(jù)監(jiān)控中心一端以配置專門的模塊統(tǒng)一收發(fā)數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的透明傳輸，現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)收集/發(fā)送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)傳送是完全透明的，不需要后臺(tái)計(jì)算機(jī)支持，沒有對(duì)數(shù)據(jù)添加任何多余的協(xié)議，也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的排列作修改。GPRS DTU數(shù)據(jù)傳送的方向是指定的數(shù)據(jù)中心地址（IP地址）。并且H7100 GPRS DTU具有自動(dòng)撥號(hào)和在線狀況自動(dòng)檢測(cè)的功能。

5.4 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心有多種接入方式，可結(jié)合GPRS的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求進(jìn)行組網(wǎng)。組網(wǎng)形式由業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量、時(shí)延、可靠性要求、數(shù)據(jù)保密性、網(wǎng)絡(luò)狀況決定。其中專線接入適合電力、金融、證券、工業(yè)監(jiān)控等行業(yè)。企業(yè)通過專線接入中國(guó)移動(dòng)的路由器，移動(dòng)為用戶提供公有或私有IP地址。在傳輸數(shù)據(jù)的過程中使用專線接入中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS DTU向數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，傳送完全透明，不需要后臺(tái)計(jì)算機(jī)支持，沒有對(duì)數(shù)據(jù)添加任何多余的協(xié)議，也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的排列作修改。數(shù)據(jù)中心使用H6210 Modem作為中心接入的硬件設(shè)備。H6210 Modem綁定中國(guó)移動(dòng)提供的SIM卡固定數(shù)據(jù)中心地址（IP地址）。GPRS DTU向這個(gè)IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)中心的查詢命令或控制命令也可以通過互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)發(fā)送到GPRS模塊匯總，再由GPRS模塊傳送給各個(gè)儀表，對(duì)它們進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主要是工藝流程及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，本系統(tǒng)中采用Kingview 6.5組態(tài)軟件，對(duì)傳送到監(jiān)控中心的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控管理。

6 小結(jié)

基于嵌入式PC模塊與GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，具有成本低、可靠性高、不受惡劣氣候影響等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)適用于油田、礦山等大型企業(yè)生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控與管理，因此，其具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。