無線通信SCADA系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

摘要：介紹了城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括監(jiān)控中心組成與功能、無線通信方式及RTU硬件電路模塊設(shè)計。

1 SCADA系統(tǒng)的特點

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)即監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是以計算機為基礎(chǔ)的監(jiān)測控制與調(diào)度管理自動化系統(tǒng)，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警等各項功能，可廣泛應(yīng)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(tǒng)一般采用分散式測控、集中式管理的方式，整個系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個分散的遠(yuǎn)程測控終端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)控制管理整個系統(tǒng)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(yuǎn)端現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的控制以及與遠(yuǎn)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(zhì)根據(jù)實際需求和應(yīng)用對象的不同多種實現(xiàn)方式，下面稍作分析。

2 通信介質(zhì)的選取

數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)分為有線和無線兩類。有線傳輸方式如：電力線載波、RS-485現(xiàn)場總線和PSTN公用電話網(wǎng)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(wǎng)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)等。每種方法各種其特點。

電力線載波利用現(xiàn)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(qū)域內(nèi)傳送，通信跟蹤較短；RS-485現(xiàn)場總線具有通信效率高、可靠性好等優(yōu)點，但用于大容量系統(tǒng)時鋪設(shè)專用線路工程造價太高。

PSTN公用電話網(wǎng)和GSM移動電話網(wǎng)的初期投入費用少，無盲區(qū)覆蓋，但日積月累的運營費用極高；ISM（工業(yè)科學(xué)醫(yī)療用途）頻段的擴頻電臺（2.4GHz）及微波（4GHz以上）可用于遠(yuǎn)距離、高性能傳輸，但價格昂貴。

VHF/UHF無線電臺：傳輸距離較遠(yuǎn)，只需維護費用而無運營費用，系統(tǒng)使用及站點擴展很方便，尤其適用于大容量分散式SCADA系統(tǒng)，其性能價格比高，但必須向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部分申請相應(yīng)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(yōu)勢在于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但?dāng)RTU分散時測控系統(tǒng)輔設(shè)專用線路造價過高；而無線通信則在大容量SCADA系統(tǒng)中優(yōu)勢明顯。城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)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(xù)常運行幾年且客戶反映好。實踐證明，只要解決好數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃@一關(guān)鍵問題，就能保證整個無線通信SCADA系統(tǒng)正?？煽窟\行。

3 城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)的設(shè)計

該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成：監(jiān)控中心、若干個外圍站RTU及VHF/UHF無線電臺進行數(shù)據(jù)通信。監(jiān)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(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    3.1 監(jiān)控中心組成和功能

城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)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、鐵塔及天線等組成。

主控機與服務(wù)器按Client/Server結(jié)構(gòu)連網(wǎng)。主控機作為系統(tǒng)的客戶機，由一臺Intel工控機構(gòu)成，用VB語言編程，主要功能實現(xiàn)人機界面并通過無線Modem與電臺連，向RTU發(fā)送控制指令，接收返回的檢測數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)。為提高系統(tǒng)的可靠性，在該系統(tǒng)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(wù)器作無線通信SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，RTU采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控機處理后存放在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，其它管理系統(tǒng)經(jīng)授權(quán)可以直接訪問該服務(wù)器，很容量實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享。

監(jiān)控中心主要完成以下功能：

（1）大屏幕多媒體投影機動態(tài)顯示SCADA系統(tǒng)中每一個RTU在城市地圖中所處位置及該站點的工作狀態(tài)和實時參數(shù)（包括各條線路的交流電壓、電流、功率、電度表讀數(shù)、亮燈率等）。

（2）根據(jù)該城市所處經(jīng)糾度及日出日落時間，制定出對應(yīng)全年的每日開/關(guān)燈時間曲線以實時控制路燈的通/斷；另外可由控制人員結(jié)合具體情況，修改開/關(guān)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(guān)狀態(tài)、數(shù)據(jù)參數(shù)及報警碼。

（4）在巡檢過程中，若發(fā)現(xiàn)故障或參數(shù)越限，可進行聲光報警，并在大屏幕上動態(tài)顯示以該站點位置為中主的放大地圖及相應(yīng)的工況、實測數(shù)據(jù)及故障形式。

（5）具有節(jié)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(diào)節(jié)半夜燈的起止時間。同時還具有防竊電監(jiān)測功能：當(dāng)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(xiàn)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在儀表盤上直觀顯示模擬數(shù)據(jù)量的動態(tài)變化。

（7）定時對所有RTU進行校時，確保外圍站時間準(zhǔn)確性。

（8）數(shù)據(jù)處理、存儲及報表打印功能。

3.2 無線通信

3.2.1 通信介質(zhì)

無線通信SCADA系統(tǒng)監(jiān)控中心與RTU之間采用VHF/UHF無線電臺進行數(shù)據(jù)傳輸，工作頻率為203～450Hz（須向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門申請相應(yīng)的頻點），數(shù)據(jù)通信的調(diào)制方式為FSK，傳送速率為300～1200bps。RTU站點間分布較散，與監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，因此通信體制采用大區(qū)制。監(jiān)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鐵塔的高度有關(guān)，半徑可達(dá)幾十公里。RTU采用Motorola GM300車載電臺，配以定向天線，發(fā)射功率為25W，工作在半雙工方式。

3.2.2 通信方式

監(jiān)控中心采用廣播方式或點對點方式向RTU發(fā)送命令。采用廣播方式時，RTU只接收命令并執(zhí)行，如校對時間、修改開/關(guān)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(rèn)，若是則根據(jù)命令格式執(zhí)行相應(yīng)操作，如控制路為開/關(guān)、向監(jiān)迭中心返回電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)、故障碼數(shù)據(jù)幀等。

3.3 外圍站RTU結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計

無線通信SCADA系統(tǒng)的外圍站RTU結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

RTU主要由單片機測控系統(tǒng)組成，包括數(shù)據(jù)采集處理及A/D轉(zhuǎn)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(jiān)控中心聯(lián)系，也可單獨完成路燈系統(tǒng)的日益監(jiān)控。

單片機測控系統(tǒng)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(guān)、ICL7109、DS12887、74HC245、液晶顯示。

（1）數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換電路

RTU實時測量參數(shù)包括線路的電壓、電流、電度表讀數(shù)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(tǒng)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(zhuǎn)換器ICL7109，轉(zhuǎn)換成十二位二進制數(shù)，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(jié)使能端HBEN、LBEN分別從數(shù)據(jù)總線上讀取高四位及低八位數(shù)據(jù)。

（2）鍵盤顯示電路

采用液晶顯示。鍵功能主要有：設(shè)置站號、時間、各支路電流變化值、電流/電壓調(diào)零校正、全夜燈/半夜燈模式，巡檢/定點檢測每一支路參數(shù)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(jiān)控中心統(tǒng)一校時。

（4）路燈開/關(guān)電路

可通過固化在EPROM中的每日開/關(guān)燈時間自動執(zhí)行該站點路燈線路的通/斷，也可通過手動設(shè)置方式或由監(jiān)控中心進行遙控來實現(xiàn)線路通/斷。

（5）無線通信電路

由調(diào)制/解調(diào)芯片TCM3105將接收的模擬載波信號解調(diào)為數(shù)字信號傳給CPU，將需發(fā)送的數(shù)字信號調(diào)制成模擬載波信號并通過GM300車載電臺、定向天線與監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)傳送。

4 路燈無線通信SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)的注意事項

采用VFH/UFH電臺通信的城市路燈無線通信SCADA系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)幾年正常運行。經(jīng)驗表明，只要解決好數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)目煽啃詥栴}，在城市大容量監(jiān)控系統(tǒng)中該方法明顯優(yōu)于有線傳輸方式，性能價格比高，且可方便地任意擴展RTU。筆者認(rèn)為在設(shè)計調(diào)試安裝過程中還需要注意以下幾方面：

（1）尤其要重視無線信號的場強測試。在外圍站安裝前，由監(jiān)控中心基地臺發(fā)送信號，每一個RTU安裝處都要進行場強測試，應(yīng)無明顯的同頻干擾和異頻互調(diào)干擾，信號電平應(yīng)在20dB以上。若某個RTU不能滿足，須改變其地址；當(dāng)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(xiàn)象。

（3）在A/D轉(zhuǎn)換電路調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，ICL7109芯片引腳17（TEST）、27（SEND）不能懸空，應(yīng)與26（RUN/HOLD）同接+5V。否則A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)經(jīng)常會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

（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(qū)若無線信號受影響可設(shè)立中斷站。