劉鵬，吳海峰，要艷靜，惠行健

(航天長征化學(xué)工程股份有限公司，北京 101111)

當(dāng)前，PLC，DCS，智能儀表等已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，并發(fā)展到由上述設(shè)備相互協(xié)同、共同面向整個(gè)生產(chǎn)過程的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸及通信起著重要的作用，在生產(chǎn)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，DCS起著重要的作用。但是DCS基于安全等多因素的考慮，只能作為主站通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)從PLC或第三方通信設(shè)備來讀取數(shù)據(jù)。如果想要實(shí)現(xiàn)不同DCS之間或者DCS與通信設(shè)備之間的互相讀取數(shù)據(jù)，就需要通過OPC服務(wù)器來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，這樣會(huì)加大成本。為了解決該問題，筆者結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)了無線數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以把DCS作為SCADA系統(tǒng)的從站，直接通過Modbus從DCS中采集數(shù)據(jù)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，最后通過上位機(jī)可以隨時(shí)監(jiān)測和跟蹤各裝置的數(shù)據(jù)。

1 SCADA系統(tǒng)概述

SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的DCS監(jiān)控系統(tǒng)；可以應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工等諸多領(lǐng)域。不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CADA系統(tǒng)要求不同，所以各SCADA系統(tǒng)組成也不完全相同。在流程控制領(lǐng)域中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟，它是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警等各項(xiàng)功能。 SCADA系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程終端設(shè)備(RTU)、主站計(jì)算機(jī)(包括硬件和軟件)、操作人員數(shù)據(jù)顯示和控制盤及有關(guān)的外圍設(shè)備等組成，如圖1所示。在流程控制領(lǐng)域，DCS帶的SCADA系統(tǒng)都是將DCS作為主站，其他第三方通信設(shè)備作為從站。文中介紹的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，卻是將DCS作為從站，DCS將現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)通過SCADA系統(tǒng)建立的SCADA點(diǎn)，通過Modbus通信口，發(fā)送給該數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，通過該采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器。

1) 上位機(jī)側(cè)重監(jiān)控功能。上位機(jī)系統(tǒng)通常包括SCADA服務(wù)器、工程師站、Web服務(wù)器等，這些設(shè)備通常采用以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)安全性要求，上位機(jī)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)冗余，即配置2臺SCADA服務(wù)器，當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到另外一臺工作。

2) 下位機(jī)側(cè)重于數(shù)據(jù)采集功能。下位機(jī)配置的各種輸入設(shè)備(DI，AI等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；下位機(jī)接收上位機(jī)的監(jiān)控，并且向上位機(jī)傳輸各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

3) 通信網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)數(shù)據(jù)交換，通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，是SCADA系統(tǒng)的重要組成部分。與一般的過程監(jiān)控相比，通信網(wǎng)絡(luò)在SCADA系統(tǒng)中扮演的作用更為重要，這主要因?yàn)镾CADA系統(tǒng)監(jiān)控的過程大多具有地理分散的特點(diǎn)，如無線通信機(jī)站系統(tǒng)的監(jiān)控。

圖1 SCADA系統(tǒng)的組成示意

2 遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸主要包括： 基于有線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸(包括架設(shè)光纜、電纜或租用電信專線、基于公用電話網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸、專用線路的遠(yuǎn)程傳輸)；基于無線的遠(yuǎn)程傳輸(主要是建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng))。

2．1 有線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

以專線方式和電話線的遠(yuǎn)程傳輸應(yīng)用比較廣泛，主要是這兩者初期建設(shè)的時(shí)間短，且在短時(shí)間應(yīng)用期間費(fèi)用小，線路的維護(hù)費(fèi)也比較低。隨著傳輸系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜，需要傳輸?shù)哪繕?biāo)形式也越來越多樣化，對驅(qū)動(dòng)器和用戶接口的需求越來越高，同時(shí)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得越來越分散化。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的發(fā)展和穩(wěn)定性提高，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸越來越現(xiàn)實(shí)和可行。

2．2 無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心，結(jié)合多媒體編程技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)構(gòu)建的傳輸系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)距離傳輸方面。GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸方式是目前十分適合遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式，具有運(yùn)行成本低、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)。最重要的是GPRS網(wǎng)絡(luò)是由移動(dòng)運(yùn)營商投資，可以節(jié)省巨額的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用，達(dá)到環(huán)保、節(jié)能、資源共享的目的，而且免除了網(wǎng)絡(luò)的日常修改和維護(hù)，最大限度地節(jié)省了投資。因此，利用GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，可使系統(tǒng)建設(shè)及維護(hù)成本大幅降低。

2．3 遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸和測控中心數(shù)據(jù)分析及控制三大模塊構(gòu)成。通信網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)采集終端分站與監(jiān)控中心分站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸部分將終端收集的數(shù)據(jù)按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送到GPRS/CDMA網(wǎng)，再通過Internet傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)中，同樣監(jiān)控中心的查詢或控制命令也可以通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程裝置控制中心。

2．3．1現(xiàn)場裝置數(shù)據(jù)的采集

為了對控制裝置中重要的工藝參數(shù)和裝置的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，將現(xiàn)場各種檢測儀表的運(yùn)行參數(shù)采集到DCS服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)如圖2所示。DCS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以供DCS的操作工或者工程師使用。

圖2 DCS采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)系統(tǒng)示意

2．3．2無線數(shù)據(jù)采集和發(fā)送裝置

為了滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控，該項(xiàng)目開發(fā)了一套高性能無線數(shù)據(jù)采集和發(fā)送傳輸系統(tǒng)。無線數(shù)據(jù)采集和發(fā)送裝置主機(jī)采用ARM公司的ARM9處理器，并在該處理器上嵌入Linux操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，利用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、GPRS等無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對DCS/PLC或第三方通信設(shè)備測量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷、異常報(bào)警等功能。該裝置可以裝在現(xiàn)場的DCS控制柜內(nèi)，把DCS數(shù)據(jù)庫中重要的工藝參數(shù)通過Modbus采集到無線數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)，然后采集卡不斷地通過移動(dòng)或電信的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)方信息中心的接收服務(wù)器，從而可以通過IE瀏覽和查看現(xiàn)場裝置的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

軟件設(shè)置主要由常規(guī)設(shè)置、通道設(shè)置、串口設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等構(gòu)成，并支持校時(shí)及重啟功能。軟件中已經(jīng)對IP等輸入有效性進(jìn)行了判斷，最大限度地防止因輸入格式不符引起的系統(tǒng)問題。該設(shè)置軟件通過FTP與監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行文件交互，使用網(wǎng)線進(jìn)行連接，文件交互速度較快。

2．3．3無線數(shù)據(jù)接收和顯示

網(wǎng)絡(luò)化SCADA系統(tǒng)以各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，控制結(jié)構(gòu)更加分散化，信息管理更集中。系統(tǒng)普遍以客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(B/S)為基礎(chǔ)，多數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包含這兩者結(jié)構(gòu)，但以C/S結(jié)構(gòu)為主，B/S結(jié)構(gòu)主要是為了支持Internet應(yīng)用，以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要。

隨著Internet的普及和發(fā)展，以往的主機(jī)/終端和C/S結(jié)構(gòu)都無法滿足當(dāng)前的全球網(wǎng)絡(luò)開放、互連、信息隨處可見和信息共享的新要求，于是B/S型結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，如圖3所示。

圖3 B/S結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)鏈接示意

1) B/S結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。用戶可以通過瀏覽器去訪問Internet上的文本、數(shù)據(jù)、圖像、動(dòng)畫、視頻點(diǎn)播和聲音信息，這些信息都是由許多的Web服務(wù)器產(chǎn)生的，而每一個(gè)Web服務(wù)器又可以通過各種方式與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器鏈接，大量的數(shù)據(jù)實(shí)際存放在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。該結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)： 客戶機(jī)統(tǒng)一采用瀏覽器，不僅讓用戶使用方便，而且使得客戶端不存在維護(hù)的問題；具有分布性特點(diǎn)，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理；業(yè)務(wù)擴(kuò)展簡單方便，通過增加網(wǎng)頁即可增加服務(wù)器功能；維護(hù)簡單方便，只需要改變網(wǎng)頁，即可實(shí)現(xiàn)所有用戶的同步更新；開發(fā)簡單，共享性強(qiáng)，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示

2) 上位機(jī)的軟件采用VC進(jìn)行，軟件平臺由服務(wù)器和Web數(shù)據(jù)瀏覽端兩部分構(gòu)成。服務(wù)器的功能主要通過服務(wù)器軟件建立和數(shù)據(jù)庫的鏈接。具體功能如下：

a) Web數(shù)據(jù)瀏覽端。通過IE瀏覽器輸入服務(wù)器地址進(jìn)入系統(tǒng)平臺，客戶端軟件主要由數(shù)據(jù)管理模塊、圖形界面、順序事件記錄、曲線顯示、報(bào)文顯示、用戶管理等組成。

b) 數(shù)據(jù)管理模塊。負(fù)責(zé)HVDC后臺監(jiān)控系統(tǒng)前置機(jī)部分所有的數(shù)據(jù)信息(包括通道、極控、站控、保護(hù)裝置、量測點(diǎn)、控制點(diǎn)等)的組織和定義；事件順序記錄系統(tǒng)包括參數(shù)編輯、事件分類顯示、歷史事件檢索及事件分類打印。

c) 信息管理。負(fù)責(zé)區(qū)域管理、企業(yè)管理、站點(diǎn)管理、監(jiān)測項(xiàng)目管理、報(bào)警管理、用戶管理。用戶可以點(diǎn)擊進(jìn)入到站點(diǎn)管理選擇所屬區(qū)域和所屬企業(yè)，然后再添加站點(diǎn)名稱、設(shè)備編號、傳輸方式等。用戶信息分為管理員和普通用戶兩種： 管理員權(quán)限最大，可以操作所有的功能；普通用戶只可進(jìn)行瀏覽查看，不能對軟件進(jìn)行任何的添加、刪除、修改等操作。

d) 數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)查詢功能模塊可以查詢歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在左側(cè)選擇要查詢的站點(diǎn)和所要查詢的數(shù)據(jù)類型、查詢的起始和結(jié)束時(shí)間，即可查出該條件下的歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還可將查出的數(shù)據(jù)以excel 文件導(dǎo)出到本地。

e) 實(shí)時(shí)監(jiān)測。點(diǎn)擊實(shí)時(shí)監(jiān)測按鈕，然后選中左側(cè)監(jiān)測點(diǎn)信息列表的某個(gè)站點(diǎn)，在右側(cè)即可看到該站點(diǎn)當(dāng)天的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況，該頁面的實(shí)時(shí)刷新頻率為30 s，每頁可查看最多12 條記錄；在下邊可以看到該站點(diǎn)下某一種監(jiān)測項(xiàng)目的實(shí)時(shí)曲線趨勢圖，左下側(cè)的下拉選框可以任意地選擇要繪制的監(jiān)測項(xiàng)目,在右側(cè)就會(huì)出現(xiàn)該監(jiān)測項(xiàng)目的曲線圖，在該曲線圖里繪制的是當(dāng)天的數(shù)據(jù)，并且從圖上可以很直觀地看到某個(gè)時(shí)刻的最高數(shù)值和最低數(shù)值，還可以對所繪制的曲線圖進(jìn)行直接打印,也可以選擇另存到本地電腦，方便以后查看。

f) 報(bào)表統(tǒng)計(jì)。該模塊的功能是記錄所上報(bào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且可以按日、月、年進(jìn)行創(chuàng)建。

g) 數(shù)據(jù)補(bǔ)遺。該功能是為了防止設(shè)備掉線或者服務(wù)器軟件沒有打開導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能正常上傳到平臺,采取對前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)遺,提取歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

基于SCADA系統(tǒng)，利用DCS的數(shù)據(jù)庫，通過Modbus通信，筆者完成了遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件的開發(fā)，并應(yīng)用DCS進(jìn)行了程序的編寫和調(diào)試，并在公司仿真中心的模擬粉煤

加壓氣化裝置上試運(yùn)行，由DCS發(fā)送數(shù)據(jù)，無線數(shù)據(jù)采集和傳輸裝置傳輸數(shù)據(jù)，通過IE瀏覽器登錄指定服務(wù)器，就可以觀察到所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸和監(jiān)控。該系統(tǒng)可以應(yīng)用到流程控制領(lǐng)域的重要裝置和設(shè)備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。對于粉煤加壓氣化裝置來說，可以進(jìn)行氣化爐的在線狀態(tài)監(jiān)測、關(guān)鍵參數(shù)的獲取，避免氣化爐系統(tǒng)出現(xiàn)高溫或者出現(xiàn)損壞設(shè)備的狀況，還可以對大型機(jī)組或大型設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和在線診斷。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭國紅．SCADA系統(tǒng)如何過渡物聯(lián)網(wǎng)[J]．自動(dòng)化博覽,2011(09)： 56-58．

[2] 黃麗軍．遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳輸終端的研究與設(shè)計(jì)[D]．北京： 北京郵電大學(xué),2009．

[3] 王華忠．監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)及其應(yīng)用 [M]．北京： 電子工業(yè)出版社,2012．

[4] 王宗景．大型煉油項(xiàng)目電氣SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．石油化工自動(dòng)化,2011,47(03)： 20-23．

[5] 蔡衛(wèi)峰．無線通信SCADA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用 [J]．電子技術(shù)應(yīng)用,2002(08)： 61-63．

[6] 曹建．基于OPC的開放式SCADA系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[D]．長沙： 中南大學(xué),2002．

[7] 宋曉萍．基于Internet的風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006(09)： 89-93．

[8] 彭道剛．基于Modbus協(xié)議的ARM嵌入式監(jiān)測平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]．電力自動(dòng)化設(shè)備,2009(01)： 115-119．

[9] 許先斌，熊慧君，李洲，等．基于ARM9的嵌入式Linux開發(fā)流程的研究[J]．微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(11)： 95-97，258．

[10] 鄭鴻彥．基于ARM9微處理器的Modbus通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)[J]．電氣應(yīng)用,2007,26(05)： 45-48．

[11] 李曉海,南新元．GPRS無線通信在油井集中監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(01)： 130-132．