无线通信SCADA系统的实现与应用

摘要：介绍了城市路灯无线通信SCADA系统的实现方法，包括监控中心组成与功能、无线通信方式及RTU硬件电路模块设计。 关键词：SCADA系统 测控系统 电台通信 1 SCADA系统的特点 SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统即监视控制与数据采集系统，是以计算机为基础的监测控制与调度管理自动化系统，能实现远程数据采集、设备控制、测量、参数调节以及信号报警等各项功能，可广泛应用于电力、水利、石油、化工、环保和市政等众多领域。 SCADA系统一般采用分散式测控、集中式管理的方式，整个系统由监控中心、若干个分散的远程测控终端RTU（Remote Terminal Unit）和通信介质三部分组成。监控中心又称主站，是SCADA系统的核心，负责控制管理整个系统的运行；RTU又称外围站点，是采用微处理器或DSP的可独立运行的智能测控模块，完成各种远端现场数据的采集与处理、现场执行机构的控制以及与远程控制中心的通信，具有易扩展性和易维护性特点；通信介质根据实际需求和应用对象的不同多种实现方式，下面稍作分析。 2 通信介质的选取 数据传输介质分为有线和无线两类。有线传输方式如：电力线载波、RS-485现场总线和PSTN公用电话网等。无线传输方式如：VHF/UHF无线电台 、ISM扩频电台、GSM移动电话网以及卫星通信网等。每种方法各种其特点。 电力线载波利用现有的供电线路不需另铺专用通信线路，但电力线固有干扰较大，且载波信号只能在一个配电变压器区域内传送，通信跟踪较短；RS-485现场总线具有通信效率高、可靠性好等优点，但用于大容量系统时铺设专用线路工程造价太高。 PSTN公用电话网和GSM移动电话网的初期投入费用少，无盲区覆盖，但日积月累的运营费用极高；ISM（工业科学医疗用途）频段的扩频电台（2.4GHz）及微波（4GHz以上）可用于远距离、高性能传输，但价格昂贵。 VHF/UHF无线电台：传输距离较远，只需维护费用而无运营费用，系统使用及站点扩展很方便，尤其适用于大容量分散式SCADA系统，其性能价格比高，但必须向当地无线电管理部分申请相应频点才可使用。 由此可见，有线与无线方式各有利弊，有线通信的优势在于数据传输的可靠性，但当RTU分散时测控系统辅设专用线路造价过高；而无线通信则在大容量SCADA系统中优势明显。城市路灯监控系统正是采用VHF/UHF无线电台通信方式，已在南京、福州、长春等省会城市连续常运行几年且客户反映好。实践证明，只要解决好数据传输的可靠性这一关键问题，就能保证整个无线通信SCADA系统正常可靠运行。 3 城市路灯无线通信SCADA系统的设计 该系统总体结构主要由三部分构成：监控中心、若干个外围站RTU及VHF/UHF无线电台进行数据通信。监控中心选用TAIT 855/856基地台，外围站选用Motorola GM300车载电台。城市路灯无线通信SCADA系统组网结构如图1所示。 3.1 监控中心组成和功能 城市路灯无线通信SCADA系统的控制中心主要由主控机、后备机、服务器、大屏幕多媒体投影机、电台、铁塔及天线等组成。 主控机与服务器按Client/Server结构连网。主控机作为系统的客户机，由一台Intel工控机构成，用VB语言编程，主要功能实现人机界面并通过无线Modem与电台连，向RTU发送控制指令，接收返回的检测数据和状态参数。为提高系统的可靠性，在该系统中采用另一台Intel工控机作为后备机对主控机进行备份。 用一台IBM服务器作无线通信SCADA系统的数据库服务器，RTU采集到的数据经主控机处理后存放在数据服务器中，其它管理系统经授权可以直接访问该服务器，很容量实现系统间的数据共享。 监控中心主要完成以下功能： （1）大屏幕多媒体投影机动态显示SCADA系统中每一个RTU在城市地图中所处位置及该站点的工作状态和实时参数（包括各条线路的交流电压、电流、功率、电度表读数、亮灯率等）。 （2）根据该城市所处经纠度及日出日落时间，制定出对应全年的每日开/关灯时间曲线以实时控制路灯的通/断；另外可由控制人员结合具体情况，修改开/关灯时间，并传送给RTU以进行控制。 （3）定时巡检/定点检测RTU，并通过无线Modem获取RTU返回的开关状态、数据参数及报警码。 （4）在巡检过程中，若发现故障或参数越限，可进行声光报警，并在大屏幕上动态显示以该站点位置为中主的放大地图及相应的工况、实测数据及故障形式。 （5）具有节省能源功能，实行全夜灯/半夜灯两种工作方式，由控制人员针对每条线路决定是否采用半夜灯方式及任意调节半夜灯的起止时间。同时还具有防窃电监测功能：当检测到某一支路电流值大于正常运行值时，若同一RTU中其它支路电流值正常（表明A/D芯片工作正常），则该支路存在窍电现象。 （6）采用虚拟仪表方法显示电压表、电流表、电度表等仪表形状，利用VB控件Meter在仪表盘上直观显示模拟数据量的动态变化。 （7）定时对所有RTU进行校时，确保外围站时间准确性。 （8）数据处理、存储及报表打印功能。 3.2 无线通信 3.2.1 通信介质 无线通信SCADA系统监控中心与RTU之间采用VHF/UHF无线电台进行数据传输，工作频率为203～450Hz（须向当地无线电管理部门申请相应的频点），数据通信的调制方式为FSK，传送速率为300～1200bps。RTU站点间分布较散，与监控中心距离较远，因此通信体制采用大区制。监控中心选用TAIT 855/856基地台，发射功率为45W，工作在全双工方式，覆盖范围与高增益全向天线铁塔的高度有关，半径可达几十公里。RTU采用Motorola GM300车载电台，配以定向天线，发射功率为25W，工作在半双工方式。 3.2.2 通信方式 监控中心采用广播方式或点对点方式向RTU发送命令。采用广播方式时，RTU只接收命令并执行，如校对时间、修改开/关灯时间等命令；采用点对点方式时，如遥测、遥控等命令，RTU先进行站点编号确认，若是则根据命令格式执行相应操作，如控制路为开/关、向监迭中心返回电流、电压、开关状态、故障码数据帧等。 3.3 外围站RTU结构模块设计 无线通信SCADA系统的外围站RTU结构图如图2所示。 RTU主要由单片机测控系统组成，包括数据采集处理及A/D转换电路、键盘显示电路、时钟电路、路灯全夜灯/半夜灯控制电路、无线通信电路。外围站都可独立运行，即使因通信故障等原因无法与监控中心联系，也可单独完成路灯系统的日益监控。 单片机测控系统采用80C31作为CPU，27C256作为EPROM，62256作为RAM，在地址译码电路中采用74LS138，P2.7分别接62256的片选信号(为零选中)及74LS138管脚G1（为1选中），P2.4、P2.5、P2.6分别接74LS138管脚A、B、C，输出片选信号控制多路开关、ICL7109、DS12887、74HC245、液晶显示。 （1）数据采集及A/D转换电路 RTU实时测量参数包括线路的电压、电流、电度表读数等。该模块模拟输入信号有三相交流电压UA～UC。线路总电流IA～IC，各支路电流（本系统最多可检测8条支路）I1A～I1C、…、I8A～I8C，信号经V/I变送器、多路开关（4051%26;#215;4片）、信号处理电路（包括对交流信号整流、滤波等变换）后送入双积分式A/D转换器ICL7109，转换成十二位二进制数，其中低八位D1～D8与P0.0～P0.7相连，高四位D9～D12与P0.0～P0.3相连，CPU通过控制高/低字节使能端HBEN、LBEN分别从数据总线上读取高四位及低八位数据。 （2）键盘显示电路 采用液晶显示。键功能主要有：设置站号、时间、各支路电流变化值、电流/电压调零校正、全夜灯/半夜灯模式，巡检/定点检测每一支路参数等。 （3）时钟电路 采用时钟芯片DS12C887提供精确时钟信号，包括年、月、日、时、分。可通过手动方式修改时间，也可由监控中心统一校时。 （4）路灯开/关电路 可通过固化在EPROM中的每日开/关灯时间自动执行该站点路灯线路的通/断，也可通过手动设置方式或由监控中心进行遥控来实现线路通/断。 （5）无线通信电路 由调制/解调芯片TCM3105将接收的模拟载波信号解调为数字信号传给CPU，将需发送的数字信号调制成模拟载波信号并通过GM300车载电台、定向天线与监控中心进行数据传送。 4 路灯无线通信SCADA系统实现的注意事项 采用VFH/UFH电台通信的城市路灯无线通信SCADA系统已经连续几年正常运行。经验表明，只要解决好数据无线传输的可靠性问题，在城市大容量监控系统中该方法明显优于有线传输方式，性能价格比高，且可方便地任意扩展RTU。笔者认为在设计调试安装过程中还需要注意以下几方面： （1）尤其要重视无线信号的场强测试。在外围站安装前，由监控中心基地台发送信号，每一个RTU安装处都要进行场强测试，应无明显的同频干扰和异频互调干扰，信号电平应在20dB以上。若某个RTU不能满足，须改变其地址；当大部分 RTU都不能满足要求时，必须改变无线电台的工作频点。 （2）不能选择过高的通信波特率，否则极易引起丢码现象。 （3）在A/D转换电路调试中发现，ICL7109芯片引脚17（TEST）、27（SEND）不能悬空，应与26（RUN/HOLD）同接+5V。否则A/D转换数据经常会出现不稳定现象。 （4）用于测量三相电压的V/I变送器不能直接装在主板上，否则极易受雷击而烧毁主板。 （5）在多山地区若无线信号受影响可设立中断站。