基于三重網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)設(shè)計

杜向黨，張 宇，鞏靜靜，石秀華

（西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西 西安 710072）

0 引言

隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程測控技術(shù)得到迅猛提高。遠(yuǎn)程測控的核心之一就是遠(yuǎn)程通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的數(shù)據(jù)傳輸方式多種多樣，而且隨著通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，新的傳輸方式也陸續(xù)出現(xiàn)[1-4]。在此，將長距離無線通信方式、短距離無線通信方式和有線通信方式結(jié)合起來，利用LabVIEW建立測控中心人機(jī)界面，對自來水廠各個點的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理，同時存入數(shù)據(jù)庫，并由技術(shù)人員做出響應(yīng)，實現(xiàn)對水廠各分站的遠(yuǎn)程測控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 現(xiàn)場地理條件

系統(tǒng)是基于某山區(qū)集中供水系統(tǒng)的實際需要進(jìn)行設(shè)計的。該集中供水系統(tǒng)位于山區(qū)，整個系統(tǒng)包含深井泵房、供水廠、1＃供水點、2＃供水點、1＃高位水池和2＃高位水池6個監(jiān)控現(xiàn)場。其中1＃高位水池和2＃高位水池位于山上，遠(yuǎn)離居民區(qū)。6個測控現(xiàn)場分別位于不同的地點，水廠與測控中心間直線距離200m，1＃供水點與測控中心間直線距離2.4km，1＃供水點與1＃高位水池間直線距離1 km，深井泵房與測控中心間直線距離3.5km，2＃供水點與監(jiān)控中心間直線距離4.2km，2＃供水點與2＃高位水池間直線距離1.1km。其中深井泵房主要設(shè)備為深井泵；供水廠、1＃加壓泵房、2＃加壓泵房3個分站均包含1對泵（一用一備）和1個蓄水池；1＃高位水池和2＃高位水池基本設(shè)備為1個蓄水池[5]。

1.2 系統(tǒng)功能分析

測控中心需根據(jù)測控數(shù)據(jù)對泵進(jìn)行自動控制，實現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動化，并將各個蓄水池液位、水泵電流、出水流量、出水壓力、泵的運(yùn)行狀態(tài)、是否有故障以及軟啟動故障等數(shù)據(jù)傳給測控中心，以便工作人員能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，要發(fā)出警報，提醒工作人員檢修，保證整個集中供水系統(tǒng)安全運(yùn)行，給用戶提供用水保障。同時，完成測控界面的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，省市縣級水利部門、技術(shù)人員和維修人員等用戶，只需在通用瀏覽器中輸入測控界面網(wǎng)址，就可以實現(xiàn)對測控界面的遠(yuǎn)程訪問。

1.3 總體設(shè)計

系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：供水?dāng)?shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)的實時采集；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測與自動控制；錯誤報警提示；數(shù)據(jù)庫管理；系統(tǒng)工作日志的郵件發(fā)送；對系統(tǒng)測控界面的遠(yuǎn)程訪問。整個系統(tǒng)可以分為現(xiàn)場測控子系統(tǒng)、基于多重網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通訊子系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控軟件3部分。

2 現(xiàn)場測控子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集現(xiàn)場設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)需求分析，要采集的數(shù)據(jù)分為2類。一類是泵的相關(guān)信息，主要有泵的運(yùn)行狀態(tài)、水泵電流、是否有故障和是否有軟啟動故障，這4組數(shù)據(jù)直接由泵的控制主回路接入；另一類是傳感器測得的數(shù)據(jù)，主要有蓄水池液位、出水流量和出水壓力。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需選用合適的傳感器，來完成對蓄水池液位、泵的出水流量和出水壓力的采集。

高位水池處于郊外，需要太陽能蓄電池供電。太陽能電池要同時為液位傳感器和ZigBee模塊供電，而液位傳感器和ZigBee模塊都是全天用電工作，需要的功耗比較大。然而這種方案所需的太陽能供電系統(tǒng)成本太高。為了解決上述問題，降低造價，系統(tǒng)降低了對高位水池蓄水池液位信息采集裝置的要求。變采集模擬量為采集開關(guān)量，把液位信號的模擬量采集裝置改成機(jī)械式的浮球開關(guān)，太陽能電池不需要為信號采集裝置供電。浮球開關(guān)的開／關(guān)信號轉(zhuǎn)換時，無線發(fā)射器才需要工作，其他時間處于待機(jī)狀態(tài)。經(jīng)過計算，這種方案所需的太陽能供電系統(tǒng)成本比較低。所以，系統(tǒng)選用UHC磁性液位傳感器采集蓄水池液位；選用AO-100系列的標(biāo)準(zhǔn)壁掛外夾式超聲波流量計；選用HBY201小型壓力變送器作為壓力傳感器。

2.2 現(xiàn)場PLC控制器

現(xiàn)場PLC控制器主要用于實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的自動控制。其主要功能為：將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)測控軟件；執(zhí)行上位機(jī)測控軟件發(fā)來的控制命令，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的自動控制。自動控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)主要包括控制器的硬件選型和控制軟件的開發(fā)[6]。

系統(tǒng)選用西門子S7-200系列的CPU 224XP，模擬量擴(kuò)展模塊選用EM231模擬量擴(kuò)展模塊，在確保能完成指定功能的同時也為后續(xù)的開發(fā)留足余量[7]?？刂栖浖闹饕δ苡校翰杉F(xiàn)場數(shù)據(jù)；根據(jù)通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)測控軟件；接收上位機(jī)發(fā)來的控制命令，并完成相應(yīng)的操作。

2.3 太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)中由于1＃高位水池和2＃高位水池位于遠(yuǎn)離居住區(qū)的山頂，至今未通市電。如果專門為系統(tǒng)架設(shè)輸電線，成本過高，并且1＃高位水池和2＃高位水池的用電設(shè)備較少。綜合考慮以上因素，系統(tǒng)采用太陽能蓄電池，為1＃高位水池和2＃高位水池的用電設(shè)備供電。

系統(tǒng)蓄電池采用FP12140（膠體）電池。其輸出電壓為12V，容量為14Ah；充電電壓為14.60～14.80V；充電時間為8～12h；最大充電電流為3.5 A。根據(jù)當(dāng)?shù)靥栞椛鋸?qiáng)度計算，即使從11月起連續(xù)6個月光照不足，蓄電池未充滿，最少容量仍有69.4%，即放電深度最大只有30.6%。同時，采用輸出功率為10W的太陽能電池方陣，也能確保無線發(fā)射端在極端天氣情況，以及電路損耗時正常工作?？刂破鞑捎肧DRC型太陽能電源控制器。

3 基于多重網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通信子系統(tǒng)設(shè)計

通信系統(tǒng)主要用于上位機(jī)監(jiān)控軟件與下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和自動控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了方便技術(shù)人員及管理者能夠隨時隨地對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)訪問功能，此為基于Internet的第1重網(wǎng)絡(luò)。

圖1 基于多重網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)

由于測控現(xiàn)場位于地形復(fù)雜的山區(qū)，布線費(fèi)用較高，考慮到經(jīng)濟(jì)性問題，故采用無線通訊方式。各測控現(xiàn)場距離控制中心較遠(yuǎn)，宜采用長距離的無線數(shù)據(jù)傳輸方案，PLC通過DTU，使用GPRS實現(xiàn)與水廠監(jiān)控系統(tǒng)的雙向通訊，此為基于GPRS的第2重網(wǎng)絡(luò)。

在系統(tǒng)較大、測控現(xiàn)場較多的情況下，如果每個測控現(xiàn)場都同時與監(jiān)控中心直接通信，則可能會造成監(jiān)控中心繁忙，容易出現(xiàn)錯誤，并且每路都需要按月支付GPRS網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)，使用成本較高，因此應(yīng)考慮簡化系統(tǒng)[8]。系統(tǒng)中1＃高位水池和2＃高位水池只需采集蓄水池的液位信息，只監(jiān)不控，要實現(xiàn)的功能較簡單，且蓄水池與高位水池距離較近，因此可在只監(jiān)不控的非測控點與相鄰的測控點間建立基于ZigBee的第3重網(wǎng)絡(luò)，將采集到的液位信息就近傳到相鄰的測控現(xiàn)場控制器中，再與相鄰監(jiān)控現(xiàn)場中的數(shù)據(jù)一起傳給測控中心。這樣一來，就減少了三分之一的通訊鏈路，簡化了系統(tǒng)、降低了成本。

3.1 基于Internet的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)設(shè)計

基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊用于實現(xiàn)測控界面的遠(yuǎn)程訪問。要實現(xiàn)這一功能，首先要實現(xiàn)對上位機(jī)服務(wù)器的遠(yuǎn)程訪問。在Internet上，每臺電腦或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址是全世界惟一的，要想登陸一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，只要通過其IP地址進(jìn)行登陸即可。大部分Internet用戶分配的IP地址都是動態(tài)的，通過動態(tài)域名解析，可以使用固定的域名訪問IP地址不斷變化的服務(wù)器。系統(tǒng)選用“花生殼動態(tài)域名”來完成動態(tài)域名解析，首先申請域名，并激活花生殼服務(wù)，然后在服務(wù)器上運(yùn)行花生殼軟件，申請的域名就會指向花生殼軟件所在的服務(wù)器。

解決了服務(wù)器的Internet遠(yuǎn)程訪問的問題后，用LabVIEW Web Server將測控界面發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中去。完成后，用戶只需在通用瀏覽器中輸入監(jiān)控界面網(wǎng)址，就可以實現(xiàn)對測控界面的遠(yuǎn)程訪問[9]。

3.2 基于GPRS的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)設(shè)計

GPRS無線通訊系統(tǒng)，主要用于完成上位機(jī)測控軟件和測控點下位機(jī)控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)主要分為硬件和軟件2部分。硬件由DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）、天線以及串口線組成，軟件部分由數(shù)據(jù)中心軟件和虛擬串口軟件組成。DTU支持?jǐn)?shù)據(jù)中心為固定IP方式或動態(tài)IP加域名解析方式，因此只要將數(shù)據(jù)中心的固定IP地址或者域名通過其設(shè)置程序?qū)懭隓TU中，并將DTU設(shè)置好后，給DTU卡槽中裝入已開通GPRS無線上網(wǎng)業(yè)務(wù)的SIM卡，同時在監(jiān)控中心運(yùn)行DTU采集中心軟件，DTU即可自動登錄數(shù)據(jù)采集中心軟件。數(shù)據(jù)中心軟件分配給每個DTU一個端口號，然后用虛擬串口軟件創(chuàng)建虛擬串口，并與此端口號一一對應(yīng)，此時，上位機(jī)測控軟件通過與虛擬串口的通信，就實現(xiàn)了與下位機(jī)間的通信。

3.3 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的近距離通信系統(tǒng)設(shè)計

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的近距離無線通信系統(tǒng)為第3重網(wǎng)絡(luò)，用于將高位水池液位信息傳給供水點控制器。其目的是在部分距離較近的分站之間建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，測控中心只與控制分站交換數(shù)據(jù)，集中控制，有效地簡化了網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee模塊選用Digi公司的XBee-PRO DigiMesh 2.4嵌入式無線射頻模塊。高位水池與供水點間距離不超過1.2km，而此模塊的戶外傳輸距離為1.6km，完全滿足系統(tǒng)要求。此模塊采用DigiMesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該協(xié)議為對等通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供大容量網(wǎng)絡(luò)，支持路由器休眠，可延長電池供電網(wǎng)絡(luò)的供電時間。

4 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件開發(fā)

服務(wù)器上裝載的程序主要有主測控程序、Web服務(wù)器、郵件服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。主測控程序用圖形化編程軟件LabVIEW編制，根據(jù)其功能將它分為4大部分。

4.1 通訊模塊

VISA是NI公司與許多大公司成立的VXIplug＆play系統(tǒng)聯(lián)盟開發(fā)的，通過它可與大多數(shù)機(jī)器總線連接，且穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)即通過它與串口進(jìn)行通訊。進(jìn)行串口通訊時需要初始化、發(fā)送／接收和關(guān)閉串口3個步驟。初始化時設(shè)置好串口號、波特率、數(shù)據(jù)位和停止位等值[10]。

4.2 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊用于將采集到的數(shù)據(jù)及發(fā)出的命令實時地存入數(shù)據(jù)庫，同時提供數(shù)據(jù)查詢功能，利用LabSQL工具包可以很方便地完成這些功能。首先要建立一個數(shù)據(jù)源與已經(jīng)建好的數(shù)據(jù)庫連接起來，然后就可以通過LabSQL工具包對此數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫。讀寫過程分為建立連接、打開連接、讀／寫和關(guān)閉連接4個步驟[11]。

4.3 發(fā)郵件模塊

工作日志以附件的形式定時發(fā)送。通過調(diào)用SMTP Email可以設(shè)置郵件服務(wù)器、收件人列表、郵件主題和郵件內(nèi)容，同時還可以發(fā)送附件。收件人列表存入Excel表格中，通過調(diào)用“讀取電子表格文件”來獲取。當(dāng)有外網(wǎng)郵箱時，只能在本機(jī)發(fā)送也就是IP地址必須是localhost。如果只有內(nèi)網(wǎng)郵箱，服務(wù)器在本機(jī)時可以用localhost也可以用IP地址，服務(wù)器不在本機(jī)時只能用IP地址。

4.4 Web發(fā)布模塊

Web發(fā)布模塊用LabVIEW自帶的Web服務(wù)器，將測控界面以網(wǎng)頁的形式發(fā)布，工作人員只需知道服務(wù)器的IP地址，就可通過通用瀏覽器訪問服務(wù)器上的監(jiān)控界面。

5 結(jié)束語

介紹了一種基于B／S模式，將ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)、GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。針對測控點“整體分散、局部密集”的現(xiàn)象，構(gòu)建三重通訊網(wǎng)絡(luò)，揚(yáng)長避短，最大化的發(fā)揮了3種通訊方式的優(yōu)點?？蛻舳酥恍璋惭b通用瀏覽器即可訪問服務(wù)器上的測控界面，方便實用。系統(tǒng)施工簡單，便于維護(hù)、管理，成本較低。同時，對于一些地形復(fù)雜的偏遠(yuǎn)地區(qū)，供電架線難度大且成本高，可采用太陽能電池為能耗較低的ZigBee模塊供電，節(jié)約能源，具有一定的推廣意義。

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