基于SCADA的遠程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

劉鵬，吳海峰，要艷靜，惠行健

(航天長征化學工程股份有限公司，北京 101111)

當前，PLC，DCS，智能儀表等已廣泛應用于現(xiàn)場生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，并發(fā)展到由上述設備相互協(xié)同、共同面向整個生產(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或第三方通信設備來讀取數(shù)據(jù)。如果想要實現(xiàn)不同DCS之間或者DCS與通信設備之間的互相讀取數(shù)據(jù)，就需要通過OPC服務器來進行數(shù)據(jù)讀取，這樣會加大成本。為了解決該問題，筆者結(jié)合項目開發(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)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，最后通過上位機可以隨時監(jiān)測和跟蹤各裝置的數(shù)據(jù)。

1 SCADA系統(tǒng)概述

SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎的DCS監(jiān)控系統(tǒng)；可以應用于電力、冶金、石油、化工等諸多領域。不同的應用領域?qū)CADA系統(tǒng)要求不同，所以各SCADA系統(tǒng)組成也不完全相同。在流程控制領域中，SCADA系統(tǒng)應用最為廣泛，技術發(fā)展也最為成熟，它是以計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。 SCADA系統(tǒng)主要由遠程終端設備(RTU)、主站計算機(包括硬件和軟件)、操作人員數(shù)據(jù)顯示和控制盤及有關的外圍設備等組成，如圖1所示。在流程控制領域，DCS帶的SCADA系統(tǒng)都是將DCS作為主站，其他第三方通信設備作為從站。文中介紹的遠程無線數(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，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，發(fā)送給遠程服務器。

1) 上位機側(cè)重監(jiān)控功能。上位機系統(tǒng)通常包括SCADA服務器、工程師站、Web服務器等，這些設備通常采用以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)安全性要求，上位機系統(tǒng)還可以實現(xiàn)冗余，即配置2臺SCADA服務器，當一臺出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動切換到另外一臺工作。

2) 下位機側(cè)重于數(shù)據(jù)采集功能。下位機配置的各種輸入設備(DI，AI等)進行數(shù)據(jù)采集；下位機接收上位機的監(jiān)控，并且向上位機傳輸各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

3) 通信網(wǎng)絡。實現(xiàn)上、下位機數(shù)據(jù)交換，通信網(wǎng)絡實現(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)絡在SCADA系統(tǒng)中扮演的作用更為重要，這主要因為SCADA系統(tǒng)監(jiān)控的過程大多具有地理分散的特點，如無線通信機站系統(tǒng)的監(jiān)控。

圖1 SCADA系統(tǒng)的組成示意

2 遠程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成

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

2．1 有線遠程數(shù)據(jù)傳輸

以專線方式和電話線的遠程傳輸應用比較廣泛，主要是這兩者初期建設的時間短，且在短時間應用期間費用小，線路的維護費也比較低。隨著傳輸系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，現(xiàn)場環(huán)境越來越復雜，需要傳輸?shù)哪繕诵问揭苍絹碓蕉鄻踊?，對?qū)動器和用戶接口的需求越來越高，同時傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得越來越分散化。隨著網(wǎng)絡帶寬的發(fā)展和穩(wěn)定性提高，通過網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)傳輸越來越現(xiàn)實和可行。

2．2 無線遠程數(shù)據(jù)傳輸

基于網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是以計算機為核心，結(jié)合多媒體編程技術、計算機網(wǎng)絡通信技術以及自動控制技術構(gòu)建的傳輸系統(tǒng)。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在遠距離傳輸方面。GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸方式是目前十分適合遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式，具有運行成本低、實時性好、可靠性高、不受地域限制等優(yōu)點。最重要的是GPRS網(wǎng)絡是由移動運營商投資，可以節(jié)省巨額的網(wǎng)絡建設費用，達到環(huán)保、節(jié)能、資源共享的目的，而且免除了網(wǎng)絡的日常修改和維護，最大限度地節(jié)省了投資。因此，利用GPRS無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，可使系統(tǒng)建設及維護成本大幅降低。

2．3 遠程無線數(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?，遠程數(shù)據(jù)傳輸部分將終端收集的數(shù)據(jù)按照網(wǎng)絡協(xié)議發(fā)送到GPRS/CDMA網(wǎng)，再通過Internet傳送到監(jiān)控中心計算機中，同樣監(jiān)控中心的查詢或控制命令也可以通過GPRS 網(wǎng)絡發(fā)送給遠程裝置控制中心。

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)進行遠程監(jiān)控，將現(xiàn)場各種檢測儀表的運行參數(shù)采集到DCS服務器的數(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

為了滿足遠程監(jiān)控，該項目開發(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)和實時數(shù)據(jù)庫，利用物聯(lián)網(wǎng)感知技術、GPRS等無線通信技術，實現(xiàn)對DCS/PLC或第三方通信設備測量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行狀態(tài)等指標進行在線監(jiān)控，從而實現(xiàn)遠程故障診斷、異常報警等功能。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或電信的無線網(wǎng)絡發(fā)送給遠方信息中心的接收服務器，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)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

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

2．3．3無線數(shù)據(jù)接收和顯示

網(wǎng)絡化SCADA系統(tǒng)以各種網(wǎng)絡技術為基礎，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/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器結(jié)構(gòu)(B/S)為基礎，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應用，以滿足遠程監(jiān)控的需要。

隨著Internet的普及和發(fā)展，以往的主機/終端和C/S結(jié)構(gòu)都無法滿足當前的全球網(wǎng)絡開放、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)應運而生，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。用戶可以通過瀏覽器去訪問Internet上的文本、數(shù)據(jù)、圖像、動畫、視頻點播和聲音信息，這些信息都是由許多的Web服務器產(chǎn)生的，而每一個Web服務器又可以通過各種方式與數(shù)據(jù)庫服務器鏈接，大量的數(shù)據(jù)實際存放在數(shù)據(jù)庫服務器中。該結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點： 客戶機統(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的問題；具有分布性特點，可以隨時隨地進行查詢、瀏覽等業(yè)務處理；業(yè)務擴展簡單方便，通過增加網(wǎng)頁即可增加服務器功能；維護簡單方便，只需要改變網(wǎng)頁，即可實現(xiàn)所有用戶的同步更新；開發(fā)簡單，共享性強，如圖4所示。

圖4 遠程數(shù)據(jù)顯示

2) 上位機的軟件采用VC進行，軟件平臺由服務器和Web數(shù)據(jù)瀏覽端兩部分構(gòu)成。服務器的功能主要通過服務器軟件建立和數(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瀏覽器輸入服務器地址進入系統(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、報文顯示、用戶管理等組成。

b) 數(shù)據(jù)管理模塊。負責HVDC后臺監(jiān)控系統(tǒng)前置機部分所有的數(shù)據(jù)信息(包括通道、極控、站控、保護裝置、量測點、控制點等)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。負責區(qū)域管理、企業(yè)管理、站點管理、監(jiān)測項目管理、報警管理、用戶管理。用戶可以點擊進入到站點管理選擇所屬區(qū)域和所屬企業(yè)，然后再添加站點名稱、設備編號、傳輸方式等。用戶信息分為管理員和普通用戶兩種： 管理員權限最大，可以操作所有的功能；普通用戶只可進行瀏覽查看，不能對軟件進行任何的添加、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時數(shù)據(jù)，在左側(cè)選擇要查詢的站點和所要查詢的數(shù)據(jù)類型、查詢的起始和結(jié)束時間，即可查出該條件下的歷史實時數(shù)據(jù)，還可將查出的數(shù)據(jù)以excel 文件導出到本地。

e) 實時監(jiān)測。點擊實時監(jiān)測按鈕，然后選中左側(cè)監(jiān)測點信息列表的某個站點，在右側(cè)即可看到該站點當天的實時數(shù)據(jù)情況，該頁面的實時刷新頻率為30 s，每頁可查看最多12 條記錄；在下邊可以看到該站點下某一種監(jiān)測項目的實時曲線趨勢圖，左下側(cè)的下拉選框可以任意地選擇要繪制的監(jiān)測項目,在右側(cè)就會出現(xiàn)該監(jiān)測項目的曲線圖，在該曲線圖里繪制的是當天的數(shù)據(jù)，并且從圖上可以很直觀地看到某個時刻的最高數(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) 報表統(tǒng)計。該模塊的功能是記錄所上報的實時數(shù)據(jù)，并且可以按日、月、年進行創(chuàng)建。

g) 數(shù)據(jù)補遺。該功能是為了防止設備掉線或者服務器軟件沒有打開導致數(shù)據(jù)不能正常上傳到平臺,采取對前端采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)補遺,提取歷史實時數(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)，并應用DCS進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器，就可以觀察到所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸和監(jiān)控。該系統(tǒng)可以應用到流程控制領域的重要裝置和設備的遠程在線監(jiān)測和遠程數(shù)據(jù)傳輸。對于粉煤加壓氣化裝置來說，可以進行氣化爐的在線狀態(tài)監(jiān)測、關鍵參數(shù)的獲取，避免氣化爐系統(tǒng)出現(xiàn)高溫或者出現(xiàn)損壞設備的狀況，還可以對大型機組或大型設備進行監(jiān)控和在線診斷。

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