基于无线通讯的水源地井群SCADA系统

1、 &9(5基于无线通讯的水源地井群 SCADA 系统文章编号 :1001-9944(2009 05-0012-03李海云 , 贾敏智(太原理工大学 信息工程学院 , 太原 030024摘要 :针对山阴 县 自 来 水 公 司 水 源 地 的 特 点 , 设 计 出 一 套 水 源 地 井 群 数 据 采 集 与 监 控 (SCADA 系统 。 该系统采用无线通讯组网的方法来实现远程监控和数据传输 , 经济性好 , 运行稳定可靠 , 满足了城镇的供水需求 。关键词 :数据采集与监控 ; 无线通讯 ; 远程监控 ; 数据传输 中图分类号 :TM761文献标志码 :ASCADA System

2、 for the Well Groups of Water Resources Based on Wireless CommunicationLI Hai-yun , JIA Min-zhi(College of Information Engineering , Taiyuan University of Technology , Taiyuan 030024, China Abstract :According to the properties of the water resources of Shan Yin town Waterworks Company , the SCADA s

3、ystem for the well groups of water resources system was designed. The remote monitoring and data transmission were realized by means of wireless communication networking. The system is of well economic , steady and reliability , and meeting the requirement of town water supply.Key words :supervisory

4、 control and data acquisition (SCADA ; wireless communication ; remote monitor ; data trans-mission收稿日期 :2009-02-17; 修订日期 :2009-02-24作者简介 :李海云 (1984-, 男 , 硕士研究生 , 研究方向为控制工程 、 智能控制系统 ; 贾敏智 (1963-, 男 , 副教授 , 硕士生导师 , 研究方向为智能控制系统 、 计算机控制系统 。水源地井群 SCADA 系统的主要目的是对较为 分散或较为偏远的深井泵进行数据采集和集中监 控 。 系统中采用先进的自动控制技

5、术 、 无线数传通 信网技术和计算机技术 , 组成一个包括监控中心和 各个水源监测点在内的 SCADA 系统 , 实现对水源 地井群集中监视和控制功能 , 保证供水质量 , 满足 城镇居民对用水的需求 1-2。 该系统针对山阴自来水 公司二水厂水源地井群地处较偏 , 距县城水厂控制 中心较远的特点 , 特地采用了无线通讯的方式设计 出了一套具有遥控 、 遥测 、 遥调 、 遥信功能的现代供 水调度系统 , 实现了对水源地井群的远程数据采集 与监控 。1SCADA 系统的结构及功能1.1系统的总体结构及功能SCADA 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统 , 它可以对现场的运行设备

6、进 行监视和控制 。 首先 , 该系统由位于监控中心的上位 机通过巡检方式 , 采集各水井数据 , 而各水井 RTU 或电量采集模块则按照上位机的要求反馈回相应数 据 , 通过上位机对所采集数据的分析可判断出现场 设备的运行状态 , 从而实现上位机对水源地现场各 设备的监视 。 另外 , 位于监控中心的上位机还可向位12 (5于现场的 RTU 发出控制命令 , RTU 再根据上位机的 命令控制相应阀门的开关和水泵的启停等 , 从而实 现了上位机对现场设备的控制 。 SCADA 系统结构图 如图 1所示 。由此可见 , 由上位机 、 远程终端控制单元及现场 设备构成的供水系统能够实现 “ 四遥

7、” 的功能 3:(1 遥测 实现对各个水井流量 、 电参量等数据的实时采集 ;(2 遥信 实现对水泵的状态量进行远程监视 ; (3 遥控 实现电机启停 、 报警停机控制等 ; (4 遥调实现对水源井各种参数的设定和修改 。 1.2上位机功能上位机是用来监视现场状况和控制现场设备的远程操作平台 , 是组态软件等监控软件的载体 。 上位 机的具体功能如下所述 :控制现场设备上位机根据采集到的水厂的出水口压力和水厂水池的液位等数据 , 控制水源地 10口水井水泵的启停 , 并且从延长水泵的使用寿命的 角度考虑 , 实现 10台水泵轮流工作 。数据采集 上位机通过自动巡检或抽检等方式 自动采集现场相关

8、的数据信息 。 数据显示 上位机将采集到的数据分别显示在 相关设备处或变量表中 。 数据存储 上位机将采集的相关数据存储到数据库中 , 以供有关人员查阅 。打印报表 上位机打印各种自定义形式的报表 。 自动报警上位机根据定义变量时的报警限设置 , 在相应界面和报警窗口中显示报警信息 。1.3远程终端控制单元及电量采集模块1 远程终端控制单元 RTURTU (remote terminal unit 是一种远端 测 控 单元装置 , 负责对现场信号 、 工业设备的监测和控制 。 与常用的可编程控制器 PLC 相比 , RTU 通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量 , 适用于更恶劣 的温度和湿

9、度环境 , 提供更多的计算功能 。 正是由于RTU 完善的功能 , 使得 RTU 产品在 SCADA 系统中得到了大量的应用 。在该系统当中采用 stc-1微 型 RTU 作 为 对 水 源地井群的工作状态进行监控的终端控制单元 。 首 先 , 由 stc-1微型 RTU 通过带有光耦隔离的开关量 输入端采集现场控制水泵起停的接触器的状态 , 并 且通过其模拟量输入端采集由流量计提供的各水井 出水流量 , 正常运行时模拟输入通道采集模拟信号420mA, 020mA或 05VDC信号 , 内部的 A /D 转换芯片将模拟信号工程量化转换为数字信号 , 然后 将这些信息发送给上位机 , 供上位机做

10、出决策 。 另外 , 当 stc-1微型 RTU 收到来自上位机的起停信号 时 , 通过带有光耦隔离的继电器输出端控制启停泵 的接触器的通断 , 从而达到对水泵远程控制的效果 。2 电量采集模块通常现场的水泵设备的启停状态可以通过检测 相应的接触器的状态来判断 , 但仅仅通过检测接触器 的状态来判断泵的运行情况 , 可能存在判断失误的情 况 , 因此引入了电量检测来弥补单纯的状态检测的不 足 。 通过检测加在设备上的各相电压电流以及功率 等 , 进一步判断设备的状态以及运行是否良好 。在该系统中采用了山东力创的 EDA9033系列 电量检测模块 , 检测加在水泵上的 A 、 B 、 C 三相电

11、 压 、 电流 、 有功功率以及水泵的用电量等数据 。 水泵 处于正常运行状态时三相电压电流及有功功率的数 值基本保持稳定 , 或有微小的波动 。 一旦三相电压严 重失衡或电压 、 电流 、 有功功率的值波动较大时 , 要 及时对设备进行检查 、 检修 、 确保设备在安全状态下 运行 , 避免造成设备毁坏或安全事故 , 保证对城镇连 续高效高质的供水 。2通讯2.1系统通讯方式选择由于该系统中水源地井群和位于县城的水厂控制中心距离较远 , 采用有线通讯方式信号衰减严重 , 成本也较高 , 因此从经济性和实用性的角度考虑采 用了无线通讯的方式实现数据的远程传输 。无线数据传输方式由中心台与分台通

12、过无线方 式进行通讯连接 , 具体在中心台和分台各连接一台 无线数传电台 , 各分台监控设备能实时采集和记录13 &9(5每个点的设备运行情况和流量电量等数据 , 并通过 无线数传电台发送给中心台 ; 中心台作出判断并发 出指令 , 实现控制设备的运行 。 记录的数据存放在中 心台计算机的数据库中 , 可以随时查询或打印 , 其它 计算机也可以通过网络进行数据查询 。2.2电台选择及组网该系统中选用深圳市固迪电子有限公司生产的GD230系列多功能无线数传电台 。 该系列多功能无线数传电台提供高稳定 、 高可靠 、 低成本的数据传输及话 音通信 , 它提供了丰富的外围接口 , 具有安装维

13、护方 便 、 绕射能力强 、 组网结构灵活 、 大范围覆盖等特点 , 适 合于点多而分散 、 地理环境复杂等应用场合 。 GD230数传电台与用户单片机系统 、 PLC 、 RTU 以及温度 、 压 力 、 流量 、 电流 、 电压等传感器数据采集终端相连 , 可构 成无线 SCADA 系统 。 一般情况下 , 可完成点对点 、 点 对多点以及多级系统组网 , 在该系统当中采用点对多 点的组网方式 , 其无线通讯组网如图 2所示 。在该无线通讯网络中 , 位于中央调度室的主站 无线数传电台选用带 232端口的电台直接与工控机 相连 , 该电台天线接口应接高增益全向天线 , 以获得 良好的信号质

14、量 。 水井处端站无线数传电台选用带485端口的电台接 RTU 及电量采集模块 , 并且 RTU与电量采集模块必须手牵手地串下去 , 不可以有星 型连接或者分叉 , 否则干扰将非常大 , 通讯不畅 , 甚 至通讯不上 。 由于水井距控制中心比较远 , 电台所接 天线亦应采用高增益全天向天线来保证信号的质 量 。 当 RTU 向主站发送数据时 , 端站电台接收从串 行口传来的数据 , 并将信号调制成 229MHz 的调频 信号从天线发射出去 , 主站电台接收到调频信号 , 解调成数字信号后从串行口传给主机 。 主站向端站RTU 发送信号时与上述过程一致 4。 2.3通讯协议的确定GD230电台利

15、用异步串行数据通信进 行 各 种操作 , 串行通信协议包括透明数据传输协议和非透 明数据传输协议 。 该系统中采用透明数据传输协议 , 在透明方式中 , 接收方数传台送出的数据与发送方 数据的长度和内容完全一致 , 相当于一条无形的传 输线 , 采用实时多任务处理技术 , 能无限制传送长字 节数据 , 给用户使用提供最大的灵活性 。STC-1采用 MODBUS 规约 , MODBUS 协议是应用于控制器上的一种通用语言 , 通过此协议 , 控制器 相互之间 、 控制器经由网络和其它设备之间可以通 信 5。 它已经成为一通用工业标准 。 采用 MODBUS 协议 , 不同厂商生产的控制设备可以连

16、成工业网络 , 进行集中监控 。 EDA9033E 电量采集模块的通讯协 议 包 括 ASCII 通 讯 协 议 , 十 六 进 制 通 讯 协 议 ,Modbus-ASCII 通讯协议 , Modbus-RTU 通讯协议等几种形式 , 为了保证网络中通讯协议的一致性 , 在该 网络中的 EDA 模块均采用 Modbus-RTU 通讯协议 。 由此 , 整个网络均采用 MODBUS 规约 , 实现了监控 系统的无线通讯 。3结语本文在考虑了山阴县自来水公司水源地和公司控制中心间距离较远 , 水源地空旷风大环境条件恶 劣等因素 , 简述了水源地井群 SCADA 系统的总体 结构及各部分的主要功能和组成原理 。 该系统自2008年 10月调试成功投入运行以来 , 系统稳定运行良好 , 实现了水源井自动管理 , 降低了机泵损耗 ,节能效果明显 , 为山阴县城提供了高质高效的供水 , 具有显著的经济效益和社会效益 。参考文献 :1黄加丽 , 彭耀 , 孙振宇 . 无线通讯的水源井群监控系统的研究与