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案例頻道 1 引言
百重七供熱站下轄5個(gè)注汽站，每個(gè)注汽內(nèi)主要設(shè)備有水處理裝置，兩臺(tái)注汽鍋爐。由于各注汽站地點(diǎn)比較分散，管理不方便，急需一套無(wú)線三遙監(jiān)控系統(tǒng)。在注汽站下的一種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，進(jìn)行遙測(cè)、遙信和遙控實(shí)現(xiàn)注汽站的無(wú)人值守，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。
2 無(wú)線三遙監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理
無(wú)線三遙監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)的任務(wù)是把數(shù)據(jù)按規(guī)定的準(zhǔn)確度和速度從一地傳送到另一地，系統(tǒng)輸入的是待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，它們來(lái)自數(shù)據(jù)源，通常為二進(jìn)制的比特流。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括三大部分，發(fā)送設(shè)備，接收設(shè)備，和傳送通道。
發(fā)送設(shè)備是把二進(jìn)制的數(shù)據(jù)變成適合于通信信道的波形，這一過(guò)程為調(diào)制，調(diào)制主要作用是使發(fā)送信號(hào)的頻譜和傳輸信道的頻帶相近似，并提高數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。
接收設(shè)備要完成與發(fā)送設(shè)備相反的變換，傳輸信道輸出的是帶畸變的，信號(hào)與干擾噪聲的混合波形，接收設(shè)備對(duì)這種波形進(jìn)行處理，然后恢復(fù)數(shù)據(jù)，這一過(guò)程為解調(diào)。
傳輸信道是兩地之間的通信信道，對(duì)無(wú)線傳輸系統(tǒng)是一定頻率及帶寬的電磁波。傳輸信道給數(shù)據(jù)信號(hào)提供了通道。也會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生畸變，帶來(lái)噪聲和干擾，其結(jié)果是數(shù)據(jù)在傳輸后產(chǎn)生差錯(cuò)，傳輸信道還會(huì)限制信號(hào)的傳送速率，特別是無(wú)線通道，帶寬 較窄，同有線信道相比其傳送速率較低。
衡量無(wú)線三遙系統(tǒng)的性能有以下幾個(gè)指標(biāo)：
（1）傳送速率，一般為1200～19200BPS，在無(wú)線三遙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用9600bit/s；
（2）誤碼率：一般為10-7~10-8；
（3）可靠性；
（4）經(jīng)濟(jì)性好。
3 信道設(shè)計(jì)
一個(gè)無(wú)線三遙監(jiān)控系統(tǒng)能否正常工作，關(guān)鍵看無(wú)線通信信道是否暢通，設(shè)計(jì)步驟如下：
（1）根據(jù)用途，考慮射頻干擾環(huán)境，選出工作頻段或頻點(diǎn)，根據(jù)國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)規(guī)定，民用遙測(cè)頻段是VHF230MHz，采用調(diào)頻工作方式，在這一頻段，無(wú)線電波的直線形成傳播。
（2）選定站址及無(wú)線高度。
（3）根據(jù)傳輸指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)的可靠性，選擇天線形式，計(jì)算所需發(fā)射功率。
無(wú)線三遙通信網(wǎng)一般可設(shè)計(jì)成星型輻射網(wǎng)絡(luò)，并分為單頻點(diǎn)組網(wǎng)和異頻點(diǎn)組網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。
圖1 單頻點(diǎn)組網(wǎng) 圖2 異頻點(diǎn)組網(wǎng)
采用單頻點(diǎn)組網(wǎng)是以同頻單工方式工作的。它們的好處是設(shè)備一致，各點(diǎn)的設(shè)備可以互換，組網(wǎng)方便，只要進(jìn)入場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍，系統(tǒng)任意兩點(diǎn)都可以相互通信。
當(dāng)采用異頻頻點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，該網(wǎng)是以導(dǎo)頻單工或異頻雙工方式工作，通信雙方的收發(fā)信機(jī)分別使用2個(gè)頻率，主站電臺(tái)的收發(fā)信機(jī)與各從站的收、發(fā)信機(jī)頻率相反，它的好處是頻率的利用率高，相鄰電臺(tái)干擾少。
4 無(wú)線三遙監(jiān)控系統(tǒng)的硬件環(huán)境
無(wú)線三遙監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)主站及多個(gè)從站組成，其中從站由注汽站為主體，測(cè)控儀表、安控RTU終端、數(shù)字無(wú)線電臺(tái)、天線等組成，主站由PC和數(shù)字無(wú)線電臺(tái)等組成。
4.1 安控RTU終端控制器的基本結(jié)構(gòu)
安控RTU終端是一種遠(yuǎn)端測(cè)控單元裝置，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。與常用的可編程控制器PLC相比，安控RTU通常要具有優(yōu)良的通訊能力和更大的存儲(chǔ)容量，適用于更惡劣的溫度和濕度環(huán)境，提供更多的計(jì)算功能。
安控RTU終端控制器主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入模塊、輸出模塊、電源等部分組成，其組成結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。
圖3 安控RTU結(jié)構(gòu)框圖
（1）CPU模塊
在RTU終端控制器系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)輸出。
（2）I/O模塊（輸入輸出模塊）
輸入模塊用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)。數(shù)字量輸入模塊用來(lái)接收從按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、繼電器等數(shù)字輸入信號(hào)；模擬量輸入模塊用來(lái)接收各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號(hào)。
輸出模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備。數(shù)字量輸出模塊用來(lái)控制接觸器、電磁閥、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。
（3）電源模塊
RTU終端控制器使用24V直流電源。內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電源為各模塊提供DC5V、DC24V等直流電源。
（4）RTU終端控制器的通訊接口
RTU采用RS232標(biāo)準(zhǔn)通信接口MODBUS通信協(xié)議通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)與上位PC進(jìn)行通信。MODBUS通信協(xié)議是一種主從協(xié)議，允許一個(gè)主站與多個(gè)從站通信。MODBUS通信協(xié)議主要包括寄存器和開(kāi)關(guān)量I/O讀寫(xiě)等命令。采用命令/應(yīng)答方式，每一種命令幀都對(duì)應(yīng)著一種應(yīng)答幀，主站首先向從站發(fā)送請(qǐng)求命令，從站根據(jù)請(qǐng)求命令中的功能碼向主站發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)從站都有自己獨(dú)立的地址。主站所發(fā)的請(qǐng)求幀和從站所發(fā)的應(yīng)答幀都是以從站地址開(kāi)頭的，從站只讀發(fā)給自己的命令，對(duì)以其它從站地址開(kāi)頭的幀不作應(yīng)答。
（5）安控RTU終端控制器的工作原理
安控RTU終端控制器通電后，需要通過(guò)硬件和軟件做一些初始化工作。為了RTU終端控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)，初始化后控制器將反復(fù)不停地分階段處理各種不同的任務(wù)，如圖4所示。
圖4 安控RTU工作原理示意圖
4.2 主站
監(jiān)控中心主站采用計(jì)算機(jī)串口與數(shù)字無(wú)線電臺(tái)相連，通過(guò)它主站向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收從站發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，主站接收從機(jī)傳來(lái)的各種信號(hào)，處理后顯示輸出。
監(jiān)控中心主站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配備必要的操作系統(tǒng)軟件、組態(tài)軟件。調(diào)度中心主站組態(tài)軟件KINGVIEW6.5軟件為平臺(tái)，能夠顯示所有工藝流程、過(guò)程參數(shù)、趨勢(shì)圖、監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，完成報(bào)警和各種管理報(bào)表的打印以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。
組態(tài)軟件一方面通過(guò)I/O驅(qū)動(dòng)程序從現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工后，以圖形方式直觀地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上；另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將被控?cái)?shù)據(jù)送給I/O設(shè)備，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制或調(diào)整控制參數(shù)。圖5直觀地表示出了組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)流程。
圖5 組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)流程
從圖中可以看出，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)軟件的核心和引擎，歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索、報(bào)警處理與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理、數(shù)據(jù)連接都是由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)完成的。圖形界面系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序等組件以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，通過(guò)高效的內(nèi)部協(xié)議相互通信，共享數(shù)據(jù)。
4.3 數(shù)字無(wú)線電臺(tái)
數(shù)字無(wú)線電臺(tái)可用于中心控制站與遠(yuǎn)程RTU站之間的數(shù)據(jù)通信，電臺(tái)的工作范圍在50公里之內(nèi)?？梢园腚p工或單工方式工作，收發(fā)同頻或異頻，與RTU終端或PC機(jī)采用RS232數(shù)據(jù)接口通信。
5 無(wú)線三遙系統(tǒng)的工作原理
安控RTU終端控制器設(shè)有EPROM及E2PROM，用于存儲(chǔ)程序及組態(tài)數(shù)據(jù)，硬件為模塊化設(shè)計(jì)，模擬量輸入模塊用以測(cè)溫度、壓力、流量、電壓、電流；開(kāi)關(guān)量輸入模塊用來(lái)檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)關(guān)量輸出模塊用以控制注氣泵電機(jī)啟停，模擬量輸出模板用以控制注氣泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，通信有RS-232C通信接口電路，它和數(shù)字無(wú)線電臺(tái)相連，安控RTU終端控制器通過(guò)它接收主站發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)并向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。
5.1 供熱站工藝流程
供熱站將井區(qū)來(lái)的清水經(jīng)過(guò)在加熱蒸汽鍋爐中加熱為蒸汽后，再由注氣泵供給各個(gè)井口來(lái)進(jìn)行注氣，如圖6所示。
圖6 供熱站工藝流程圖
5.2 供熱站檢測(cè)點(diǎn)
供熱站無(wú)線三遙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的檢測(cè)點(diǎn)有：來(lái)水壓力、來(lái)水流量、加熱鍋爐內(nèi)溫度、加熱鍋爐內(nèi)壓力、注氣蒸汽壓力、注氣蒸汽流量、電機(jī)電流和電機(jī)溫度等，控制點(diǎn)有注氣泵的啟停控制。
5.3 百重七二作業(yè)區(qū)無(wú)線三遙監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)內(nèi)裝WindowsXP 操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件和應(yīng)用軟件，用于工藝流程的操作及監(jiān)視，設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視、設(shè)備故障的監(jiān)視及確認(rèn)，流量、壓力、溫度的瞬時(shí)值及累計(jì)值的圖形化動(dòng)態(tài)顯示，故障及生產(chǎn)報(bào)表打印等。實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、控制操作、數(shù)據(jù)采集等功能，通過(guò)設(shè)置密碼限制不同級(jí)別人員操作。
圖7 無(wú)線三遙監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
6 總結(jié)
根據(jù)百重七供熱站的地理分布和以及工藝流程，基于“集中管理，分散控制”的模式，建立一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、成效顯著且便于進(jìn)一步擴(kuò)充的集現(xiàn)場(chǎng)控制、過(guò)程監(jiān)視和計(jì)算機(jī)管理于一體的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守，總站少人值班”的目標(biāo)。
摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十一期
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)