基于SCADA的遠程無線數據采集系統

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場生產控制系統中，并發展到由上述設備相互協同、共同面向整個生產過程的分布式工業控制系統。在此系統中，數據的傳輸及通信起著重要的作用，在生產控制系統領域，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據采集與監視控制SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統從PLC或第三方通信設備來讀取數據。如果想要實現不同DCS之間或者DCS與通信設備之間的互相讀取數據，就需要通過OPC服務器來進行數據讀取，這樣會加大成本。為了解決該問題，筆者結合項目開發了無線數據采集和傳輸系統。通過該系統，可以把DCS作為SCADA系統的從站，直接通過Modbus從DCS中采集數據，然后通過無線網絡發送到數據中心，最后通過上位機可以隨時監測和跟蹤各裝置的數據。

1 SCADA系統概述

SCADA系統是以計算機為基礎的DCS監控系統；可以應用于電力、冶金、石油、化工等諸多領域。不同的應用領域對SCADA系統要求不同，所以各SCADA系統組成也不完全相同。在流程控制領域中，SCADA系統應用最為廣泛，技術發展也最為成熟，它是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。 SCADA系統主要由遠程終端設備(RTU)、主站計算機(包括硬件和軟件)、操作人員數據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據采集系統中，卻是將DCS作為從站，DCS將現場的各種數據通過SCADA系統建立的SCADA點，通過Modbus通信口，發送給該數據采集和傳輸系統，通過該采集系統采集數據，并通過無線網絡，發送給遠程服務器。

1) 上位機側重監控功能。上位機系統通常包括SCADA服務器、工程師站、Web服務器等，這些設備通常采用以太網聯網。根據安全性要求，上位機系統還可以實現冗余，即配置2臺SCADA服務器，當一臺出現故障時，系統自動切換到另外一臺工作。

2) 下位機側重于數據采集功能。下位機配置的各種輸入設備(DI，AI等)進行數據采集；下位機接收上位機的監控，并且向上位機傳輸各種現場數據。

3) 通信網絡。實現上、下位機數據交換，通信網絡實現SCADA系統的數據通信，是SCADA系統的重要組成部分。與一般的過程監控相比，通信網絡在SCADA系統中扮演的作用更為重要，這主要因為SCADA系統監控的過程大多具有地理分散的特點，如無線通信機站系統的監控。

圖1 SCADA系統的組成示意

2 遠程無線數據采集系統的構成

遠程數據傳輸主要包括： 基于有線的遠程數據傳輸(包括架設光纜、電纜或租用電信專線、基于公用電話網遠程傳輸、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據傳輸系統)。

2．1 有線遠程數據傳輸

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。隨著傳輸系統規模的不斷擴大，現場環境越來越復雜，需要傳輸的目標形式也越來越多樣化，對驅動器和用戶接口的需求越來越高，同時傳輸系統的結構也變得越來越分散化。隨著網絡帶寬的發展和穩定性提高，通過網絡進行遠程數據傳輸越來越現實和可行。

2．2 無線遠程數據傳輸

基于網絡的遠程數據傳輸系統是以計算機為核心，結合多媒體編程技術、計算機網絡通信技術以及自動控制技術構建的傳輸系統。其優點主要體現在遠距離傳輸方面。GPRS無線數據傳輸方式是目前十分適合遠程數據傳輸的一種通信方式，具有運行成本低、實時性好、可靠性高、不受地域限制等優點。最重要的是GPRS網絡是由移動運營商投資，可以節省巨額的網絡建設費用，達到環保、節能、資源共享的目的，而且免除了網絡的日常修改和維護，最大限度地節省了投資。因此，利用GPRS無線通信網絡實現遠程數據傳輸，可使系統建設及維護成本大幅降低。

2．3 遠程無線數據采集及傳輸系統結構

該系統由遠程數據采集、無線數據傳輸和測控中心數據分析及控制三大模塊構成。通信網絡是數據采集終端分站與監控中心分站之間數據傳輸的橋梁，遠程數據傳輸部分將終端收集的數據按照網絡協議發送到GPRS/CDMA網，再通過Internet傳送到監控中心計算機中，同樣監控中心的查詢或控制命令也可以通過GPRS 網絡發送給遠程裝置控制中心。

2．3．1現場裝置數據的采集

為了對控制裝置中重要的工藝參數和裝置的狀態進行遠程監控，將現場各種檢測儀表的運行參數采集到DCS服務器的數據庫中，數據傳輸系統如圖2所示。DCS數據庫中的數據可以供DCS的操作工或者工程師使用。

圖2 DCS采集現場數據系統示意

2．3．2無線數據采集和發送裝置

為了滿足遠程監控，該項目開發了一套高性能無線數據采集和發送傳輸系統。無線數據采集和發送裝置主機采用ARM公司的ARM9處理器，并在該處理器上嵌入Linux操作系統和實時數據庫，利用物聯網感知技術、GPRS等無線通信技術，實現對DCS/PLC或第三方通信設備測量數據、系統運行狀態等指標進行在線監控，從而實現遠程故障診斷、異常報警等功能。該裝置可以裝在現場的DCS控制柜內，把DCS數據庫中重要的工藝參數通過Modbus采集到無線數據采集卡內，然后采集卡不斷地通過移動或電信的無線網絡發送給遠方信息中心的接收服務器，從而可以通過IE瀏覽和查看現場裝置的數據和狀態，實現遠程監控。

軟件設置主要由常規設置、通道設置、串口設置、網絡參數等構成，并支持校時及重啟功能。軟件中已經對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問題。該設置軟件通過FTP與監控系統中的設備進行文件交互，使用網線進行連接，文件交互速度較快。

2．3．3無線數據接收和顯示

網絡化SCADA系統以各種網絡技術為基礎，控制結構更加分散化，信息管理更集中。系統普遍以客戶機/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器結構(B/S)為基礎，多數系統結構上包含這兩者結構，但以C/S結構為主，B/S結構主要是為了支持Internet應用，以滿足遠程監控的需要。

隨著Internet的普及和發展，以往的主機/終端和C/S結構都無法滿足當前的全球網絡開放、互連、信息隨處可見和信息共享的新要求，于是B/S型結構應運而生，如圖3所示。

圖3 B/S結構型數據鏈接示意

1) B/S結構特點。用戶可以通過瀏覽器去訪問Internet上的文本、數據、圖像、動畫、視頻點播和聲音信息，這些信息都是由許多的Web服務器產生的，而每一個Web服務器又可以通過各種方式與數據庫服務器鏈接，大量的數據實際存放在數據庫服務器中。該結構的最大優點： 客戶機統一采用瀏覽器，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、瀏覽等業務處理；業務擴展簡單方便，通過增加網頁即可增加服務器功能；維護簡單方便，只需要改變網頁，即可實現所有用戶的同步更新；開發簡單，共享性強，如圖4所示。

圖4 遠程數據顯示

2) 上位機的軟件采用VC進行，軟件平臺由服務器和Web數據瀏覽端兩部分構成。服務器的功能主要通過服務器軟件建立和數據庫的鏈接。具體功能如下：

a) Web數據瀏覽端。通過IE瀏覽器輸入服務器地址進入系統平臺，客戶端軟件主要由數據管理模塊、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) 數據管理模塊。負責HVDC后臺監控系統前置機部分所有的數據信息(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；事件順序記錄系統包括參數編輯、事件分類顯示、歷史事件檢索及事件分類打印。

c) 信息管理。負責區域管理、企業管理、站點管理、監測項目管理、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域和所屬企業，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) 數據查詢。數據查詢功能模塊可以查詢歷史實時數據，在左側選擇要查詢的站點和所要查詢的數據類型、查詢的起始和結束時間，即可查出該條件下的歷史實時數據，還可將查出的數據以excel 文件導出到本地。

e) 實時監測。點擊實時監測按鈕，然后選中左側監測點信息列表的某個站點，在右側即可看到該站點當天的實時數據情況，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測項目的實時曲線趨勢圖，左下側的下拉選框可以任意地選擇要繪制的監測項目,在右側就會出現該監測項目的曲線圖，在該曲線圖里繪制的是當天的數據，并且從圖上可以很直觀地看到某個時刻的最高數值和最低數值，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) 報表統計。該模塊的功能是記錄所上報的實時數據，并且可以按日、月、年進行創建。

g) 數據補遺。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據不能正常上傳到平臺,采取對前端采集的數據進行數據補遺,提取歷史實時數據。

3 結束語

基于SCADA系統，利用DCS的數據庫，通過Modbus通信，筆者完成了遠程無線數據采集和監控系統的硬件和軟件的開發，并應用DCS進行了程序的編寫和調試，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發送數據，無線數據采集和傳輸裝置傳輸數據，通過IE瀏覽器登錄指定服務器，就可以觀察到所要傳輸的數據，從而實現了數據的遠程無線傳輸和監控。該系統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測和遠程數據傳輸。對于粉煤加壓氣化裝置來說，可以進行氣化爐的在線狀態監測、關鍵參數的獲取，避免氣化爐系統出現高溫或者出現損壞設備的狀況，還可以對大型機組或大型設備進行監控和在線診斷。

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