基于實現水廠泥位計信號無線傳輸的方案

羅金

摘要：水廠利用數傳電臺的無線傳輸功能控制泥位計，具有投資少、開通快、維護簡單、適應性強、擴展性好等優點。

關鍵詞：泥位計；無線傳輸

一、方案概述

1、泥位計簡介

西門子妙聲力的InterRanger DPS 300超聲波泥水界面計（以下簡稱“泥位計”）是一個基于微處理器的污泥層厚度檢測系統，可以檢測兩個初級澄清池中的泥位。用1或2個非接觸的Echomax XCT—12型超聲波傳感器和先進的回波處理技術連續監視污泥層的厚度，可以顯著提高生產效率，增加產出量，降低污泥處理的費用。泥位計輸出為4～20mA標準模擬信號。

某水廠現有的多臺排泥車由一套中型PLC在控制室實現遠程控制，電源及控制系統信號通過十六芯滑觸線供給和采集，恒速運行。經過對水廠的了解，如果能將泥位計安裝在排泥車上，則可以更好的引導排泥車工作，從而提高排泥效率。

2、采用有線傳輸的缺點

由于目前水廠排泥車和控制室之間都是采用滑觸線進行有線通訊，因此也曾考慮在泥位計和控制室之間也采用有線傳輸。但是水廠的滑觸線已經不夠用來連接兩端設備，而且六臺排泥車就需要六臺泥位計，由于滑觸線線芯多，與集電器的接觸面積小，而桁車軌距較大，行走過程中可能有一定的左右擺動，會加劇集電器碳刷的磨損和變形，從而易引起碳刷與導線的接觸不良。

3、采用無線傳輸的優點

采用無線傳輸，除不會出現滑觸線遇到的問題外，還具有如下優點：

※ 投資少。選用有線通訊方式，需要自己購買并架設電纜，挖掘電纜溝，需要大量的人力和物力；租用電信專線，每月需要分付運行費。而用無線方式傳輸，只需要在終端購置幾個模塊或連接電臺架設天線申請頻率段后即可。

※ 開通快。當遠程站點與主站相互連接距離達到數公里或以上時，運用有線方式，工程周期可能需要數個星期。而采用無線傳輸方式，只需要幾天即可。

※ 維護簡單。有線通訊線路的維護需要沿線路檢查，出現故障，一般很難及時找出故障點。而采用無線傳輸，只需要對相應的模塊進行檢查或者維護電臺，能迅速找到原因，即時恢復正常運行。

※ 擴展性好。在用戶組建好一個通訊網絡之后，常常因為系統的需要增加新的設備。若采用有線的方式，需要重新布線，施工比較麻煩，而且有可能破壞原來的通訊線路，但是如果采用無線方式，只需在新增設備上配置模塊或與電臺相連接就可以實行系統的擴充。

二、方案選擇

利用無線通訊方式傳輸信號，目前有兩種主流方法：一種是借用GSM、CDMA等公用信息網傳輸，另一種是建立專用無線傳輸系統，利用無線電臺傳輸。其中無線電臺中，又有模擬數傳電臺和數字數傳電臺之分。

方案一：采用GSM公用信息網傳輸。利用移動和聯通的GSM公網平臺，購買GPRS模塊，二次開發，去當地移動或聯通辦理相應手續使用。

1、GSM通信概述

GSM移動電話通信是我國移動電話通信服務的主要通信網絡，移動網絡除了在商務應用外，工業應用也越來越受到重視。GSM標準中定義的點-點短消息服務使得短消息能在移動臺和短消息服務中心之間傳遞。這些服務中心是通過稱為SMS- GMSC的特定MSC同GSM網絡聯系的。

2、GSM 無線通訊模塊的通訊流程是：

第一階段：分布的終端將收集處理的監控信息通過GSM/GPRS無線通訊模塊以短消息形式發往GSM運營商網絡信息中心

第二階段：SM運營商網絡信息中心檢查該信息的目的地，將信息轉發到目的地。（如目的地未開啟，服務中心將暫時保存該信息，直到目的地設備開啟）

第三階段：目的地無線通訊模塊接收到發來的信息，交監控信息系統的工作站或者服務器進行處理。

具體做法是用戶在配置無線數據MODEM和GPRS模塊后，安裝在每臺泥位計上，然后向當地移動或聯通申請租用公網平臺，獲得一個靜態IP地址，通過GSM網絡以SMS（短信息業務）無線傳遞數據，同時用戶可以通過在線聯網實時查看數據的傳遞情況。

方案二：采用數字數傳電臺進行通訊。

1、數傳電臺的發展

建專網簡單地選擇就是用數傳電臺。數傳電臺的使用從最早的按鍵電碼、電報到模擬電臺加無線MODEM，發展到目前數字電臺和DSP、軟件無線電，傳輸信號從代碼、低速數據（300～1200bps）到高速數據（N*64K～N*E1），可以傳輸包括遙控遙測數據、數字化語音、動態圖像等業務。目前使用的數據傳輸電臺，主要有模擬電臺加MODEM、數字電臺、網絡圖像電臺等。

2、數字數傳電臺的特點

數字式數傳電臺采用DSP芯片，有信道編碼，前向糾錯功能。它采用了數字調制解調CPFSK、相干解調、Viterbi譯碼、均衡軟判決等技術，軟件處理增益達7dB。具有如接收場強指示、誤碼統計、告警指示、本地和遠程診斷網管遠程維護功能，傳輸速率達19.2Kbps，收發轉換小于7mS，與各種PLC、RTU、儀表等直接連接，支持MODBUS、Profibus等協議，可以實現一對多（輪詢方式）和多對一（上報式）傳輸。

方案三：利用模擬數傳電臺進行通訊。

1、模擬數傳電臺概述

目前國內遙測遙控電臺很多采用所謂的“專業數傳電臺”，是由工作于230MHz頻段的模擬調頻對講收發信機（即車載式對講機）加MODEM改制而成的。其實，這種方式在國外早已淘汰棄用。220～240MHz頻段是我國無線電管理部門規劃分配的數據傳輸業務允許使用的頻段之一，工作于該頻段的模擬車載臺有包括美國摩托羅拉、新西蘭大吉、日本日精、日本日立及國內（深圳、北京）等公司的產品。

2、模擬數傳電臺相對于數字數傳電臺，有以下優缺點：

※優點：價格便宜，一般在1000～3000元之間。

※缺點：

不可靠——車載式對講機設計上要求不能連續發射，否則燒功放；

作為數傳臺用時需要配國產調制解調器，其器件及工藝較差；

業余無線電使用技術，對環境及電源范圍要求較高。

指標低——傳輸速率一般為1200/2400bps，需用綜合測試儀反復調試才能達到較好的10-6誤碼靈敏度；

誤碼高——單鎖相環及PTT時延造成收發轉換時間50ms以上，發射端容易丟掉字頭數據；

調頻靜噪尾噪聲（FM SQL tail）造成在接收端出現多余的字符；

無糾錯編碼，受干擾后，數據傳輸容易失敗。

無網管——如果數據傳不回來或控制不能下達，無法判斷是停電、電源壞、信號差、天饋線不匹配、溫度高還是RTU無數據。

比較以上三種方案，方案一要租用公網平臺，要交包括IP地址租用費（靜態IP）和數據流量計費。公眾網面向公眾業務，信道共用，論次收費，目前發短信息0.1元/次，在用戶量較大時，容易造成信息阻塞和丟失，不能保證實時收發信息，有機構部門統計過收發短信息的平均時間是11秒，時間長的達30多分鐘（見2000年 《移動通信》雜志），所以在系統要求覆蓋范圍廣或終端傳輸數據量不大的情況下，用公網方式好。方案二和方案三申請專網頻率每年要交適當的費用，建專網要向當地無委會申請一個專用頻率（一般為230MHz頻段），如果不想申請，也可以用2.4GHz頻段擴頻電臺。方案三雖便宜，但可靠性太差，方案二在數據量大、實時性要求高、覆蓋范圍低的情況下比較合算。根據水廠的實際情況，泥位計和中控室距離不過幾百米，并且對數據的實時性、可靠性等有要求，因此建議采用建立專網，利用數字數傳電臺傳輸。

三、方案闡述

根據水廠的具體情況，列出了如下圖的配置：

注：以上圖中M代表泥位計

在以上的簡略配置圖中，分別就接收端和發射端給出了兩種選擇。

第一種配置中，中控室接收端，客戶可直接采用三菱的PLC接收電臺傳過來的信號；泥位計發射端，采用了研華數據I/O轉換模塊，此模塊可以接收4～20mA模擬信號，但是輸出方式為RS-485，而數傳電臺僅能以RS-232方式輸入，因此需要加裝轉換器，將485輸出轉為232輸出。此種配置，理論上很可行，而且可靠性較好。但是這樣配置必須重新考慮泥位計、IO模塊和電臺之間的通信協議，并且相互之間的軟件很難兼容。

第二種配置中，整體考慮采用RTU（遠程終端模塊）+電臺的方法。在泥位計端用RTU+電臺把信號傳給中控室，在中控室用RTU+電臺把信號接收到以后，再轉為模擬信號送給三菱的PLC，這樣就不存在軟件的兼容問題，而且此種配置安裝調試簡單，所有的指令已經集成在RTU中，無需另行編程。

建議用戶采取第二種方法進行配置，發射端每臺泥位計安裝RTU+電臺，接收端只需一套RTU+電臺即可接收所有信號。

推薦配置：

配置1：

中控室接收端：EL7052型MDS數傳電臺、PK-25型MDS電臺專用開關穩壓電源、CA200A-2型吸盤天線

泥位計發射端：

EL7052型MDS數傳電臺、PK-25型MDS電臺專用開關穩壓電源、CA200A-2型吸盤天線、LP-2B Plus型避雷器（用于電臺）、V20-C/2型德國OBO電源避雷器、JD-50型避雷器接地銅纜、ADAM4520型研華轉換器、ADAM4017型研華I/O模塊

配置2：

中控室接收端：HY120型工業控制RTU、HY230V型無線數傳電臺、電臺專用開關穩壓電源、玻璃鋼全向天線

泥位計發射端：HY115型工業控制RTU、HY230V型無線數傳電臺、電臺專用開關穩壓電源、吸盤天線、日本鉆石避雷器

四、方案總結

用無線電臺組建專用無線數據傳輸方式，具有投資少、開通快、維護簡單、適應性強、擴展性好等優點。模擬數傳電臺安裝方便，原理簡單，但由于其致命的弱點，現已逐漸被數字數傳電臺代替。數字數傳電臺以其性能優異、傳輸可靠和堅固耐用，已逐步占據工業無線通訊的主流方式。公眾網的GSM系統雖然也有覆蓋范圍廣、小區制多基站、數據速率高、信息有效可靠等優點，但就該水廠當前的實際情況來看，運用此系統則不是很合理。

泥位計通過無線數傳電臺進行傳輸，最大的優點是擴展性好。水廠建好這個通訊網絡之后，以后可能會因為系統的需要增加新的設備。若仍采用滑觸線這種有線方式，則需要重新布線，施工比較麻煩，而且有可能破壞原來的通訊線路，但是如果采用無線方式，只需在新增設備上配置模塊或與電臺相連接就可以實現系統的擴充，其方便、快捷的優點，十分適合水廠進行后期改造。