SCADA系統的低功耗通信模式研究與設計

傅仁軒, 王慶華, 陳龍飛

(1.廣東工貿職業技術學院 機電工程學院，廣東 廣州 510510；2.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310)

0 引 言

設備的低功耗設計一直是工程技術人員面臨的難題，低功耗已成為越來越多應用系統的需求，降低系統功耗成為迫切需要解決的問題。

一般的數據采集與監視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統，終端通常安裝在有交流供電的場合，對系統及終端的功耗無特殊要求。但在很多情況下，終端要求安裝在野外和管道閥門井下等供電困難的場合，只能采用電池供電，這就要求終端系統的電流消耗盡可能小，以降低終端的功耗，延長電池的供電時間，現有的SCADA系統的通信模式不能滿足低功耗的使用要求。因此，研究和設計SCADA系統低功耗的通信模式具有非常重要的實際意義。

為了降低功耗，文獻[1]采用了硬件的低功耗微處理器、低電壓的外圍芯片；文獻[2-3]設計了微處理器的工作模式與停機模式；文獻[4]利用低功耗的網絡。但是以上這些只是從降低終端自身的功耗出發，而沒有從系統的通信模式方面進行低功耗的設計。

針對以上問題，本文提出了一種基于窄帶物聯網[5-6](narrow band internet of things, NB-IoT)的低功耗SCADA系統，研究了低功耗的通信模式，設計了周期巡測模式和事件驅動模式相結合的通信模式，解決了SCADA系統的低功耗問題。

1 低功耗系統總體方案設計

通過分析比較傳統SCADA系統的各種通信方式[7]，由于網絡和通信模式等原因，數據終端的功耗很難降低，無法滿足電池供電的應用場合。

NB-IoT采用功耗節省模式和增強的非連續接收模式兩個關鍵技術實現低功耗，工作狀態包括連接狀態、待命狀態和休眠狀態。根據系統需要，核心網可以修改連接狀態和休眠狀態的持續時間。在休眠狀態通信模組關閉收發單元，此時的電量消耗最低，這種周期性的狀態轉換能實現系統的低功耗。因此選用NB-IoT通信網絡設計低功耗的SCADA系統，通信網絡結構如圖1所示。

圖1 通信網絡結構圖

SCADA系統由數據中心、通信網絡和數據終端三部分組成。

數據中心編寫通信程序從IoT平臺讀取終端的數據，進行數據統計、分析和處理，形成各種報表用于指導生產，也能將控制信號發送到數據終端，實現調節參數和控制設備的目的。

通信網絡包括NB-IoT基站、核心網及IoT平臺，由運營商負責建設。

數據終端由電源、微處理器、傳感器及通信模塊等組成，采集現場設備的數據。

2 通信模式設計

傳統的SCADA系統，數據中心(以下簡稱主站)與數據終端(以下簡稱從站)之間大部分時間沒有通信存在，從站一直處于待命狀態，當主站有查詢命令或控制命令時，從站執行相應的操作。這種通信模式下對從站的功耗是一種浪費，有市電的數據終端對用戶沒有影響，但對于電池供電的數據終端，用戶無法接受。為了降低功耗，設計事件驅動模式和周期巡測模式相結合的通信模式，以事件驅動為主通信模式，當有重點關注的情況下系統采用周期巡測模式。

2.1 周期巡測模式

周期巡測模式是一種主從工作方式，從站一直處于待命狀態，當接收到主站的命令時，從站發送數據。周期巡測模式流程如圖2所示。

圖2 周期巡測模式流程圖

周期巡測模式一般包括以下三種情況。

(1)選擇重點區域的終端。不間斷輪巡重點關注區域的終端工作狀態，主站選擇重點關注的某個從站或多個從站，對選擇重點關注區域內的某個/多個從站逐一輪巡發送讀取數據的命令，從站收到命令時將需要的數據發送到主站。

(2)選擇普通區域的終端。不間斷輪巡全部終端，主站向系統內的所有從站逐一發送讀取數據的命令，每個從站收到讀取本從站數據命令時將需要的數據發送到主站。

(3)固定時間輪巡。主站按一定的時間周期向系統內的所有從站逐一輪巡發送讀取數據的命令，每個從站收到讀取本從站數據命令時將需要的數據發送到主站。

2.2 事件驅動模式

事件驅動模式是一種主站不發送命令，從站主動上報的工作方式。從站一般情況下不發送數據，處于休眠狀態。當從站有事件發生時，立即由休眠狀態轉換為活動狀態，啟動通信并向主站發送當前數據。事件驅動模式的流程如圖3所示。

圖3 事件驅動模式流程圖

此處的事件一般包括以下四種情況。

(1)定時發送。按設定的時間間隔定時發送數據。為避免大量從站同一時間發送數據導致主站發生數據擁堵現象，可以設置一個相移時間參數。

(2)閾值報警。包括上限報警和下限報警，被監測參數超過上下限閾值時發送數據。假設上限閾值為H，下限閾值為L，當第i次采集的數據Xi>H或Xi

(3)差值報警。連續兩次采集的數據差值超過設定值時發送數據。因為數據發生突變往往預示著存在潛在的故障。假設二次相鄰數的差值閾值為M，第i次采集的數據為Xi，第i+1次采集的數據為Xi+1，當|Xi+1-Xi|>M時，從站發送當前狀態數據并實時采集，連續發送，直到數據中心管理人員確認報警或采集的數據穩定在正常范圍之內時停止發送。

(4)變位報警。當設備開關狀態發生變化時報警，即設備開關狀態由開到關或由關到開狀態發生變化時，發送數據。

3 測試驗證

測試平臺數據中心由1臺通信服務器構成，數據終端2臺。通信服務器安裝了監控系統軟件，2臺數據終端硬件配置相同(電池選用19 Ah的ER 34615鋰電池)，但采用不同的通信模式。

測試環境：通信服務器放置在辦公室，2臺數據終端由電池供電，主要測試終端在不同通信模式下的電流，分為靜態電流測試與動態電流測試。終端處于休眠或者待機狀態時，電流不變，保持一個靜止的數值，為靜態電流，采用萬用表測量。終端發送數據時，信號發射時間很短，電流是變化的，這時為動態電流，由于萬用表響應時間比較慢，很難捕捉到變化的電流，需要使用示波器進行測量。

1號終端的通信模式采用主從方式，默認工作在待命狀態。2號終端的通信模式以事件驅動為主，周期巡測模式為輔，默認工作在休眠狀態。2臺終端的工作狀態設置為每分鐘采集數據1次，每15 min進行1次數據存儲，每小時發送1次數據。測試了發送數據時的動態電流、待命時的靜態電流以及功耗情況分別見表1和表2。

表1 主從通信模式功耗情況

表2 低功耗通信模式功耗情況

測試結果表明，主從通信模式的1號終端1年功耗約15 Ah，低功耗通信模式的2號終端1年功耗約4.7 Ah，低功耗通信模式顯著降低了功耗。

4 結束語

本文選用NB-IoT低功耗通信網絡，設計適合低功耗終端運行的通信模式，顯著降低了終端的功耗，節約了終端的成本。本設計滿足了低功耗使用的要求，為各行業的低功耗應用提供了解決方案，具有較高的實用價值和廣闊的應用前景。