【關鍵字】 SCADA,數(shù)據(jù)采集，RTU，GPRS，監(jiān)控

1 概述

遼河油田供水公司承擔著遼河油田生產(chǎn)、生活用水的取水、處理、輸送、監(jiān)測等工作，生產(chǎn)單元非常分散，尤其是大量的水源井、水源站、用戶和龐大的給水、供水管網(wǎng)分散在整個遼河油田的礦區(qū)和盤錦市區(qū)內(nèi)。采用原始的人工抄表、人工巡檢的工作方式，導致數(shù)據(jù)監(jiān)測、匯總和應急處理能力的嚴重滯后。基于上述原因，為提升供水公司生產(chǎn)運行調(diào)度指揮能力，保障設備、管網(wǎng)安全運行，提高工作效率等，根據(jù)客戶的需求研發(fā)了一套生產(chǎn)遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象和主要功能

2.1 供水遠程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象

監(jiān)控對象是供水公司所屬水源井、水源站，集中監(jiān)控的內(nèi)容包括：

　　1）水源井監(jiān)控：水源井口的出水壓力、溫度、瞬時流量、累積流量，電機設備的啟、停狀態(tài)、三相電壓、三相電流、功率等生產(chǎn)數(shù)值，電機設備的遠程啟停。
　　2）水源站監(jiān)控：水源站出水壓力、溫度、瞬時流量、累積流量、儲水罐液位，電機設備的三相電壓、三相電流、功率等生產(chǎn)數(shù)值，電機設備的遠程啟停、設置電磁閥開度。
　　3）安防監(jiān)控：在每個水源井、水源站內(nèi)安裝紅外報警器、門禁報警器、箱禁報警器、斷電報警器，報警信息通過本系統(tǒng)上傳至監(jiān)控中心。

2.2 供水遠程監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

供水遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有如下功能：

　　1)數(shù)據(jù)采集：對水源井、站的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行輪巡采集，采集間隔設成10秒。
　　2)數(shù)據(jù)處理：現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)由通信網(wǎng)絡送到網(wǎng)關軟件接收，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）采集軟件對接收到的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲。根據(jù)生產(chǎn)要求將數(shù)據(jù)生成報表和曲線，SCADA采集軟件對數(shù)據(jù)進行數(shù)值判斷，超出設定閥值的數(shù)據(jù)進行報警處理。
　　3）用戶安全管理：監(jiān)控系統(tǒng)設有三級用戶，第一級用戶擁有瀏覽和反控全部水源井、站數(shù)據(jù)的權(quán)限，第二級用戶擁有某一供水工區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)瀏覽和反控權(quán)限，第三級用戶僅擁有某一供水工區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)瀏覽權(quán)限。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

3.1 系統(tǒng)工作原理

　　安裝在水源井現(xiàn)場的傳感器將各種物理信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集單元（RTU）能夠識別的標準工業(yè)信號，由RTU將生產(chǎn)數(shù)據(jù)打包成Modbus協(xié)議，經(jīng)DTU通過GPRS網(wǎng)絡將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳到通信網(wǎng)關服務器。 為了提高采集效率，對聯(lián)合站水泵組的監(jiān)控還要增加SCM-2管理器。SCM-2下端可以連接254臺以內(nèi)的RTU，每臺RTU又可以單獨的采集各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，上端以RS485總線與DTU相連，實現(xiàn)通過一個SCM-2 設備管理底端多個RTU設備，減少逐一輪巡RTU而造成采集效率低下的問題。現(xiàn)場安裝的流量計帶有HART協(xié)議輸出，使用HART-MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將流量計采集到的瞬時流量、累積流量轉(zhuǎn)換成MODBUS協(xié)議，再由DTU將數(shù)據(jù)上傳到通信網(wǎng)關服務器，通信網(wǎng)關軟件將Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)解析成現(xiàn)場裸數(shù)據(jù)，并對這些裸數(shù)據(jù)進行處理、存儲和顯示。

系統(tǒng)監(jiān)控原理圖見圖1。

3.2 系統(tǒng)軟硬件選擇及功能

3.3.1 硬件系統(tǒng)

　　1）在線儀表：壓力、溫度、液位傳感器負責將壓力、溫度、液位的物理信號轉(zhuǎn)換成標準的4~20ma的工業(yè)信號，門禁、紅外傳感器以開關量的形式輸出，電流互感器以5：100的變比將現(xiàn)場0~100A的電流轉(zhuǎn)換成0~5A的標準信號。這些信號再以二線制的形式連接到RTU的AI、DI、Ix、Ux端口,RTU的DO端口并聯(lián)在啟停按鈕上，實現(xiàn)遠程的電機啟停功能。

　　2）數(shù)據(jù)采集單元（RTU, Remote Terminal Unit）：負責采集傳感器送來的標準工業(yè)信號，再將這些信號以modbus協(xié)議打包成數(shù)據(jù)包。本監(jiān)控系統(tǒng)采用的RTU分兩種類型，SC-112負責采集4~20ma的工業(yè)信號, 采集門禁、紅外傳感器的開關量的輸出信號，負責控制電磁閥開度的輸出信號。SC-101負責采集電機的電參量，控制電機的啟停。

　　3）數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU, Data Terminal unit）：RTU和流量計與DTU模塊通過RS485總線連接，DTU模塊將MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)在TCP／IP上承載，DTU模塊登錄上GSM網(wǎng)絡后，自動連接到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，向數(shù)據(jù)監(jiān)控中心報告其IP地址，并保持和維護鏈路的連接。監(jiān)控中心通信主機上安裝通信網(wǎng)關軟件，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心擁有固定的公網(wǎng)IP地址。這樣，監(jiān)控中心通信主機和DTU模塊之間就可以通過IP地址用TCP／IP協(xié)議進行雙向數(shù)據(jù)通信。

　　4）中心服務器單元：監(jiān)控中心通信主機接收DTU上傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)解析成現(xiàn)場裸數(shù)據(jù)，再由SCADA采集服務器對數(shù)據(jù)進行存儲、顯示、處理，WEB發(fā)布服務器提供監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)操作。

3.3.2 軟件系統(tǒng)

　　1)通信網(wǎng)關軟件：負責管理現(xiàn)場DTU設備，維護GPRS通信鏈路的穩(wěn)定，遠程接收DTU透傳上來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過虛擬串口轉(zhuǎn)發(fā)給SCADA服務器。

　　2）SCADA采集軟件：采用虛擬串口技術(shù)讀取通信網(wǎng)關軟件送來的實時數(shù)據(jù)，該軟件完成與遠程各GPRS采集點間的命令頒布、執(zhí)行和接收諸事件，具有完全分布式C/S和B/S結(jié)構(gòu)，可以方便靈活的組成分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、曲線顯示、報表生成、數(shù)據(jù)打印、用戶管理、參數(shù)設置、軟件冗余，還可以模擬顯示電機的運行狀態(tài)、儲水罐液位，操作人員可以通過這些界面全面掌握系統(tǒng)運行情況，本系統(tǒng)的監(jiān)控主界面如圖2所示，實時數(shù)據(jù)如圖3所示。（其他界面如曲線、報表略）

 　　 該軟件擁有開放式軟件接口，通過ActiveX控件能夠?qū)崿F(xiàn)視頻監(jiān)控（視頻與現(xiàn)場數(shù)據(jù)聯(lián)動）、GIS（Geographic Information System）等功能，ODBC Router插件能夠?qū)崿F(xiàn)與Oracle、SQL Server2000、Sybase等關系型數(shù)據(jù)庫連接，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到關系型數(shù)據(jù)庫或從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)。

　　3）WEB發(fā)布軟件：負責對終端用戶的驗證與管理，以IE網(wǎng)頁形式提供給終端用戶使用，最大支持256用戶的同時在線瀏覽數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

　　供水監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡由RS485工業(yè)總線，GPRS無線傳輸網(wǎng)絡，中心以太網(wǎng)絡三部分組成。組網(wǎng)框圖見圖4。
 

4.1 RS485現(xiàn)場工業(yè)總線

　　RS485工業(yè)總線為二線制傳輸，具有抗干擾強、傳輸距離遠特點，廣泛應用在工業(yè)控制領域。RS485處在通信網(wǎng)絡的的物理介質(zhì)層和鏈路層，它負責承載各種協(xié)議數(shù)據(jù)，如modbus,hart,profibus等。本系統(tǒng)的RTU就是以RS485為接口載體，傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

4.2 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡

　　由于供水水源井、站分布廣泛，所以最經(jīng)濟、穩(wěn)定的通信方式就是采用GPRS網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。GPRS是一種基于數(shù)據(jù)包的無線通信服務，按GSM標準定義的封包交換協(xié)議，可快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。它在移動終端和網(wǎng)絡之間實現(xiàn)了“永遠在線”的連接，網(wǎng)絡容量只有在實際進行傳輸時才被占用。

　　GPRS供水遠程監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點：

 　　1、實時性強： 由于GPRS具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)。可很好的滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。

　　2、通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對電機設備進行遠程控制，進行開關控制操作。

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