1 引言

    百重七供熱站下轄5個注汽站，每個注汽內(nèi)主要設(shè)備有水處理裝置，兩臺注汽鍋爐。由于各注汽站地點比較分散，管理不方便，急需一套無線三遙監(jiān)控系統(tǒng)。在注汽站下的一種無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，進(jìn)行遙測、遙信和遙控實現(xiàn)注汽站的無人值守，保證設(shè)備的安全運行。

    2 無線三遙監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

    無線三遙監(jiān)控系統(tǒng)實際上是無線數(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，這一過程為調(diào)制，調(diào)制主要作用是使發(fā)送信號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，信號與干擾噪聲的混合波形，接收設(shè)備對這種波形進(jìn)行處理，然后恢復(fù)數(shù)據(jù)，這一過程為解調(diào)。

    傳輸信道是兩地之間的通信信道，對無線傳輸系統(tǒng)是一定頻率及帶寬的電磁波。傳輸信道給數(shù)據(jù)信號提供了通道。也會使信號產(chǎn)生畸變，帶來噪聲和干擾，其結(jié)果是數(shù)據(jù)在傳輸后產(chǎn)生差錯，傳輸信道還會限制信號的傳送速率，特別是無線通道，帶寬 較窄，同有線信道相比其傳送速率較低。

    衡量無線三遙系統(tǒng)的性能有以下幾個指標(biāo)：

    （1）傳送速率，一般為1200～19200BPS，在無線三遙系統(tǒng)的設(shè)計中采用9600bit/s；

    （2）誤碼率：一般為10-7~10-8；

    （3）可靠性；

    （4）經(jīng)濟性好。

    3 信道設(shè)計

    一個無線三遙監(jiān)控系統(tǒng)能否正常工作，關(guān)鍵看無線通信信道是否暢通，設(shè)計步驟如下：

    （1）根據(jù)用途，考慮射頻干擾環(huán)境，選出工作頻段或頻點，根據(jù)國家無線電管理委員會規(guī)定，民用遙測頻段是VHF230MHz，采用調(diào)頻工作方式，在這一頻段，無線電波的直線形成傳播。

    （2）選定站址及無線高度。

    （3）根據(jù)傳輸指標(biāo)及實現(xiàn)的可靠性，選擇天線形式，計算所需發(fā)射功率。

    無線三遙通信網(wǎng)一般可設(shè)計成星型輻射網(wǎng)絡(luò)，并分為單頻點組網(wǎng)和異頻點組網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

        
                                圖1 單頻點組網(wǎng)        圖2 異頻點組網(wǎng)  

   采用單頻點組網(wǎng)是以同頻單工方式工作的。它們的好處是設(shè)備一致，各點的設(shè)備可以互換，組網(wǎng)方便，只要進(jìn)入場強覆蓋范圍，系統(tǒng)任意兩點都可以相互通信。

    當(dāng)采用異頻頻點組網(wǎng)時，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)信機分別使用2個頻率，主站電臺的收發(fā)信機與各從站的收、發(fā)信機頻率相反，它的好處是頻率的利用率高，相鄰電臺干擾少。

    4 無線三遙監(jiān)控系統(tǒng)的硬件環(huán)境

      無線三遙監(jiān)控系統(tǒng)由一個主站及多個從站組成，其中從站由注汽站為主體，測控儀表、安控RTU終端、數(shù)字無線電臺、天線等組成，主站由PC和數(shù)字無線電臺等組成。

    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)端測控單元裝置，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制。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容量，適用于更惡劣的溫度和濕度環(huán)境，提供更多的計算功能。

    安控RTU終端控制器主要由CPU、存儲器、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，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）

    輸入模塊用來接收和采集輸入信號。數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、繼電器等數(shù)字輸入信號；模擬量輸入模塊用來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。

    輸出模塊用來驅(qū)動被控設(shè)備。數(shù)字量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警裝置等輸出設(shè)備；模擬量輸出模塊用來控制調(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)議通過無線數(shù)傳電臺與上位PC進(jìn)行通信。MODBUS通信協(xié)議是一種主從協(xié)議，允許一個主站與多個從站通信。MODBUS通信協(xié)議主要包括寄存器和開關(guān)量I/O讀寫等命令。采用命令/應(yīng)答方式，每一種命令幀都對應(yīng)著一種應(yīng)答幀，主站首先向從站發(fā)送請求命令，從站根據(jù)請求命令中的功能碼向主站發(fā)送數(shù)據(jù)，每個從站都有自己獨立的地址。主站所發(fā)的請求幀和從站所發(fā)的應(yīng)答幀都是以從站地址開頭的，從站只讀發(fā)給自己的命令，對以其它從站地址開頭的幀不作應(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地響應(yīng)各種輸入信號，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)控中心主站采用計算機串口與數(shù)字無線電臺相連，通過它主站向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收從站發(fā)來的數(shù)據(jù)，主站接收從機傳來的各種信號，處理后顯示輸出。

    監(jiān)控中心主站計算機系統(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，能夠顯示所有工藝流程、過程參數(shù)、趨勢圖、監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，完成報警和各種管理報表的打印以及數(shù)據(jù)的存儲功能。

    組態(tài)軟件一方面通過I/O驅(qū)動程序從現(xiàn)場I/O設(shè)備獲取實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工后，以圖形方式直觀地顯示在計算機屏幕上；另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將被控數(shù)據(jù)送給I/O設(shè)備，對執(zhí)行機構(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，實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的核心和引擎，歷史數(shù)據(jù)的存儲與檢索、報警處理與存儲、數(shù)據(jù)的運算處理、數(shù)據(jù)連接都是由實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)完成的。圖形界面系統(tǒng)、驅(qū)動程序等組件以實時數(shù)據(jù)庫為核心，通過高效的內(nèi)部協(xié)議相互通信，共享數(shù)據(jù)。  
   
    4.3 數(shù)字無線電臺

    數(shù)字無線電臺可用于中心控制站與遠(yuǎn)程RTU站之間的數(shù)據(jù)通信，電臺的工作范圍在50公里之內(nèi)。可以半雙工或單工方式工作，收發(fā)同頻或異頻，與RTU終端或PC機采用RS232數(shù)據(jù)接口通信。

    5 無線三遙系統(tǒng)的工作原理

    安控RTU終端控制器設(shè)有EPROM及E2PROM，用于存儲程序及組態(tài)數(shù)據(jù)，硬件為模塊化設(shè)計，模擬量輸入模塊用以測溫度、壓力、流量、電壓、電流；開關(guān)量輸入模塊用來檢測電機運行狀態(tài)，開關(guān)量輸出模塊用以控制注氣泵電機啟停，模擬量輸出模板用以控制注氣泵電機轉(zhuǎn)速，通信有RS-232C通信接口電路，它和數(shù)字無線電臺相連，安控RTU終端控制器通過它接收主站發(fā)來的數(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)來的清水經(jīng)過在加熱蒸汽鍋爐中加熱為蒸汽后，再由注氣泵供給各個井口來進(jìn)行注氣，如圖6所示。
          
             
                                        圖6  供熱站工藝流程圖

    5.2 供熱站檢測點

    供熱站無線三遙監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的檢測點有：來水壓力、來水流量、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、電機電流和電機溫度等，控制點有注氣泵的啟停控制。

    5.3 百重七二作業(yè)區(qū)無線三遙監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

   監(jiān)控中心計算機內(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、溫度的瞬時值及累計值的圖形化動態(tài)顯示，故障及生產(chǎn)報表打印等。實現(xiàn)整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、控制操作、數(shù)據(jù)采集等功能，通過設(shè)置密碼限制不同級別人員操作。
  
                         

                                 圖7     無線三遙監(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，建立一個技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、成效顯著且便于進(jìn)一步擴充的集現(xiàn)場控制、過程監(jiān)視和計算機管理于一體的監(jiān)控系統(tǒng)，完成對整個工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與自動控制，實現(xiàn)“現(xiàn)場無人值守，總站少人值班”的目標(biāo)。  

   摘自《自動化博覽》2011年第十一期