《自动化博览》

       1 引言

    百重七供热站下辖5个注汽站，每个注汽内主要设备有水处理装置，两台注汽锅炉。由于各注汽站地点比较分散，管理不方便，急需一套无线三遥监控系统。在注汽站下的一种无线数据传输网络控制系统，进行遥测、遥信和遥控实现注汽站的无人值守，保证设备的安全运行。

    2 无线三遥监控系统的工作原理

    无线三遥监控系统实际上是无线数据传输系统，系统的任务是把数据按规定的准确度和速度从一地传送到另一地，系统输入的是待传输的数据，它们来自数据源，通常为二进制的比特流。数据传输系统包括三大部分，发送设备，接收设备，和传送通道。

    发送设备是把二进制的数据变成适合于通信信道的波形，这一过程为调制，调制主要作用是使发送信号的频谱和传输信道的频带相近似，并提高数据在传输过程中的抗干扰能力。

   接收设备要完成与发送设备相反的变换，传输信道输出的是带畸变的，信号与干扰噪声的混合波形，接收设备对这种波形进行处理，然后恢复数据，这一过程为解调。

    传输信道是两地之间的通信信道，对无线传输系统是一定频率及带宽的电磁波。传输信道给数据信号提供了通道。也会使信号产生畸变，带来噪声和干扰，其结果是数据在传输后产生差错，传输信道还会限制信号的传送速率，特别是无线通道，带宽 较窄，同有线信道相比其传送速率较低。

    衡量无线三遥系统的性能有以下几个指标：

    （1）传送速率，一般为1200～19200BPS，在无线三遥系统的设计中采用9600bit/s；

    （2）误码率：一般为10-7~10-8；

    （3）可靠性；

    （4）经济性好。

    3 信道设计

    一个无线三遥监控系统能否正常工作，关键看无线通信信道是否畅通，设计步骤如下：

    （1）根据用途，考虑射频干扰环境，选出工作频段或频点，根据国家无线电管理委员会规定，民用遥测频段是VHF230MHz，采用调频工作方式，在这一频段，无线电波的直线形成传播。

    （2）选定站址及无线高度。

    （3）根据传输指标及实现的可靠性，选择天线形式，计算所需发射功率。

    无线三遥通信网一般可设计成星型辐射网络，并分为单频点组网和异频点组网，其结构如图1、图2所示。

        
                                图1 单频点组网        图2 异频点组网  

   采用单频点组网是以同频单工方式工作的。它们的好处是设备一致，各点的设备可以互换，组网方便，只要进入场强覆盖范围，系统任意两点都可以相互通信。

    当采用异频频点组网时，该网是以导频单工或异频双工方式工作，通信双方的收发信机分别使用2个频率，主站电台的收发信机与各从站的收、发信机频率相反，它的好处是频率的利用率高，相邻电台干扰少。

    4 无线三遥监控系统的硬件环境

      无线三遥监控系统由一个主站及多个从站组成，其中从站由注汽站为主体，测控仪表、安控RTU终端、数字无线电台、天线等组成，主站由PC和数字无线电台等组成。

    4.1 安控RTU终端控制器的基本结构

   安控RTU终端是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，安控RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。

    安控RTU终端控制器主要由CPU、存储器、输入模块、输出模块、电源等部分组成，其组成结构框图，如图3所示。
     
                           
                                  图3  安控RTU结构框图

    （1）CPU模块

    在RTU终端控制器系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。

    （2）I/O模块（输入输出模块）

    输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、接近开关、光电开关、继电器等数字输入信号；模拟量输入模块用来接收各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。

    输出模块用来驱动被控设备。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

   （3）电源模块

    RTU终端控制器使用24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、DC24V等直流电源。

    （4）RTU终端控制器的通讯接口

    RTU采用RS232标准通信接口MODBUS通信协议通过无线数传电台与上位PC进行通信。MODBUS通信协议是一种主从协议，允许一个主站与多个从站通信。MODBUS通信协议主要包括寄存器和开关量I/O读写等命令。采用命令/应答方式，每一种命令帧都对应着一种应答帧，主站首先向从站发送请求命令，从站根据请求命令中的功能码向主站发送数据，每个从站都有自己独立的地址。主站所发的请求帧和从站所发的应答帧都是以从站地址开头的，从站只读发给自己的命令，对以其它从站地址开头的帧不作应答。

    （5）安控RTU终端控制器的工作原理

    安控RTU终端控制器通电后，需要通过硬件和软件做一些初始化工作。为了RTU终端控制器的输出及时地响应各种输入信号，初始化后控制器将反复不停地分阶段处理各种不同的任务，如图4所示。
        
                                        

                                   图4  安控RTU工作原理示意图
   4.2 主站

    监控中心主站采用计算机串口与数字无线电台相连，通过它主站向从站发送数据，并接收从站发来的数据，主站接收从机传来的各种信号，处理后显示输出。

    监控中心主站计算机系统配备必要的操作系统软件、组态软件。调度中心主站组态软件KINGVIEW6.5软件为平台，能够显示所有工艺流程、过程参数、趋势图、监控设备的运行状态，完成报警和各种管理报表的打印以及数据的存储功能。

    组态软件一方面通过I/O驱动程序从现场I/O设备获取实时数据，对数据进行必要的加工后，以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将被控数据送给I/O设备，对执行机构控制或调整控制参数。图5直观地表示出了组态软件的数据流程。
   
               
                                   图5 组态软件的数据流程
 
    从图中可以看出，实时数据库是组态软件的核心和引擎，历史数据的存储与检索、报警处理与存储、数据的运算处理、数据连接都是由实时数据库系统完成的。图形界面系统、驱动程序等组件以实时数据库为核心，通过高效的内部协议相互通信，共享数据。  
   
    4.3 数字无线电台

    数字无线电台可用于中心控制站与远程RTU站之间的数据通信，电台的工作范围在50公里之内。可以半双工或单工方式工作，收发同频或异频，与RTU终端或PC机采用RS232数据接口通信。

    5 无线三遥系统的工作原理

    安控RTU终端控制器设有EPROM及E2PROM，用于存储程序及组态数据，硬件为模块化设计，模拟量输入模块用以测温度、压力、流量、电压、电流；开关量输入模块用来检测电机运行状态，开关量输出模块用以控制注气泵电机启停，模拟量输出模板用以控制注气泵电机转速，通信有RS-232C通信接口电路，它和数字无线电台相连，安控RTU终端控制器通过它接收主站发来的数据并向主站发送数据。

    5.1 供热站工艺流程

    供热站将井区来的清水经过在加热蒸汽锅炉中加热为蒸汽后，再由注气泵供给各个井口来进行注气，如图6所示。
          
             
                                        图6  供热站工艺流程图

    5.2 供热站检测点

    供热站无线三遥监控系统设置的检测点有：来水压力、来水流量、加热锅炉内温度、加热锅炉内压力、注气蒸汽压力、注气蒸汽流量、电机电流和电机温度等，控制点有注气泵的启停控制。

    5.3 百重七二作业区无线三遥监控系统的系统结构

   监控中心计算机内装WindowsXP 操作系统，监控软件和应用软件，用于工艺流程的操作及监视，设备状态的监视、设备故障的监视及确认，流量、压力、温度的瞬时值及累计值的图形化动态显示，故障及生产报表打印等。实现整个系统的状态监视、控制操作、数据采集等功能，通过设置密码限制不同级别人员操作。
  
                         

                                 图7     无线三遥监控系统的系统结构图  

    6 总结

     根据百重七供热站的地理分布和以及工艺流程，基于“集中管理，分散控制”的模式，建立一个技术先进、性能可靠、成效显著且便于进一步扩充的集现场控制、过程监视和计算机管理于一体的监控系统，完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制，实现“现场无人值守，总站少人值班”的目标。  

   摘自《自动化博览》2011年第十一期