引言
SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統即監視控制與數據采集系統,是以計算機為基礎的監測控制與調度管理自動化系統。一般采用分散式測控、集中式管理的方式。整個系統由監控中心、若干個分散的遠程測控終端RTU和通信連接三部分組成。監控中心是SCADA系統的核心,負責控制管理整個系統的運行;RTU是采用微處理器的、可獨立運行的智能測控模塊,完成各種遠端現場數據的采集與處理、現場執行機構的控制以及與遠程控制中心的通信;通信連接方式根據實際需求和應用對象的不同有多種實現方式,大概分為有線和無線兩類。有線傳輸方式如：電力線載波、現場總線和PSTN公用電話網等;無線傳輸方式如：電臺、GSM移動通訊網以及衛星通信網等。鑒于水文特點的考慮：RTU放置在野外,甚至有的地方并沒有交流電源,更不可能采用現場總線的方式。而公眾移動通訊網絡GSM現已成為我國公眾陸地移動通訊網絡的主要方式。提供了多種業務,例如短信息業務等。為此本文設計了基于GSM網絡的一種主要業務—SMS的水文SCADA系統。
水文SCADA系統的設計
該系統總體結構主要由三部分構成：監控中心、若干個RTU及短信息服務中心。RTU具有采集各種物理量(例如采集溫度,電壓等)和收發信息等功能。首先,監控中心發送設置命令,初始化系統,設置需要采集的物理量等信息。然后,發送采集命令,由RTU采集各種數據。當遠程模塊采集完后,經W77E58的處理,以短消息的方式發送到監控中心,監控中心再將數據整理存入數據庫中。如果某遠程模塊出現了故障,通過TC35模塊發送故障信息,在監控中心進行相應的判斷,如判定告警地點、告警類型、對告警信息進行統計和分析、設置告警監控模塊配置信息等。本水文SCADA系統如圖1所示。
監控中心組成及功能
水文SCADA監控中心主要由服務器、后備機、短信息接收與發射模塊構成。服務器采用VC++編程,實現人工界面并通過串口與短信息接收/發送模塊相連。服務器接收RTU的數據信息和狀態信息,然后對接收的信息進行解析,并判斷是否為有效信息,若為有效信息則存入系統的數據庫,同時作出相應的處理(例如報警、更改RTU參數等)。服務器可向各RTU發送命令信息改變RTU的一些參數。
控制中心的主要功能：動態顯示SCADA系統中每個RTU在該地區地圖中的位置和各RTU的工作狀態(例如：電壓、溫度等)和參數(例如：水位、雨量等);定時檢查各RTU,若不正常,則自動向管理人員手機發送報警信息,實現無人值班;對各RTU的水文信息進行處理和統計分析(例如：水位趨勢圖);設置各RTU的采樣周期、信息發送時間間隔和其他參數(例如：警戒水位、雨量閥值等)。
RTU結構模塊設計
RTU模塊主要由短信息接收與發送模塊TC35、微處理器W77E58和一些外圍電路構成。TC35模塊是Siemens公司無線通信產品,可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務和傳真。模塊的工作電壓為3.3~5.5V。集成AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息、傳真以及非透明傳輸模式。常用工作模式有SLEEP、IDLE、TALK等模式,通過40引腳的ZIF連接器,實現電源連接、指令、數據、語音及控制信號的雙向傳輸。微處理器W77E58控制TC35,并根據相應的設置,向監控中心定時發送相應的采集信息,同時接收監控中心的指令、識別、翻譯并控制RTU模塊執行相應的操作。其它外圍電路及主要功能主要如下：
外部存儲器：對于水文數據,在發送后保存一份數據的拷貝,最小為2Mbytes。
采樣模塊：RTU實時測量線路的參數,包括電壓、溫度等。為了提高單片機的利用,本設計采用I2C總線器件TLC0832和單總線器件DS18B20分別采集電壓和溫度。雨量和水位的信息分別由雨量計和水位傳感器采集。
鍵盤顯示模塊：鍵盤功能主要有設置時間基準、改變采樣間隔、改變監控中心、數據拷貝的復制、RTU的測試等,液晶實時顯示RTU狀態參數等。
RTC模塊：采用時鐘芯片PCF8583提供精確時鐘信號,包括年、月、天、時、分、秒。可通過鍵盤人工修改或者監控中心統一校時,也可以以短信中心時間為基準統一校時。同時PCF8583提供定時中斷信號和系統復位信號,而且用戶可以利用其內部240B SRAM。
TC35接口電路：其接口采用ZIF40連接器,實現電源連接、指令、數據、語音及控制信號的雙向傳輸。
W77L58單片機：RTU主要由W77E58測控系統組成。內置1KB SRAM和32KB EEPROM,并帶有2個UART口,可以不用擴展外部存儲器和通訊口,從而提高了RTU的穩定性。RTU結構簡圖如圖2所示。
軟件設計
系統軟件設計包括RTU軟件設計、監控中心軟件設計和通訊軟件設計。其關鍵部分為通訊軟件的設計,限于篇幅,在此僅介紹通訊接口程序的設計。
TC35支持GSM07.05規定的AT指令集,該指令包括了對SMS的控制。W77E58通過串口向TC35發送一系列的AT命令來控制TC35收發信息。GSM通過異步通信口實現收發短信息的方式有三種：BLOCK MODE、基于AT命令的TEXT MODE和PDU MODE。一般而言,GSM收發短信息所用的都是PDU MODE。PDU相當于一個數據包,它由源地址、目的地址、有效時間、數據格式、協議類型和信息主體等信息組成。
根據設置不同,TC35模塊將收到的短信息保存在緩沖單元或存入SIM卡中,W77E58從SIM卡或緩沖單元中讀出信息。
典型問題及解決方法
GRAY碼到HEX之間的轉換：為了降低誤碼率,一般的水位計都會采用12位GRAY碼,此時需要GRAY碼到HEX之間的轉換,考慮到程序的穩定性和簡單性,優先考慮采用查表法。
短信發送：短信息的發送可以采用PDU碼和TEXT方式。一般發送HEX數據最好采用PDU方式,在PDU方式下,對于不同的情況,可以采用不同編碼方式：例如對于報警信息,需要在有關的工作人員的手機上顯示,可以采用其編碼DCS=08;而對于一些數據信息沒有必要在手機上顯示的,我們可以采用DCS=04。這樣在發送端和接收端都不再需要PDU的編碼和解碼。當然在發送短信之前,我們需要將中心站號碼設置為與SIM 相配的號碼,例如廣州的短信中心為8613800200500,考慮到其兼容性,建議在初始化時使用AT+SCA？命令來得到與SIM卡相配的中心站號碼。
接收短信：接收短信有存SIM卡和不存SIM卡方式。主要由AT+CNMI命令來控制。考慮到SIM卡的使用壽命和設計的簡單化,一般不需要將接收的信息存入SIM卡,而是直接從串口發出。建議在使用SIM卡之前,將SIM卡清空,因為當SIM卡存滿短信息后,就可能接收不到短信。
結語
該水文SCADA系統由于采用了較完善的軟、硬件設計和抗干擾措施,從而保證了系統工作的安全性和可靠性。已運行了一年多時間,運行結果表明系統工作穩定。■
參考文獻
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