基于SCADA的远程无线数据采集系统

刘鹏，吴海峰，要艳静，惠行健

(航天长征化学工程股份有限公司，北京 101111)

当前，PLC，DCS，智能仪表等已广泛应用于现场生产控制系统中，并发展到由上述设备相互协同、共同面向整个生产过程的分布式工业控制系统。在此系统中，数据的传输及通信起着重要的作用，在生产控制系统领域，DCS起着重要的作用。但是DCS基于安全等多因素的考虑，只能作为主站通过数据采集与监视控制SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统从PLC或第三方通信设备来读取数据。如果想要实现不同DCS之间或者DCS与通信设备之间的互相读取数据，就需要通过OPC服务器来进行数据读取，这样会加大成本。为了解决该问题，笔者结合项目开发了无线数据采集和传输系统。通过该系统，可以把DCS作为SCADA系统的从站，直接通过Modbus从DCS中采集数据，然后通过无线网络发送到数据中心，最后通过上位机可以随时监测和跟踪各装置的数据。

1 SCADA系统概述

SCADA系统是以计算机为基础的DCS监控系统；可以应用于电力、冶金、石油、化工等诸多领域。不同的应用领域对SCADA系统要求不同，所以各SCADA系统组成也不完全相同。在流程控制领域中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟，它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。 SCADA系统主要由远程终端设备(RTU)、主站计算机(包括硬件和软件)、操作人员数据显示和控制盘及有关的外围设备等组成，如图1所示。在流程控制领域，DCS带的SCADA系统都是将DCS作为主站，其他第三方通信设备作为从站。文中介绍的远程无线数据采集系统中，却是将DCS作为从站，DCS将现场的各种数据通过SCADA系统建立的SCADA点，通过Modbus通信口，发送给该数据采集和传输系统，通过该采集系统采集数据，并通过无线网络，发送给远程服务器。

1) 上位机侧重监控功能。上位机系统通常包括SCADA服务器、工程师站、Web服务器等，这些设备通常采用以太网联网。根据安全性要求，上位机系统还可以实现冗余，即配置2台SCADA服务器，当一台出现故障时，系统自动切换到另外一台工作。

2) 下位机侧重于数据采集功能。下位机配置的各种输入设备(DI，AI等)进行数据采集；下位机接收上位机的监控，并且向上位机传输各种现场数据。

3) 通信网络。实现上、下位机数据交换，通信网络实现SCADA系统的数据通信，是SCADA系统的重要组成部分。与一般的过程监控相比，通信网络在SCADA系统中扮演的作用更为重要，这主要因为SCADA系统监控的过程大多具有地理分散的特点，如无线通信机站系统的监控。

图1 SCADA系统的组成示意

2 远程无线数据采集系统的构成

远程数据传输主要包括： 基于有线的远程数据传输(包括架设光缆、电缆或租用电信专线、基于公用电话网远程传输、专用线路的远程传输)；基于无线的远程传输(主要是建立专用无线数据传输系统)。

2．1 有线远程数据传输

以专线方式和电话线的远程传输应用比较广泛，主要是这两者初期建设的时间短，且在短时间应用期间费用小，线路的维护费也比较低。随着传输系统规模的不断扩大，现场环境越来越复杂，需要传输的目标形式也越来越多样化，对驱动器和用户接口的需求越来越高，同时传输系统的结构也变得越来越分散化。随着网络带宽的发展和稳定性提高，通过网络进行远程数据传输越来越现实和可行。

2．2 无线远程数据传输

基于网络的远程数据传输系统是以计算机为核心，结合多媒体编程技术、计算机网络通信技术以及自动控制技术构建的传输系统。其优点主要体现在远距离传输方面。GPRS无线数据传输方式是目前十分适合远程数据传输的一种通信方式，具有运行成本低、实时性好、可靠性高、不受地域限制等优点。最重要的是GPRS网络是由移动运营商投资，可以节省巨额的网络建设费用，达到环保、节能、资源共享的目的，而且免除了网络的日常修改和维护，最大限度地节省了投资。因此，利用GPRS无线通信网络实现远程数据传输，可使系统建设及维护成本大幅降低。

2．3 远程无线数据采集及传输系统结构

该系统由远程数据采集、无线数据传输和测控中心数据分析及控制三大模块构成。通信网络是数据采集终端分站与监控中心分站之间数据传输的桥梁，远程数据传输部分将终端收集的数据按照网络协议发送到GPRS/CDMA网，再通过Internet传送到监控中心计算机中，同样监控中心的查询或控制命令也可以通过GPRS 网络发送给远程装置控制中心。

2．3．1现场装置数据的采集

为了对控制装置中重要的工艺参数和装置的状态进行远程监控，将现场各种检测仪表的运行参数采集到DCS服务器的数据库中，数据传输系统如图2所示。DCS数据库中的数据可以供DCS的操作工或者工程师使用。

图2 DCS采集现场数据系统示意

2．3．2无线数据采集和发送装置

为了满足远程监控，该项目开发了一套高性能无线数据采集和发送传输系统。无线数据采集和发送装置主机采用ARM公司的ARM9处理器，并在该处理器上嵌入Linux操作系统和实时数据库，利用物联网感知技术、GPRS等无线通信技术，实现对DCS/PLC或第三方通信设备测量数据、系统运行状态等指标进行在线监控，从而实现远程故障诊断、异常报警等功能。该装置可以装在现场的DCS控制柜内，把DCS数据库中重要的工艺参数通过Modbus采集到无线数据采集卡内，然后采集卡不断地通过移动或电信的无线网络发送给远方信息中心的接收服务器，从而可以通过IE浏览和查看现场装置的数据和状态，实现远程监控。

软件设置主要由常规设置、通道设置、串口设置、网络参数等构成，并支持校时及重启功能。软件中已经对IP等输入有效性进行了判断，最大限度地防止因输入格式不符引起的系统问题。该设置软件通过FTP与监控系统中的设备进行文件交互，使用网线进行连接，文件交互速度较快。

2．3．3无线数据接收和显示

网络化SCADA系统以各种网络技术为基础，控制结构更加分散化，信息管理更集中。系统普遍以客户机/服务器(C/S)和浏览器/服务器结构(B/S)为基础，多数系统结构上包含这两者结构，但以C/S结构为主，B/S结构主要是为了支持Internet应用，以满足远程监控的需要。

随着Internet的普及和发展，以往的主机/终端和C/S结构都无法满足当前的全球网络开放、互连、信息随处可见和信息共享的新要求，于是B/S型结构应运而生，如图3所示。

图3 B/S结构型数据链接示意

1) B/S结构特点。用户可以通过浏览器去访问Internet上的文本、数据、图像、动画、视频点播和声音信息，这些信息都是由许多的Web服务器产生的，而每一个Web服务器又可以通过各种方式与数据库服务器链接，大量的数据实际存放在数据库服务器中。该结构的最大优点： 客户机统一采用浏览器，不仅让用户使用方便，而且使得客户端不存在维护的问题；具有分布性特点，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理；业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务器功能；维护简单方便，只需要改变网页，即可实现所有用户的同步更新；开发简单，共享性强，如图4所示。

图4 远程数据显示

2) 上位机的软件采用VC进行，软件平台由服务器和Web数据浏览端两部分构成。服务器的功能主要通过服务器软件建立和数据库的链接。具体功能如下：

a) Web数据浏览端。通过IE浏览器输入服务器地址进入系统平台，客户端软件主要由数据管理模块、图形界面、顺序事件记录、曲线显示、报文显示、用户管理等组成。

b) 数据管理模块。负责HVDC后台监控系统前置机部分所有的数据信息(包括通道、极控、站控、保护装置、量测点、控制点等)的组织和定义；事件顺序记录系统包括参数编辑、事件分类显示、历史事件检索及事件分类打印。

c) 信息管理。负责区域管理、企业管理、站点管理、监测项目管理、报警管理、用户管理。用户可以点击进入到站点管理选择所属区域和所属企业，然后再添加站点名称、设备编号、传输方式等。用户信息分为管理员和普通用户两种： 管理员权限最大，可以操作所有的功能；普通用户只可进行浏览查看，不能对软件进行任何的添加、删除、修改等操作。

d) 数据查询。数据查询功能模块可以查询历史实时数据，在左侧选择要查询的站点和所要查询的数据类型、查询的起始和结束时间，即可查出该条件下的历史实时数据，还可将查出的数据以excel 文件导出到本地。

e) 实时监测。点击实时监测按钮，然后选中左侧监测点信息列表的某个站点，在右侧即可看到该站点当天的实时数据情况，该页面的实时刷新频率为30 s，每页可查看最多12 条记录；在下边可以看到该站点下某一种监测项目的实时曲线趋势图，左下侧的下拉选框可以任意地选择要绘制的监测项目,在右侧就会出现该监测项目的曲线图，在该曲线图里绘制的是当天的数据，并且从图上可以很直观地看到某个时刻的最高数值和最低数值，还可以对所绘制的曲线图进行直接打印,也可以选择另存到本地电脑，方便以后查看。

f) 报表统计。该模块的功能是记录所上报的实时数据，并且可以按日、月、年进行创建。

g) 数据补遗。该功能是为了防止设备掉线或者服务器软件没有打开导致数据不能正常上传到平台,采取对前端采集的数据进行数据补遗,提取历史实时数据。

3 结束语

基于SCADA系统，利用DCS的数据库，通过Modbus通信，笔者完成了远程无线数据采集和监控系统的硬件和软件的开发，并应用DCS进行了程序的编写和调试，并在公司仿真中心的模拟粉煤

加压气化装置上试运行，由DCS发送数据，无线数据采集和传输装置传输数据，通过IE浏览器登录指定服务器，就可以观察到所要传输的数据，从而实现了数据的远程无线传输和监控。该系统可以应用到流程控制领域的重要装置和设备的远程在线监测和远程数据传输。对于粉煤加压气化装置来说，可以进行气化炉的在线状态监测、关键参数的获取，避免气化炉系统出现高温或者出现损坏设备的状况，还可以对大型机组或大型设备进行监控和在线诊断。

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