引言

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统即监视控制与数据采集系统,是以计算机为基础的监测控制与调度管理自动化系统。一般采用分散式测控、集中式管理的方式。整个系统由监控中心、若干个分散的远程测控终端 RTU 和通信连接三部分组成。监控中心是 SCADA 系统的核心,负责控制管理整个系统的运行;RTU 是采用微处理器的、可独立运行的智能测控模块,完成各种远端现场数据的采集与处理、现场执行机构的控制以及与远程控制中心的通信;通信连接方式根据实际需求和应用对象的不同有多种实现方式,大概分为有线和无线两类。有线传输方式如:电力线载波、现场总线和 PSTN 公用电话网等;无线传输方式如:电台、GSM 移动通讯网以及卫星通信网等。鉴于水文特点的考虑:RTU 放置在野外,甚至有的地方并没有交流电源,更不可能采用现场总线的方式。而公众移动通讯网络 GSM 现已成为我国公众陆地移动通讯网络的主要方式。提供了多种业务,例如短信息业务等。为此本文设计了基于 GSM 网络的一种主要业务—SMS 的水文 SCADA 系统。


水文 SCADA 系统的设计

该系统总体结构主要由三部分构成:监控中心、若干个 RTU 及短信息服务中心。RTU 具有采集各种物理量(例如采集温度,电压等)和收发信息等功能。首先,监控中心发送设置命令,初始化系统,设置需要采集的物理量等信息。然后,发送采集命令,由 RTU 采集各种数据。当远程模块采集完后,经 W77E58 的处理,以短消息的方式发送到监控中心,监控中心再将数据整理存入数据库中。如果某远程模块出现了故障,通过 TC35 模块发送故障信息,在监控中心进行相应的判断,如判定告警地点、告警类型、对告警信息进行统计和分析、设置告警监控模块配置信息等。本水文 SCADA 系统如图 1 所示。

 

 

监控中心组成及功能

水文 SCADA 监控中心主要由服务器、后备机、短信息接收与发射模块构成。服务器采用 VC++编程,实现人工界面并通过串口与短信息接收 / 发送模块相连。服务器接收 RTU 的数据信息和状态信息,然后对接收的信息进行解析,并判断是否为有效信息,若为有效信息则存入系统的数据库,同时作出相应的处理(例如报警、更改 RTU 参数等)。服务器可向各 RTU 发送命令信息改变 RTU 的一些参数。

 

控制中心的主要功能:动态显示 SCADA 系统中每个 RTU 在该地区地图中的位置和各 RTU 的工作状态(例如:电压、温度等)和参数(例如:水位、雨量等);定时检查各 RTU,若不正常,则自动向管理人员手机发送报警信息,实现无人值班;对各 RTU 的水文信息进行处理和统计分析(例如:水位趋势图);设置各 RTU 的采样周期、信息发送时间间隔和其他参数(例如:警戒水位、雨量阀值等)。

 

RTU 结构模块设计

RTU 模块主要由短信息接收与发送模块 TC35、微处理器 W77E58 和一些外围电路构成。TC35 模块是 Siemens 公司无线通信产品,可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。模块的工作电压为 3.3~5.5V。集成 AT 命令集接口,支持文本和 PDU 模式的短消息、传真以及非透明传输模式。常用工作模式有 SLEEP、IDLE、TALK 等模式,通过 40 引脚的 ZIF 连接器,实现电源连接、指令、数据、语音及控制信号的双向传输。微处理器 W77E58 控制 TC35,并根据相应的设置,向监控中心定时发送相应的采集信息,同时接收监控中心的指令、识别、翻译并控制 RTU 模块执行相应的操作。其它外围电路及主要功能主要如下:

 

外部存储器:对于水文数据,在发送后保存一份数据的拷贝,最小为 2Mbytes。

 

采样模块:RTU 实时测量线路的参数,包括电压、温度等。为了提高单片机的利用,本设计采用 I2C 总线器件 TLC0832 和单总线器件 DS18B20 分别采集电压和温度。雨量和水位的信息分别由雨量计和水位传感器采集。

 

键盘显示模块:键盘功能主要有设置时间基准、改变采样间隔、改变监控中心、数据拷贝的复制、RTU 的测试等,液晶实时显示 RTU 状态参数等。

 

RTC 模块:采用时钟芯片 PCF8583 提供精确时钟信号,包括年、月、天、时、分、秒。可通过键盘人工修改或者监控中心统一校时,也可以以短信中心时间为基准统一校时。同时 PCF8583 提供定时中断信号和系统复位信号,而且用户可以利用其内部 240B SRAM。

 

TC35 接口电路:其接口采用 ZIF40 连接器,实现电源连接、指令、数据、语音及控制信号的双向传输。

 

W77L58 单片机:RTU 主要由 W77E58 测控系统组成。内置 1KB SRAM 和 32KB EEPROM,并带有 2 个 UART 口,可以不用扩展外部存储器和通讯口,从而提高了 RTU 的稳定性。RTU 结构简图如图 2 所示。

 

 

软件设计

系统软件设计包括 RTU 软件设计、监控中心软件设计和通讯软件设计。其关键部分为通讯软件的设计,限于篇幅,在此仅介绍通讯接口程序的设计。

 

TC35 支持 GSM07.05 规定的 AT 指令集,该指令包括了对 SMS 的控制。W77E58 通过串口向 TC35 发送一系列的 AT 命令来控制 TC35 收发信息。GSM 通过异步通信口实现收发短信息的方式有三种:BLOCK MODE、基于 AT 命令的 TEXT MODE 和 PDU MODE。一般而言,GSM 收发短信息所用的都是 PDU MODE。PDU 相当于一个数据包,它由源地址、目的地址、有效时间、数据格式、协议类型和信息主体等信息组成。

 

根据设置不同,TC35 模块将收到的短信息保存在缓冲单元或存入 SIM 卡中,W77E58 从 SIM 卡或缓冲单元中读出信息。

 

典型问题及解决方法

GRAY 码到 HEX 之间的转换:为了降低误码率,一般的水位计都会采用 12 位 GRAY 码,此时需要 GRAY 码到 HEX 之间的转换,考虑到程序的稳定性和简单性,优先考虑采用查表法。

 

短信发送:短信息的发送可以采用 PDU 码和 TEXT 方式。一般发送 HEX 数据最好采用 PDU 方式,在 PDU 方式下,对于不同的情况,可以采用不同编码方式:例如对于报警信息,需要在有关的工作人员的手机上显示,可以采用其编码 DCS=08;而对于一些数据信息没有必要在手机上显示的,我们可以采用 DCS=04。这样在发送端和接收端都不再需要 PDU 的编码和解码。当然在发送短信之前,我们需要将中心站号码设置为与 SIM 相配的号码,例如广州的短信中心为 8613800200500,考虑到其兼容性,建议在初始化时使用 AT+SCA?命令来得到与 SIM 卡相配的中心站号码。

 

接收短信:接收短信有存 SIM 卡和不存 SIM 卡方式。主要由 AT+CNMI 命令来控制。考虑到 SIM 卡的使用寿命和设计的简单化,一般不需要将接收的信息存入 SIM 卡,而是直接从串口发出。建议在使用 SIM 卡之前,将 SIM 卡清空,因为当 SIM 卡存满短信息后,就可能接收不到短信。

 

结语

该水文 SCADA 系统由于采用了较完善的软、硬件设计和抗干扰措施,从而保证了系统工作的安全性和可靠性。已运行了一年多时间,运行结果表明系统工作稳定。