【摘 要】 遼河油田供水公司水源井分布在油田各個生產(chǎn)生活區(qū)域，針對供水公司對水源井生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時性、可操控性的要求，采用以數(shù)據(jù)采集板RTU為現(xiàn)場采集核心，實時采集水泵壓力、溫度、流量，以及電機(jī)電參量等現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理。經(jīng)過SCADA系統(tǒng)一年的實地運(yùn)行，在數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、實時性、準(zhǔn)確性等方面均達(dá)到了設(shè)計要求，為供水公司的安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保障。
【關(guān)鍵字】 SCADA,數(shù)據(jù)采集，RTU，GPRS，監(jiān)控
1 概述
遼河油田供水公司承擔(dān)著遼河油田生產(chǎn)、生活用水的取水、處理、輸送、監(jiān)測等工作，生產(chǎn)單元非常分散，尤其是大量的水源井、水源站、用戶和龐大的給水、供水管網(wǎng)分散在整個遼河油田的礦區(qū)和盤錦市區(qū)內(nèi)。采用原始的人工抄表、人工巡檢的工作方式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測、匯總和應(yīng)急處理能力的嚴(yán)重滯后?；谏鲜鲈?，為提升供水公司生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度指揮能力，保障設(shè)備、管網(wǎng)安全運(yùn)行，提高工作效率等，根據(jù)客戶的需求研發(fā)了一套生產(chǎn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)。
2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象和主要功能
2.1 供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象
監(jiān)控對象是供水公司所屬水源井、水源站，集中監(jiān)控的內(nèi)容包括：
1）水源井監(jiān)控：水源井口的出水壓力、溫度、瞬時流量、累積流量，電機(jī)設(shè)備的啟、停狀態(tài)、三相電壓、三相電流、功率等生產(chǎn)數(shù)值，電機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停。
2）水源站監(jiān)控：水源站出水壓力、溫度、瞬時流量、累積流量、儲水罐液位，電機(jī)設(shè)備的三相電壓、三相電流、功率等生產(chǎn)數(shù)值，電機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停、設(shè)置電磁閥開度。
3）安防監(jiān)控：在每個水源井、水源站內(nèi)安裝紅外報警器、門禁報警器、箱禁報警器、斷電報警器，報警信息通過本系統(tǒng)上傳至監(jiān)控中心。
2.2 供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能
供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有如下功能：
1)數(shù)據(jù)采集：對水源井、站的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行輪巡采集，采集間隔設(shè)成10秒。
2)數(shù)據(jù)處理：現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)送到網(wǎng)關(guān)軟件接收，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）采集軟件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲。根據(jù)生產(chǎn)要求將數(shù)據(jù)生成報表和曲線，SCADA采集軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值判斷，超出設(shè)定閥值的數(shù)據(jù)進(jìn)行報警處理。
3）用戶安全管理：監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有三級用戶，第一級用戶擁有瀏覽和反控全部水源井、站數(shù)據(jù)的權(quán)限，第二級用戶擁有某一供水工區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)瀏覽和反控權(quán)限，第三級用戶僅擁有某一供水工區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)瀏覽權(quán)限。
3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理
3.1 系統(tǒng)工作原理
安裝在水源井現(xiàn)場的傳感器將各種物理信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集單元（RTU）能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號，由RTU將生產(chǎn)數(shù)據(jù)打包成Modbus協(xié)議，經(jīng)DTU通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳到通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。 為了提高采集效率，對聯(lián)合站水泵組的監(jiān)控還要增加SCM-2管理器。SCM-2下端可以連接254臺以內(nèi)的RTU，每臺RTU又可以單獨(dú)的采集各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，上端以RS485總線與DTU相連，實現(xiàn)通過一個SCM-2 設(shè)備管理底端多個RTU設(shè)備，減少逐一輪巡RTU而造成采集效率低下的問題?，F(xiàn)場安裝的流量計帶有HART協(xié)議輸出，使用HART-MODBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將流量計采集到的瞬時流量、累積流量轉(zhuǎn)換成MODBUS協(xié)議，再由DTU將數(shù)據(jù)上傳到通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，通信網(wǎng)關(guān)軟件將Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)解析成現(xiàn)場裸數(shù)據(jù)，并對這些裸數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和顯示。
系統(tǒng)監(jiān)控原理圖見圖1。
3.2 系統(tǒng)軟硬件選擇及功能
3.3.1 硬件系統(tǒng)
1）在線儀表：壓力、溫度、液位傳感器負(fù)責(zé)將壓力、溫度、液位的物理信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20ma的工業(yè)信號，門禁、紅外傳感器以開關(guān)量的形式輸出，電流互感器以5：100的變比將現(xiàn)場0~100A的電流轉(zhuǎn)換成0~5A的標(biāo)準(zhǔn)信號。這些信號再以二線制的形式連接到RTU的AI、DI、Ix、Ux端口,RTU的DO端口并聯(lián)在啟停按鈕上，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的電機(jī)啟停功能。
2）數(shù)據(jù)采集單元（RTU, Remote Terminal Unit）：負(fù)責(zé)采集傳感器送來的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號，再將這些信號以modbus協(xié)議打包成數(shù)據(jù)包。本監(jiān)控系統(tǒng)采用的RTU分兩種類型，SC-112負(fù)責(zé)采集4~20ma的工業(yè)信號, 采集門禁、紅外傳感器的開關(guān)量的輸出信號，負(fù)責(zé)控制電磁閥開度的輸出信號。SC-101負(fù)責(zé)采集電機(jī)的電參量，控制電機(jī)的啟停。
3）數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU, Data Terminal unit）：RTU和流量計與DTU模塊通過RS485總線連接，DTU模塊將MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)在TCP／IP上承載，DTU模塊登錄上GSM網(wǎng)絡(luò)后，自動連接到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，向數(shù)據(jù)監(jiān)控中心報告其IP地址，并保持和維護(hù)鏈路的連接。監(jiān)控中心通信主機(jī)上安裝通信網(wǎng)關(guān)軟件，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心擁有固定的公網(wǎng)IP地址。這樣，監(jiān)控中心通信主機(jī)和DTU模塊之間就可以通過IP地址用TCP／IP協(xié)議進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。
4）中心服務(wù)器單元：監(jiān)控中心通信主機(jī)接收DTU上傳的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)解析成現(xiàn)場裸數(shù)據(jù)，再由SCADA采集服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、顯示、處理，WEB發(fā)布服務(wù)器提供監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)操作。
3.3.2 軟件系統(tǒng)
1)通信網(wǎng)關(guān)軟件：負(fù)責(zé)管理現(xiàn)場DTU設(shè)備，維護(hù)GPRS通信鏈路的穩(wěn)定，遠(yuǎn)程接收DTU透傳上來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過虛擬串口轉(zhuǎn)發(fā)給SCADA服務(wù)器。
2）SCADA采集軟件：采用虛擬串口技術(shù)讀取通信網(wǎng)關(guān)軟件送來的實時數(shù)據(jù)，該軟件完成與遠(yuǎn)程各GPRS采集點(diǎn)間的命令頒布、執(zhí)行和接收諸事件，具有完全分布式C/S和B/S結(jié)構(gòu)，可以方便靈活的組成分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、曲線顯示、報表生成、數(shù)據(jù)打印、用戶管理、參數(shù)設(shè)置、軟件冗余，還可以模擬顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、儲水罐液位，操作人員可以通過這些界面全面掌握系統(tǒng)運(yùn)行情況，本系統(tǒng)的監(jiān)控主界面如圖2所示，實時數(shù)據(jù)如圖3所示。（其他界面如曲線、報表略）
該軟件擁有開放式軟件接口，通過ActiveX控件能夠?qū)崿F(xiàn)視頻監(jiān)控（視頻與現(xiàn)場數(shù)據(jù)聯(lián)動）、GIS（Geographic Information System）等功能，ODBC Router插件能夠?qū)崿F(xiàn)與Oracle、SQL Server2000、Sybase等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫連接，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)。
3）WEB發(fā)布軟件：負(fù)責(zé)對終端用戶的驗證與管理，以IE網(wǎng)頁形式提供給終端用戶使用，最大支持256用戶的同時在線瀏覽數(shù)據(jù)。
4 系統(tǒng)組網(wǎng)方式
供水監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由RS485工業(yè)總線，GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，中心以太網(wǎng)絡(luò)三部分組成。組網(wǎng)框圖見圖4。
4.1 RS485現(xiàn)場工業(yè)總線
RS485工業(yè)總線為二線制傳輸，具有抗干擾強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。RS485處在通信網(wǎng)絡(luò)的的物理介質(zhì)層和鏈路層，它負(fù)責(zé)承載各種協(xié)議數(shù)據(jù)，如modbus,hart,profibus等。本系統(tǒng)的RTU就是以RS485為接口載體，傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
4.2 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)
由于供水水源井、站分布廣泛，所以最經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的通信方式就是采用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。GPRS是一種基于數(shù)據(jù)包的無線通信服務(wù)，按GSM標(biāo)準(zhǔn)定義的封包交換協(xié)議，可快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。它在移動終端和網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)了“永遠(yuǎn)在線”的連接，網(wǎng)絡(luò)容量只有在實際進(jìn)行傳輸時才被占用。
GPRS供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：
1、實時性強(qiáng)： 由于GPRS具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)?？珊芎玫臐M足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。
2、通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對電機(jī)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行開關(guān)控制操作。
