宋云鵬,晏斌,戴靖

(1.天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院,天津 300222;2.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所,天津 300180;3.天津市億通電氣有限公司,天津 300180)

1 引言

生產(chǎn)型企業(yè)主要生產(chǎn)用水是指直接用于工業(yè)生產(chǎn)的水。對(duì)水處理系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),能夠及時(shí)細(xì)致地了解用水量的變化,便于采取相應(yīng)的措施,用戶受到地理環(huán)境和工作內(nèi)容的限制,對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)、有線傳輸?shù)牟季€工程具有極大的不便。這時(shí),采用無(wú)線監(jiān)控可以擺脫線纜的束縛,具有安裝周期短、維護(hù)方便、擴(kuò)容能力強(qiáng),迅速收回成本的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的水表數(shù)據(jù)采集傳輸管理系統(tǒng)是根據(jù)某生產(chǎn)型企業(yè)的室外距離較遠(yuǎn)及生產(chǎn)辦公環(huán)境已較完善的現(xiàn)狀而設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸,并在中控室對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和管理。

本系統(tǒng)由電磁流量計(jì)采集現(xiàn)場(chǎng)水流量,采集點(diǎn)共有50處,廠區(qū)長(zhǎng)2 km,寬1 km,采集點(diǎn)分布在廠區(qū)的各個(gè)用水地方。要求所有電磁流量計(jì)的信號(hào)以無(wú)線傳輸?shù)姆绞讲杉街锌厥?在中控室的上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表分析、歷史曲線。完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的電磁流量計(jì)采用TOSHIBATIG系列,轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)F402型,可外接GPRS通訊模塊或無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)?？紤]到此生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)狀,采用NH719-1數(shù)傳電臺(tái),上位數(shù)據(jù)采集處理軟件采用 VB6.0,數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQL server2000來(lái)完成定時(shí)抄表功能。要求記錄各個(gè)采集點(diǎn)的流量瞬時(shí)值和總流量(即到目前為止的累積量)。

2 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

2.1 組網(wǎng)方式

系統(tǒng)采用主站+從站的組網(wǎng)方式,主站位于中控室,從站分布于各個(gè)水表現(xiàn)場(chǎng)。系統(tǒng)組網(wǎng)方式如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)方式Fig.1 System network construction

本項(xiàng)目采用NH719-1數(shù)傳電臺(tái),采用先進(jìn)的頻率合成技術(shù),CPU鎖相環(huán)控制,配合調(diào)制解調(diào)器,可提供語(yǔ)音或數(shù)據(jù)信號(hào)的透明傳輸,適應(yīng)各種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線數(shù)據(jù)通信方式,具有收發(fā)一體、安裝方便、使用簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),廣泛用于各種數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)中。

國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)部無(wú)線電管理局專門給SCADA系統(tǒng)辟出了223～235 MHz的無(wú)線數(shù)據(jù)通信專用頻段。據(jù)此NH719-1數(shù)傳電臺(tái)工作頻率選用230 MHz(220～240 MHz可調(diào)),最大發(fā)射功率為25 W,可支持RS232和 RS485通訊接口,傳輸速率可調(diào)(1 200/2 400/4 800/9 600 b/s)。

系統(tǒng)主站位于中控室。系統(tǒng)主站的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)負(fù)責(zé)接收各個(gè)分站傳來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。再通過(guò)工作站RS232串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位系統(tǒng),由上位系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析。系統(tǒng)共有50個(gè)分站,分布在各個(gè)用水處。分站的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)負(fù)責(zé)接收電磁流量計(jì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),再將數(shù)據(jù)發(fā)送給主站的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)。

2.2 通訊協(xié)議

系統(tǒng)主站與從站的通訊采用主從掃描式通訊協(xié)議,每次通訊過(guò)程均由主機(jī)發(fā)起,然后從機(jī)進(jìn)行響應(yīng),回傳規(guī)定的信息,完成一次通訊過(guò)程。主機(jī)發(fā)送至從機(jī)的信息由4字節(jié)組成,第1字節(jié)是起始碼(0x2A),第2字節(jié)為從機(jī)地址,其編碼:0～127(最高二進(jìn)制位另有定義),第3字節(jié)為數(shù)據(jù)分類命令,第4字節(jié)是結(jié)束碼(0x2E)。從機(jī)接受到主機(jī)命令信息后,按命令要求回傳測(cè)量數(shù)據(jù)。從機(jī)響應(yīng)主機(jī)命令,回送10個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù),分為命令段、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)和、結(jié)束標(biāo)志4部分。

2.3 通訊測(cè)試

通訊測(cè)試的步驟如下。

1)從站參數(shù)設(shè)定。為每個(gè)從站的電磁流量計(jì)設(shè)定從機(jī)號(hào)和統(tǒng)一通訊速率。

2)選定通訊頻段。每個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)上設(shè)有8位撥碼開關(guān),通過(guò)調(diào)整撥碼開關(guān)可為電臺(tái)選定不同的頻段。所有電臺(tái)必須選擇相同的通訊頻段,即撥碼開關(guān)設(shè)為一致。通過(guò)實(shí)驗(yàn),為無(wú)線通訊選定無(wú)干擾的通訊頻段。

3)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊。由主站的PC發(fā)出通訊命令,首先在發(fā)送給從機(jī)的信息結(jié)構(gòu)中將地址碼設(shè)為1,功能碼設(shè)為瞬時(shí)流量對(duì)應(yīng)的編號(hào)00,再加上起始碼和結(jié)束碼一起通過(guò)主站的電臺(tái)發(fā)送出去。1號(hào)從機(jī)接收到主機(jī)命令信息后,生成10字節(jié)的響應(yīng)信息數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)段的位置填充要求的數(shù)據(jù),將其回傳給主站。主站接收后再將發(fā)送給從機(jī)的信息數(shù)據(jù)中的功能碼改為總流量對(duì)應(yīng)的編號(hào)04,再次發(fā)送出去。1號(hào)從機(jī)接收到之后,在數(shù)據(jù)段的位置填充總流量值,再次回傳給主站。至此完成了主站和1號(hào)從站的通訊,主站再將地址碼改為2,完成與2號(hào)從機(jī)的通訊,直到完成與50號(hào)從機(jī)的通訊,才算完成了一次完整的采集過(guò)程。

3 數(shù)傳電臺(tái)天線的選擇和安裝方式

由于生產(chǎn)型企業(yè)需要同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)許多大型生產(chǎn)設(shè)備,這些設(shè)備的高功率強(qiáng)磁場(chǎng)在一定程度上影響著無(wú)線數(shù)字傳輸?shù)馁|(zhì)量,因此無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)天線的選擇變得至關(guān)重要。

按照正確的硬件安裝方法安裝并進(jìn)行設(shè)定之后,如果還不能接收到準(zhǔn)確無(wú)誤碼的信息,則需檢查安裝的天線是否合適。系統(tǒng)主站的位置緊鄰大型生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)車間,如果將普通的吸盤天線安裝在控制室室內(nèi),會(huì)導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)綇恼?。所以必須將天線架設(shè)在室外無(wú)干擾的地點(diǎn)來(lái)保證傳輸質(zhì)量。這需要延長(zhǎng)數(shù)傳電臺(tái)與工作站之間的連接線,將數(shù)傳電臺(tái)和電源延伸到室外,由于天線的室外安裝點(diǎn)到室內(nèi)工作站的位置的長(zhǎng)度在10 m左右,則主站可采用RS232接口的數(shù)傳電臺(tái),如果這一距離過(guò)遠(yuǎn),則需更換數(shù)傳電臺(tái)為RS485接口,同時(shí)通過(guò) RS485-232轉(zhuǎn)換模塊來(lái)完成數(shù)傳電臺(tái)與工作站之間的通訊。為得到更加穩(wěn)定無(wú)誤碼的通信數(shù)據(jù),主站天線采用玻璃鋼天線來(lái)代替普通的吸盤天線,可以減少信號(hào)干擾,保證通訊質(zhì)量。為了避免雷雨天氣強(qiáng)電流對(duì)設(shè)備的損壞,需在玻璃鋼天線和數(shù)傳電臺(tái)之間增加避雷器。

系統(tǒng)從站的數(shù)傳電臺(tái)與電磁流量計(jì)連接,所選用的電磁流量計(jì)為RS485接口,則從站數(shù)傳電臺(tái)采用 RS485接口。從站安裝地點(diǎn)大多為室外空曠地點(diǎn),因此采用一般的吸盤天線就可以完成準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸。吸盤天線需安裝在鐵質(zhì)物體上,可以獲得較好的通信效果。部分從站數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位于大型建筑物底層,則將饋線適當(dāng)延長(zhǎng),保證天線架設(shè)高度不低于二層樓高。如果從站數(shù)據(jù)采集點(diǎn)置于地井下,考慮到地下的信號(hào)吸收和地井蓋的屏蔽作用,電臺(tái)的天線采用小型橡皮天線或定制相應(yīng)天線置于井蓋表面。同時(shí)將數(shù)傳電臺(tái)的供電電壓和電臺(tái)發(fā)射功率適當(dāng)提高也可改善通訊質(zhì)量。系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)傳電臺(tái)與天線的連接Fig.2 Data radio and antenna connections

4 軟件設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)

軟件部分主要完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的獲取、處理及計(jì)算,結(jié)果的顯示、保存和打印等功能。抄表周期設(shè)為6 min,系統(tǒng)每隔6min發(fā)起一次數(shù)據(jù)采集過(guò)程,每次數(shù)據(jù)采集過(guò)程要依次完成對(duì)50塊水表的瞬時(shí)水流量和累積用水量的采集。

4.1 數(shù)據(jù)采集

中控室工作站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的獲取是通過(guò)主機(jī)RS232串口與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的通訊實(shí)現(xiàn)的,是軟件部分的核心。VB語(yǔ)言是基于Window s操作系統(tǒng)的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言。VB帶有專門管理串行通訊的MSComm控件,利用它只需要設(shè)置幾個(gè)主要參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與無(wú)線通訊模塊的串行通訊。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

SQL server功能強(qiáng)大,能完整實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的所有功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)表如下:數(shù)據(jù)庫(kù)名稱為WXC;數(shù)據(jù)表為水表。

工作站將從PC串口上采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)在VB組態(tài)畫面上顯示,同時(shí)存入SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)的WXCS數(shù)據(jù)庫(kù)的水表表單下。

4.3 系統(tǒng)畫面創(chuàng)建

本系統(tǒng)中最重要的功能為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示的畫面如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示Fig.3 Real-time data display

其他功能為歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)曲線圖、報(bào)表繪制、打印操作、值班員值班記錄等窗體界面。

5 結(jié)論

系統(tǒng)采用無(wú)線傳輸管理系統(tǒng)之后降低了綜合成本,即只需一次性投資,無(wú)須挖溝埋管,且維護(hù)費(fèi)用低。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行:保證了在長(zhǎng)2 km寬1 km的廠區(qū)內(nèi)的水表數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸,且運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、誤碼率低,滿足全部生產(chǎn)要求。上位系統(tǒng)功能齊全,能夠保存歷史數(shù)據(jù)長(zhǎng)達(dá)1a,為生產(chǎn)的成本分析提供了強(qiáng)大的保障,降低了清水用量和生產(chǎn)開支,同時(shí)降低了生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了管理水平。

[1] 許輝,王永添,陳多芳.現(xiàn)代通信網(wǎng)技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2] 楊幫文.最新工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3] 張國(guó)雄.測(cè)控電路[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

修改稿日期:2010-09-10