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[标题] SuperE RTU在人防工程中的应用 发表时间：2005-4-26 摘要： none 关键字：人防、无线、RTU、SCADA系统 <p><strong>一 系统设计说明</strong></p> <p>1．系统需求分析</p> <p>1．1概述</p> <p>由于现代化武器的日新月异，现在世界上很多的国家在人防工程的现代化监控上都有了长足的发展，我国在此领域目前还处在起步阶段，这篇论文向您介绍的就是SCADA系统在人防工程中的应用</p> <p>1．2 基本要求</p> <ul> <li><strong>200个左右的遥测站点</strong></li> <li><strong>每个遥测站需要检测至少一个标准模拟量信号</strong></li> <li><strong>系统所处地区地形极为复杂</strong></li> <li><strong>通讯要求采用数传电台的传输方式</strong></li> <li><strong>该系统要求有稳定可靠的通讯解决办法，不丢数据对系统很重要。</strong></li> </ul> <p><strong></strong></p> <p>1．3 系统可能出现的几个技术难题</p> <ul> <ul> <li>通讯系统的可靠性问题</li> <li>山区内设备供电问题</li> </ul> </ul> <p>1．4 名词解释</p> <ul> <ul> <li>子站：用于远程测控现场的遥测站。</li> <li>中心站（中控室）：该SCADA系统的控制中心。</li> <li>中继站：用于接收中心站的命令并采集相关子站的通讯转接站。</li> </ul> </ul> <p>2．系统设计思路</p> <p>根据系统要求，我们考虑在每个监控子站使用一台SuperE-M RTU用于对现场就地信号的监测，各子站（约200个，可以根据实际情况扩展）通过与其相连的无线电台和主站（控制中心）取得联系并按一定的周期进行数据交换。</p> <p>2.1 系统整体结构</p> <p>整个系统采用数传电台进行无线通讯，完成主站与各分站的通讯与数据传输；主站系统采用工控PC机作为服务器和操作员站，实现对各子站监视与数据采集；远程终端采用SuperE-M RTU对远程各设备进行控制和数据采集；通过TCP/IP协议组成高速以太网和企业内部网络连接，实现数据资源的内部共享； </p> <p>2.2监控系统功能</p> <p><strong>监控系统功能结构</strong> </p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_1.png"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_1.png" width="138" height="109" border="0"></a></p> <br> <p><strong>数据采集</strong></p> <p>对各子站数据点进行监测。</p> <p><strong>报表打印</strong></p> <p>对分析出的历史数据及实时数据进行定时和实时打印。</p> <p><strong>故障报警</strong></p> <p>故障及事件报警通过画面，声音报警等向值班人人员报警。</p> <p><strong>现场测控单元功能</strong></p> <br> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_2.png"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_2.png" width="540" height="152" border="0"></a></p><br> <p><strong>1)</strong><strong>采集数据预处理</strong></p> <p>对采集上来的信号滤波和有效性分析。</p> <p><strong>2) 数据的采集、存储和传输</strong></p> <p>输入/输出量见系统改造现场测控对象数据表</p> <p>系统可以检测模拟和数字信号，并对数据存储在存储器内，同时通过网络将各种信息数据传输到上位机。</p> <p>高、低电平信号、各模拟输入信号扫描速度应满足扫描时间要求。</p> <p>测控现场通过无线通讯的方式同上位机交换数据。</p> <p><strong>3)报警</strong></p> <p>系统数据设定上下限报警功能，数据若超过上下限，则系统会产生报警。</p> <p><strong>4)纪录</strong></p> <p>数据有实时数据记录和历史记录功能。</p> <p>3.无线网络方案分析</p> <p>3.1、设计思想</p> <p>通信系统作为SCADA系统安全、高效运行的基础支撑平台，其稳定性、可靠性将是影响SCADA系统至关重要的因素。通信系统设计应包括良好的网络规划、合理的系统结构设计、足够的信息带宽估计、安全经济的信道冗余、设备选型、通信软件设计等多方面工作。<strong></strong></p> <p>通信技术作为IT技术的前沿，发展非常迅速，其应用已经渗透到社会生活的每一个角落。为了选择合理、经济的通信方案，必须因地制宜，在充分考虑资金投入可能性的前提下，高度重视环境和气候条件，这将是影响通信系统设计选型的重要因素，通信系统方案设计上，应充分考虑到系统信道能否真正畅通，确保SCADA系统安全、高效运行。</p> <p>在使用数传电台进行无线通讯的网络中，我们本着以下的原则设计网络解决方案：</p> <ul> <li>如果在中心站与子站之间可视，且通讯距离允许的情况下，子站和中控室要直接通讯。（适用后图子站站A、B、C、D、L、M）</li> <li>尽量减少中继转发的级数，减少通讯失败的损失。</li> <li>在子站距离中心站过远而无法与中心站直接建立连接时，需要架设中继站，并保证其与中心站之间可视。（适用后图中继站2）</li> <li>在子站群所处地理位置复杂，无法保证中心站与其稳定通讯时，需要在子站群的至高点架设中继站，并保证其与中心站之间可视。（适用后图中继站3）</li> <li>在中心站与子站群之间不可视时，需要在子站群的至高点架设中继站，并保证其与中心站之间可视。（适用后图中继站1）</li> </ul> <p>各中继站覆盖的子站尽可能没有相互交叉的情况。 </p> <p>3.2关于通讯问题的几点说明</p> <ul> <ul> <li><strong>为何不采用无线路由的形式而采用轮询的形式？</strong></li> </ul> </ul> <p><em>答：通讯不通无外乎有两种情况：⑴子站故障⑵通讯干扰。</em></p> <p><em>如果是由于子站故障引起的，系统通过其他站点对其访问并不具有实际意义。如果是由于干扰引起，只要系统设置重试功能，待干扰减弱，系统仍旧可以正常通讯。但是如果某一个中继站故障，那么损失会比较大，其下面所有的子站数据都将无法发至中心站，所以该系统通讯的关键是如何提高中继站的可靠性，请详见“方案2”和“方案3”。</em></p> <ul> <ul> <li><strong>子站一旦出现故障数据是否会丢失？</strong></li> </ul> </ul> <p><em>答：不会SuperE RTU Series可以完成对大量采集数据添加时间标志的保存，这样只要系统再次连通，这些数据会一个不少的传至中心站。</em></p> <ul> <ul> <li><strong>如何提高系统的可靠性？</strong></li> </ul> </ul> <p><em>答：可以通过热备电台或双中继站模式实现，请详见“方案2”和“方案3”</em></p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_3.jpg"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_3.jpg" width="387" height="223" border="0"></a></p><br> <p align="center">3.3通信系统方案</p> <p>根据上述分析和实践应用经验，我公司设计了以数传电台为核心的无线通信系统。我们设计通讯方案如下：</p> <p><strong>方案一：系统无热备</strong></p> <p>中控室如图：</p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_4.png"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_4.png" width="237" border="0"></a></p> <p> 中继站如图：</p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_5.jpg"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_5.jpg" border="0" width="237"></a></p> <p> 子站如图： </p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_6.jpg"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_6.jpg" width="237" border="0"></a></p> <p> 该系统中，最薄弱的是遥测站，一旦遥测站出现了故障那么其所覆盖的子站将都无法与中控室通讯，于是我们设计了方案2。 </p> <p><strong>方案二：系统通过热备电台进行通讯热备</strong></p> <p>中控室如图： </p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_4.png"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_4.png" width="237" border="0"></a></p> <p> 中继站如图： </p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_5.jpg"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_5.jpg" border="0" width="237"></a></p> <p>以上两个方案的主要区别就是在于，遥测站增加了热备的数传电台，一旦其中一步数传电台出现了故障，另一太可一直接切换使用。</p> <p>这样着虽说折价了系统的可靠姓，但是，热备电台的成本相当高。我们可一考虑的一个变通办法就是，在同一位置防治两个中继站，通过软件控制实现两台设备的切换，这样相对于方案2会有一些成本节约。</p> <p>3.4 中继方案简介</p> <p align="left">一、 中继方案</p> <p>如果无线数据或话音通讯系统中某一点或几点因为通讯距离太远或高山、建筑物阻隔等原因而需要通过中继台才能与中心站通讯，此时有二种中继方案可供选择。<br> <br> ◎ 方案一<br> 需要中继的分站通过中继台与中心站通讯，其他分站直接与中心站通讯，如图一：此时，中心站及中继台应采用全向高增益天线及损耗很低的馈线，分站采用定向天线，需要中继的分站的定向天线对准中继台，其他不需要中继的分站天线直接对准中心站。<br> </p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_7.jpg"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_7.jpg" border="0" width="237"></a></p> <p align="center">◎ 方案二</p> 所有的分站都通过架在一个制高点上的中继台与中心站进行通讯，如图二：此时，中心站及分站全部采用定向天线，方向一律指向中继台。中继台采用全向高增益天线及很低损耗的馈线。 <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_8.jpg"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_8.jpg" width="237" border="0"></a></p><br> <p>3.5关于通讯负荷与轮训周期的计算</p> <p><strong>计算假设：</strong><strong></strong></p> <ul> <li>SuperE RTU Series AI通道采样周期100ms</li> <li>数传电台传输速率4800bps</li> <li>电台之间应答时间200ms</li> <li>SuperE RTU Series内存容量足够大</li> <li>系统所用协议为Modbus协议（或类似协议）</li> <li>中心站可以和全部200个子站直接通讯</li> </ul> <p><strong>已知数据：</strong><strong></strong></p> <p>共有需轮巡子站200个</p> <p><strong>算法描述：</strong><strong></strong></p> <p>通过对单个子站数据无线传输所需的时间计算，估计系统的轮训周期。</p> <p><strong>计算描述：</strong><strong></strong></p> <p>①(1s/100ms)*2byt=20 byt/*每秒钟采集的模拟量bytes数。</p> <p>②4800bit/s/11=436 byt/s/*每秒数传电台可传送的bytes数（每一字节包含数据8位、起始1位、停止2位、没考虑校验位）。</p> <p>③128 byt/436 byt/s=0.3s/*Modebus协议询一个子站需要的数据传送时间。</p> <p>④0.3s+0.2s=0.5s/*Modebus协议询一个子站需要的轮训时间。</p> <p>⑤20 byt/436 byt +0.2s =0.25s/*轮巡1个子站所用时间。</p> <p>⑥0.25s*200=50s/*轮巡200个子站所用时间。</p> <p><em>结论：可以通过数传电台实现60s周期内的轮巡。</em> </p> <p>4、供电系统方案分析</p> <p>考虑到甲方提出RTU可能会用在地形较为复杂的山区，没有电源是会经常遇到的问题，我们这里才用太阳能供电的方式对该问题加以解决。</p> <p><strong>太阳能供电系统工作原理</strong><strong></strong></p> <p>太阳能供电系统工作原理：白天把光能转变为电能，并通过太阳能电源过充放电控制器将电能存储在蓄电池中，根据需要再供给各种直流负载使用，如果配以逆变器，则可以向交流负载提供交流电力。</p> <p><strong>太阳能供电系统具有如下特点：</strong><strong></strong></p> <ul> <li>不必拉设电线、安装使用方便</li> <li>太阳能系统一次性投资、经济实用、长期受益、环保节能、造福后代</li> <li>性能稳定、可靠性高、使用寿命长</li> <li>免维护、无噪声、无任何污染</li> </ul> <p>SuperE RTU Serise为用户提供了一个12VDC的蓄电池接口，可以通过他方便的连接后备蓄电池和太阳能电池板，如下所示：</p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_9.png"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_9.png" width="237" border="0"></a></p> <p><strong>太阳能供电系统的基本组成</strong><strong></strong></p> <p>一套基本的太阳能供电系统由太阳能电池板、过充放电控制器和蓄电池构成。各部分的功能如下：</p> <p><strong>太阳能电池板</strong></p> <p>太阳能电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。一般根据用户需要，将若干太阳电池板按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，再配上适当的支架及接线盒组成。</p> <p><strong>过充放电控制器</strong></p> <p>控制器为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用直流负载，通过控制器还能为负载提供稳定的直流电（由于天气的原因，太阳能电池方阵发出的直流电压和电流不是很稳定）。</p> <p></p> <p><strong>蓄电池组</strong></p> <p>蓄电池组是将太阳能电池直流电贮藏起来，供负载使用。白天太阳能电池给蓄电池充电，（同时太阳能电池还给负载供电），晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高。</p> <p><strong></strong></p> <p><strong>太阳能供电系统中太阳能电池板与蓄电池容量的计算</strong><strong></strong></p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_11.jpg"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_11.jpg" border="0"></a></p> <p></p> <p>在设计太阳能供电系统时，应根据实际情况，选择既经济又可靠的太阳能电池板和蓄电池。既要防止太阳能电池板和蓄电池在阴雨天容量不够，达不到供电目的，又要避免容量过大，造成浪费。</p> <p>在设计太阳能供电系统时，一般来说，首先要明确最终负载的输入要求，如电压、电流或者电功率及每日的持续工作时间。如有多个负载，则累计总的耗电量。假如负载有两个，分别耗电为F1,F2瓦，每天分别工作时间T1,T2小时，则一天消耗总能量为Q=F1*T1+F2*T2，其它计算，依此类推。当确定了负载所需的总能量Q后，可分别根据下面公式计算太阳能电池板容量和蓄电池容量 </p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_14.png"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_14.png" border="0"></a></p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_15.png"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_15.png" border="0"></a></p> <p> 对于常用太阳能供电系统，蓄电池常采用铅酸蓄电池组，标称电压一般为12V，放电深度一般控制在30%～80%,自放电率小于5%,充放电效率一般取0.8,当地峰值日照时数参见下表。 </p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_13.png"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_13.png" border="0" width="237"></a></p> <p>附件：数传电台发射功率与通讯距离的关系</p> <p>很多用户,特别是初次使用数传电台的用户为了最经济、最合理地进行设备选型,会特别关心发射功率与通讯距离的关系。其实这是个比较复杂的问题，不能一概而论。一般说来，数传电台的通讯距离取决于以下很多因素：如发射功率、接收灵敏度、抗干扰性能、MODEM解调灵敏度、数据传输速率、天线架设高度、天线增益、馈线损耗、电磁环境、地形特征、天气状况、是否采用中继等，所以通讯距离是由以上综合因素决定的，而不仅仅是由功率决定的。</p> <p>以下是在没有任何干扰的情况下，在理想的水平大地上，根据平面大地经验模式进行粗略计算的结果，所有数据仅供用户在设备选型时作参考，而并不能作为产品标准来衡量所购产品合格与否。</p> <p>◎ 数传电台发射功率与通讯距离的关系一览表</p> <p align="center"><a href="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_12.png"><img src="http://www.autocontrol.com.cn/new/pic/new_pic/050425zx2_12.png" width="237" border="0"></a></p> <p align="left">  若要进一步增加通讯距离，则首先可考虑增加天线的高度与增益、采用损耗更低的馈线等方法，若还是不能满足通信距离的要求，则应考虑架设中继台，从理论上讲，通过不断的架设中继台，通讯距离可以无限延伸</p>   相关案例

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