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1 引言 隨著(zhù)電子計算機及網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多生產(chǎn)過(guò)程中的數據采集和監控系統功能也在不斷增強。本文針對的某油田采油區較為分散的實(shí)際情況，探索應用相應的測控系統。由于存在著(zhù)單井作業(yè)或數臺甚至十臺以上抽油機排列在一起，形成一個(gè)或數個(gè)井排，同時(shí)在其周?chē)嗑鄮装倜追植贾?zhù)一些中轉原油的儲油罐和其他設備，為了提高采油效率，保障安全生產(chǎn)，需要采集各個(gè)抽油機、油罐、電機和油泵等的實(shí)時(shí)數據，如溫度、壓力、流量、油罐的液位和儲油量、電壓、電流等。為了使采油廠(chǎng)的生產(chǎn)管理調度部門(mén)及時(shí)掌握一線(xiàn)生產(chǎn)情況，必須將數據及時(shí)上傳。但工作現場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，無(wú)法晝夜值守，又無(wú)通訊線(xiàn)路，因此，給生產(chǎn)管理帶來(lái)極大不便。 針對上述問(wèn)題，本文討論一種不受惡劣環(huán)境影響的、可安裝在現場(chǎng)的基于嵌入式PC 和中國移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò )的遠程監控與數據采集系統。 2 嵌入式PC（Embedded PC） 早在20世紀70年代計算機系統就出現了一個(gè)新分支——嵌入式計算機系統。為了區別原有的通用計算機系統，把嵌入到對象體系智能化控制的計算機，稱(chēng)作嵌入式計算機系統，其嵌入性本質(zhì)是將一個(gè)計算機嵌入到一個(gè)對象體系中去，也可將其定義為：“嵌入到對象體系中的專(zhuān)用計算機系統”。對象系統是指嵌入式系統所嵌入的宿主系統，如本文中所涉及到的數據采集系統。 針對對象系統的環(huán)境（如地理、成本）要求，嵌入式系統是要嵌入到對象系統中去，能夠滿(mǎn)足對象要求的最小軟、硬件配置及對象系統控制要求的計算機系統。它的三個(gè)基本要素即“嵌入性”、“專(zhuān)用性”與“計算機系統”。 嵌入式系統按形態(tài)可分為三種：芯片級嵌入式計算機即微控制器，俗稱(chēng)單片機;模板級嵌入式計算機，即以8位、16位、32位微處理器為核心的板卡或模塊;系統級嵌入式計算機。本文中采用的ADAM-5510即是一款模板級的嵌入式系統。 3 GPRS技術(shù)及其特點(diǎn) GPRS是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡(jiǎn)稱(chēng)，是在現有GSM系統上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶(hù)提供分組形式的數據業(yè)務(wù)。GPRS理論帶寬可達171.2Kbit/s，實(shí)際應用帶寬大約在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于Internet連接、數據傳輸等應用。它采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶(hù)可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，同一無(wú)線(xiàn)信道又可以由多個(gè)用戶(hù)共享，資源被有效的利用。GPRS能將數據打包發(fā)送，允許用戶(hù)在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò )資源，只有在資料需要傳送時(shí)才會(huì )占用頻寬，且傳輸時(shí)按量計價(jià)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸，對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)比較經(jīng)濟合理。在本研究課題中使用GPRS技術(shù)傳輸，實(shí)現數據分組發(fā)送和接收。能永遠在線(xiàn)并且只按傳輸流量計費，較大幅度地降低服務(wù)成本。 4 監控與數據采集系統（SCADA） SCADA系統是以對生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)的監視為主，向操作控制人員提供現場(chǎng)信息并由操作控制人員決定要實(shí)施的控制，最后由操作人員發(fā)出指令對現場(chǎng)的執行器進(jìn)行操作的系統，整個(gè)系統由監控中心、若干個(gè)分散的遠程測控終端RTU （Remote Terminal Unit）和通信介質(zhì)三部分組成。監控中心又稱(chēng)主站,是SCADA系統的核心,負責控制管理整個(gè)系統的運行;RTU又稱(chēng)外圍站點(diǎn),相當于DCS中的現場(chǎng)控制站，是采用PLC或單片機等測控系統組成的可獨立運行的智能測控模塊，完成各種遠端現場(chǎng)數據的采集與處理、現場(chǎng)執行機構的控制以及與遠程控制中心的通信、具有易擴展性和易維護性特點(diǎn)。隨著(zhù)開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )結構的不斷成熟和IP技術(shù)的高速發(fā)展，系統的功能正在逐步從單一向綜合的方向發(fā)展，許多過(guò)去要幾個(gè)不同系統才能夠實(shí)現的控制和自動(dòng)化功能，現在只需要一個(gè)系統即可完成。 5 系統組成及原理 5.1 系統組成 本數據采集監控系統由現場(chǎng)數據采集與監控部分、GPRS傳輸部分、外部數據網(wǎng)和數據監控中心四部分組成。如圖1所示。 圖1 系統組成示意圖 在圖1所示系統中，現場(chǎng)數據采集與監控部分將各種傳感器傳回的信號經(jīng)過(guò)智能模塊的處理，通過(guò)GPRS傳輸部分將數據傳輸到GPRS網(wǎng)絡(luò )上，再通過(guò)外部數據網(wǎng)（如Internet）傳輸。監控中心服務(wù)器通過(guò)GPRS Modem即可接受現場(chǎng)的全部數據。 由于現場(chǎng)大多數被測量參數都是定時(shí)采集，故GPRS模塊不必一直發(fā)送數據，而是每隔一段時(shí)間發(fā)送一次數據，同時(shí)，現場(chǎng)部分在檢測到的數據變化幅度異常時(shí)，可立即發(fā)送數據，并報警。 5.2 現場(chǎng)數據采集 現場(chǎng)數據采集儀器必須與上位機有一定的通訊功能，才能使現場(chǎng)各種傳感器輸出的信號，準確地經(jīng)無(wú)線(xiàn)傳輸發(fā)送給遠方的監控計算機，進(jìn)行分析、處理及存儲。根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)多方面的比較，決定使用嵌入式系統，數據采集器采用ADAM-5510嵌入式PC和遠程模塊ADAM-5000系列模塊。ADAM-5000系列功能強大，可擴展，易整合，并且在通用工業(yè)數據通信網(wǎng)絡(luò )中，它可以和PC主機進(jìn)行通信;本身帶有獨立運行內核的獨立控制器;支持多種軟件，可使用它建立滿(mǎn)足不同要求的SCADA系統。 ADAM-5510是PC-based可編程控制器，在一個(gè)5510的基座上有4個(gè)插槽，用戶(hù)可以根據需要選用不同的5000系列模塊。因此，一個(gè)ADAM-5510主單元和I/O模塊的配合可以同時(shí)測量多種數據。 ADAM-5510內置基于x86-CPU的 ROM-DOS，16位微處理器，256KB Flash，256KB SRAM，內建ROM-DOS，支持COM端口，2個(gè)RS-232，1個(gè)RS-485;它是在C語(yǔ)言環(huán)境中開(kāi)發(fā)的，帶有自身的C語(yǔ)言庫函數，在程序中可以直接調用這些函數，編譯，鏈接生成可執行文件。最后一起下載到ADAM-5510的Flash ROM中。 基于A(yíng)DAM-5510的數據采集系統能夠在惡劣環(huán)境下可靠工作，是一種智能化的現場(chǎng)信息采集單元，特別適合于采樣及控制點(diǎn)分散，與主機距離較遠的數據采集及控制場(chǎng)合。ADAM-5510基座的插槽數，相應模塊的通道數都較好的適應和滿(mǎn)足了本系統，在本系統中所反應出來(lái)的性?xún)r(jià)比較高。 對于現場(chǎng)站點(diǎn)采用的是3片8路模擬量輸入模塊ADAM-5017H采集模擬量信號，一片4路模擬量輸出模塊ADAM-5024作為數據輸出模塊。 現場(chǎng)使用傳感器測量的信號有溫度、壓力、流量、油罐的液位和儲油量、電壓、電流等，信號的傳輸類(lèi)型有傳統的4-20mA，此外還有基于現場(chǎng)總線(xiàn)的傳感器，本系統使用了一些HART協(xié)議的傳感器。如圖2所示，4-20mA接到ADAM-5017H，8個(gè)HART信號并聯(lián)在一條線(xiàn)纜上，通過(guò)HART Modem接到ADAM-5510的一個(gè)串口上。這種連接方法使全部傳感器僅使用一個(gè)GPRS模塊，可大大節省成本。 圖2 現場(chǎng)模塊連接圖 除傳感器外的所有設備（包括ADAM-5510、HART Modem和GPRS模塊）均置于一個(gè)IP66工業(yè)級密封箱內，并安裝在現場(chǎng)。 5.3 GPRS傳輸 針對通訊成本和易用性，本系統采用H7112 GPRS DTU作為通訊模塊。它是一種嵌入式設備，具有TTL、RS-232/442/485、以太網(wǎng)等多種接口方式,并有耳機和麥克風(fēng)接口，軟件部分內置了TCP/IP等通訊協(xié)議。在數據監控中心一端以配置專(zhuān)門(mén)的模塊統一收發(fā)數據，通過(guò)對數據的透明傳輸，現場(chǎng)的數據收集/發(fā)送到相應的數據中心。數據傳送是完全透明的，不需要后臺計算機支持，沒(méi)有對數據添加任何多余的協(xié)議，也不會(huì )對數據的排列作修改。GPRS DTU數據傳送的方向是指定的數據中心地址（IP地址）。并且H7100 GPRS DTU具有自動(dòng)撥號和在線(xiàn)狀況自動(dòng)檢測的功能。 5.4 數據監控中心 數據監控中心有多種接入方式，可結合GPRS的特點(diǎn)和應用領(lǐng)域的具體要求進(jìn)行組網(wǎng)。組網(wǎng)形式由業(yè)務(wù)數據量、時(shí)延、可靠性要求、數據保密性、網(wǎng)絡(luò )狀況決定。其中專(zhuān)線(xiàn)接入適合電力、金融、證券、工業(yè)監控等行業(yè)。企業(yè)通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)接入中國移動(dòng)的路由器，移動(dòng)為用戶(hù)提供公有或私有IP地址。在傳輸數據的過(guò)程中使用專(zhuān)線(xiàn)接入中國移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò )，GPRS DTU向數據中心實(shí)時(shí)發(fā)送數據，傳送完全透明，不需要后臺計算機支持，沒(méi)有對數據添加任何多余的協(xié)議，也不會(huì )對數據的排列作修改。數據中心使用H6210 Modem作為中心接入的硬件設備。H6210 Modem綁定中國移動(dòng)提供的SIM卡固定數據中心地址（IP地址）。GPRS DTU向這個(gè)IP地址發(fā)送數據。監測中心的查詢(xún)命令或控制命令也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)發(fā)送到GPRS模塊匯總，再由GPRS模塊傳送給各個(gè)儀表，對它們進(jìn)行操作。數據監控中心主要是工藝流程及數據的實(shí)時(shí)顯示，本系統中采用Kingview 6.5組態(tài)軟件，對傳送到監控中心的信號進(jìn)行監控管理。 6 小結 基于嵌入式PC模塊與GPRS通訊網(wǎng)絡(luò )構建遠程監控與數據采集系統，與傳統的有線(xiàn)或點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)遠程監控與數據采集系統相比，具有成本低、可靠性高、不受惡劣氣候影響等優(yōu)點(diǎn)。該系統適用于油田、礦山等大型企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的集中監控與管理，因此，其具有實(shí)際應用價(jià)值。 |
