??? 摘? 要: 介紹了基于CDMA的武鋼能源水網(wǎng)無線監(jiān)控系統(tǒng)" title="監(jiān)控系統(tǒng)">監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。重點討論了無線網(wǎng)絡結構、數(shù)據(jù)上行傳輸原理、無線通信硬件配置以及主要軟件的實現(xiàn)方式。通過本系統(tǒng)的實際運行測試,與有線數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行比較和分析,總結出本系統(tǒng)的特點。展望了本系統(tǒng)更為廣泛的應用前景。?

??? 關鍵詞: CDMA;無線監(jiān)控;上行傳輸;硬件配置;數(shù)據(jù)采集

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??? 為實現(xiàn)武漢鋼鐵集團公司(簡稱武鋼)水、電、風、氣的統(tǒng)一管理,以達到優(yōu)化能源調度、節(jié)約能源和改善環(huán)境的目的,必須加快武鋼集團公司能源調度信息采集系統(tǒng)的建設。?

??? 武鋼2006年底已建成覆蓋整個廠區(qū)范圍的燃氣熱力及氧氮氬空調度信息監(jiān)控系統(tǒng),目前正在建設的武鋼能源動力水網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)將全公司50個水站納入到武鋼能源動力公司調度中心集中管理,方便能源調度人員對水資源關鍵計量數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計、分析,并及時掌握全公司水資源當前生產(chǎn)和用戶供應的狀態(tài),擴大燃氣熱力及氧氮氬空調度信息監(jiān)控系統(tǒng)的調度范圍,為武鋼能源全面調度自動化打下了堅實的基礎。?

??? 在武鋼能源動力水網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)建設過程中,江心水站、27#水站、3#水站、4#水站、15#水站、22#水站和12#水站在武漢鋼鐵集團公司廠區(qū)外,并且監(jiān)控點分散,數(shù)據(jù)傳輸距離較遠,如果針對上述七個站點采取有線光纜數(shù)據(jù)傳輸方式,必然會帶來施工的困難,增加相應的網(wǎng)絡建設成本,尤其在網(wǎng)絡建成后期,網(wǎng)絡運行維護成本投入加大,現(xiàn)場維護人員的維檢工作量也會隨即加重。為了較好地解決有線光纜傳輸帶來的這些問題,本文提出了基于CDMA的無線組網(wǎng)方案應用于武鋼廠區(qū)外七個水站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。?

1 CDMA技術?

??? 碼分多址CDMA(Code Division Multiple Access)是在數(shù)字技術的分支——擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。CDMA技術的原理是基于擴頻技術,即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制,使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展,再經(jīng)載波調制并發(fā)送出去。接收端使用與之完全相同的偽隨機碼,與接收的帶寬信號作相關處理,把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴,以實現(xiàn)信息通信。 ?

??? CDMA移動通信網(wǎng)是由擴頻、多址接入、蜂窩組網(wǎng)和頻率復用等幾種技術結合而成,含有頻域、時域和碼域三維信號處理的一種協(xié)作,因此它具有抗干擾性好,抗多徑衰落、保密安全性高、同頻率可在不同的區(qū)域范圍內(nèi)重復使用并且容量和質量之間可做權衡取舍等特點。這些特點使CDMA通訊方式較好地滿足了武漢鋼鐵集團公司廠區(qū)外七個水站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集要求(水站現(xiàn)場電磁干擾大、數(shù)據(jù)流量大和實時性強)。?

2 CDMA無線組網(wǎng)方案?

2.1 無線網(wǎng)絡結構?

??? 武鋼能源動力水網(wǎng)監(jiān)控系為實現(xiàn)對武鋼廠區(qū)外7個水站的數(shù)據(jù)采集,依據(jù)這7個水站所處的地理位置構建了6個CDMA無線數(shù)據(jù)采集分站,并在武鋼能源調度室設置一個數(shù)據(jù)中心站點用于接收這6個分站發(fā)送的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這6個CDMA無線數(shù)據(jù)采集分站依次為:江心分站、27#分站、3#4#分站、15#分站、22#分站和12#分站。?

??? 武鋼廠區(qū)外水站的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、協(xié)議轉換器" title="協(xié)議轉換器">協(xié)議轉換器(內(nèi)置CDMA無線數(shù)據(jù)終端" title="數(shù)據(jù)終端">數(shù)據(jù)終端單元)、CDMA無線網(wǎng)絡和中心服務器組成。綜合考慮業(yè)務數(shù)據(jù)量、安全性、可靠性、網(wǎng)絡狀況與成本等因素,采用以下組網(wǎng)方式:通訊服務器以公網(wǎng)固定IP通過VPN專線接入到離廠區(qū)最近的CDMA無線機站,協(xié)議轉換器內(nèi)置的CDMA通訊模塊(DTU)上電后,自動與通訊服務器建立連接。武漢鋼鐵集團公司廠區(qū)外水站的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結構圖見圖1所示。?

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2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸原理?

??? 根據(jù)圖1所示的武鋼廠區(qū)外水站的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結構,數(shù)據(jù)上傳" title="上傳">上傳原理如下:?

??? (1) 武鋼廠區(qū)外各水站現(xiàn)場溫度、壓力、流量等模擬量數(shù)據(jù)的采集通過一進二出的隔離器引入到數(shù)據(jù)采集單元的模擬量輸入模塊;水泵的運行狀態(tài)開關量點接入到數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)字量輸入模塊;?

??? (2) 數(shù)據(jù)采集單元采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過RS485串口上行傳輸?shù)絽f(xié)議轉換器;?

??? (3) 協(xié)議轉換器把接收到的數(shù)據(jù)以RS485串行通訊協(xié)議送到CDMA無線數(shù)據(jù)終端; ?

??? (4) CDMA無線數(shù)據(jù)終端將數(shù)據(jù)轉換成TCP/IP包,發(fā)送到CDMA無線網(wǎng)絡;?

??? (5) 中心服務器通過綁定IP地址的VPN專線(帶寬可達2MHz,以保證各站點上傳數(shù)據(jù)的匯總,并確保站點和中心服務器的獨占性)將接收到的TCP數(shù)據(jù)流包匯總后,轉換成OPC(OLE for Process Control)標準的傳輸方式,再通過Wonderware公司的通訊軟件OPC-LINK把OPC服務器上傳的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿滗撃茉凑{度信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫Industrial SQL Server。?

2.3 無線通訊硬件?

??? 武漢鋼鐵集團公司廠區(qū)外水站的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件設備主要包括數(shù)據(jù)采集單元、協(xié)議轉換器(內(nèi)置CDMA DTU)和中心站點通訊服務器。該系統(tǒng)其核心的通訊設備是武漢希文科技發(fā)展有限公司XWXY系列協(xié)議轉換器,該設備采用嵌入式工控模塊,應用RISC技術的BBPC 1610C CPU,內(nèi)置高品質的工業(yè)級電器元件和BTS 1600 CDMA1X(CDMA? DTU),并配備多重看門狗和自主知識產(chǎn)權的BIOS,產(chǎn)品的高穩(wěn)定性、抗電磁干擾性和高速運算能力有了可靠的保證。該產(chǎn)品提供了十個外接設備通訊口,如RS232接口、RS485接口、10/100BaseT以太網(wǎng)接口等,以滿足不同外接設備的通訊需求。協(xié)議轉換器結構如圖2所示。?

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2.4 無線通訊軟件?

??? 武鋼能源水網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)建立于美國Wonderware公司提供的FactureSuite A2應用平臺,廠區(qū)外圍水站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)必須歸并于FactureSuite A2平臺下的數(shù)據(jù)庫Industrial SQL Server進行統(tǒng)一管理。數(shù)據(jù)從廠區(qū)外水站現(xiàn)場傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫Industrial SQL Server的軟件流程具體如下:?

??? 武鋼廠區(qū)外的水站現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集單元的采集軟件處理后,轉發(fā)至協(xié)議轉換器的協(xié)議轉換軟件進行協(xié)議轉換,即武漢希文科技發(fā)展有限公司自定義傳輸協(xié)議轉換成工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N標準協(xié)議MOD BUS,再通過內(nèi)置的無線數(shù)據(jù)終端實現(xiàn)TCP透明數(shù)據(jù)流無線遠傳到中心站點服務器,中心服務器上的MOD轉換OPC軟件(現(xiàn)成的軟件模塊,無需單獨開發(fā))把接收到的TCP透明數(shù)據(jù)流內(nèi)的MOD BUS協(xié)議的數(shù)據(jù)轉換成標準的OPC協(xié)議。這樣OPC-LINK軟件可以接收到經(jīng)OPC服務器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),同時將這些數(shù)據(jù)再轉發(fā)到數(shù)據(jù)庫Industrial SQL Server內(nèi),至此完成廠區(qū)外圍水站的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)到武鋼能源調度信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的上傳全流程。如圖3所示。?

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2.4.1 協(xié)議轉換軟件?

??? 協(xié)議轉換軟件的功能是進行多種常用工業(yè)標準通訊協(xié)議或者各種電力規(guī)約相互的轉換。根據(jù)武鋼能源水網(wǎng)無線監(jiān)控子系統(tǒng)的設計要求,該轉換軟件主要是實現(xiàn)武漢希文科技發(fā)展有限公司自定義的遙測和遙信通訊協(xié)議(xwyc和xwyx)到MOD BUS協(xié)議之間的轉換。協(xié)議轉換器端選擇以MOD BUS方式上傳數(shù)據(jù)給遠端的中心服務器主要是考慮到MOD BUS 協(xié)議是工業(yè)上一種比較常用的現(xiàn)場通訊協(xié)議,同樣OPC協(xié)議也是工業(yè)領域內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N常用通訊協(xié)議,這兩種標準協(xié)議之間的轉換已有現(xiàn)成的軟件模塊加以實現(xiàn),無需單獨開發(fā),這樣可以減少程序開發(fā)量,縮短工程建設周期。?

??? 協(xié)議轉換軟件運行于更為穩(wěn)定和安全的DOS操作系統(tǒng)環(huán)境,整套軟件用Borland C語言開發(fā),其實現(xiàn)的主要流程如下:?

??? (1) 從協(xié)議轉換器0口(通過485接口接入數(shù)據(jù)采集單元)接收xwyc和xwyx協(xié)議數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是來自于數(shù)據(jù)采集單元的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù),并將該數(shù)據(jù)存入0口的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。?

??? if(memcmp(srfp[0]->protocol,'xwyc',4)==0)pol_r_selfyc(0);?

??? if(memcmp(srfp[0]->protocol,'xwyx',4)==0)pol_r_selfyx(0);?

??? (2) 將協(xié)議轉換器0口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則放入7口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。?

??? if((memcmp(srfp[0]->protocol,'xwyc',4)==0)||(memcmp(srfp[k]->protocol,'xwyx',4)==0)) updata_101(0);?

??? (3) 編制MODBUS報文放置協(xié)議轉換器7口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。?

??? if(memcmp(srfp[7]->protocol,'modbu',5)==0)pol_s_mod(7);?

??? (4) 協(xié)議轉換器7口數(shù)據(jù)緩存區(qū)通過RS485接口芯片接入到無線數(shù)據(jù)終端BTS 1600 CDMA1X。無線數(shù)據(jù)終端BTS 1600 CDMA1X提供RS485串行接口,可以接收串口數(shù)據(jù)。?

??? 無線數(shù)據(jù)終端BTS 1600 CDMA1X要實現(xiàn)TCP透明數(shù)據(jù)流傳輸,必須通過該產(chǎn)品提供的網(wǎng)管軟件對應用參數(shù)(包括是否用作路由器、是否啟動NAT功能、設備ID或設備描述、應用模式、對端地址、對端端口、角色、本地端口)進行適合本項目需求的配置,如應用模式選擇2(TCP透傳)、對端地址(中心服務器的IP地址)、對端端口(中心服務器接受TCP透明數(shù)據(jù)流的端口號)、角色0(客戶端)等,完成以上的基本配置即可保證無線數(shù)據(jù)終端BTS 1600 CDMA1X的正常工作,實現(xiàn)協(xié)議轉換器7口數(shù)據(jù)緩存的數(shù)據(jù)無線上傳至遠端的中心服務器。?

2.4.2 OPC-LINK?

??? 美國Wonderware公司提供的OPC-LINK是工作在Windows平臺下的應用軟件,其主要作用是通過協(xié)議轉換來實現(xiàn)OPC服務器和Industrial SQL Server之間的數(shù)據(jù)傳輸。OPC-LINK可以與近端或者遠程的OPC服務器進行連接,既可將FactureSuite A2平臺下發(fā)的命令轉換成OPC協(xié)議發(fā)送到OPC服務器,又可讀取OPC服務器端上傳的數(shù)據(jù)。同樣OPC-LINK也可以實現(xiàn)與近端或者遠程Industrial SQL Server之間的雙向傳輸。?

??? 基于CDMA的武鋼能源動力水網(wǎng)無線監(jiān)控子系統(tǒng)相比有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),降低了通訊線路的建設成本和后期維護成本,通訊線路比較穩(wěn)定,監(jiān)控范圍不受限制,不易發(fā)生通訊故障。本系統(tǒng)在實際的運行測試中主要表現(xiàn)以下特點:?

??? (1) 中心服務器接入了2MHz帶寬的VPN專線,該帶寬遠遠超過了目前廠區(qū)外各水站生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總的需要,因此無線數(shù)據(jù)采集分站在現(xiàn)有的基礎上可以繼續(xù)擴充,以滿足武鋼正在進行的水站擴建需求。即使將來該VPN專線的帶寬不能滿足所有分站數(shù)據(jù)的匯總,只需由CDMA專業(yè)維護人員較為簡單地增加該專線的帶寬即可。?

??? (2)中心服務器接入的2MHz帶寬的VPN專線綁定了固定的IP地址,可以使數(shù)據(jù)采集分站的無線數(shù)據(jù)終端異常斷線后,直接自動重新?lián)芴柦⑼ㄓ嵾B接,而無需重新配置無線數(shù)據(jù)終端內(nèi)的中心服務器端的IP地址。這種綁定中心服務器IP地址的設計使得維護人員在無線數(shù)據(jù)終端異常斷線后不必去現(xiàn)場重新設置中心服務器端的IP地址,大大減少維護人員的維護量。?

??? (3)中心服務器接收到的武鋼廠區(qū)外圍水站現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的最大延時不超過2s,能夠滿足武鋼能源調度人員對廠區(qū)外水資源生產(chǎn)調度的要求。?

??? (4)廠區(qū)外各水站的數(shù)據(jù)采集設備均運行于非Windows操作系統(tǒng),增加了數(shù)據(jù)的安全性,最大限度地防止人為因素引發(fā)的病毒侵擾。?

??? 相信隨著CDMA無線通訊的高速發(fā)展,以及3G時代的即將到來,武鋼能源動力水網(wǎng)無線監(jiān)控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、傳輸數(shù)據(jù)的廣泛性(如傳輸生產(chǎn)現(xiàn)場的音頻、視頻數(shù)據(jù))相應地都會有很大的提高,以更好地服務于越來越苛刻的武鋼能源生產(chǎn)。?

??? 本文的創(chuàng)新點有如下兩點:?

??? (1) 現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集利用CDMA無線通訊方式,武鋼水站的生產(chǎn)數(shù)據(jù)是實時傳輸,即單位時間的數(shù)據(jù)流量大,非工業(yè)現(xiàn)場常用的無線短信方式進行數(shù)據(jù)的傳輸。?

??? (2) 整個現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集所選用的設備是武漢希文科技發(fā)展有限責任公司針對本項目自主研發(fā)生產(chǎn)的,而非常規(guī)的國外制造廠家提供的現(xiàn)場總線系統(tǒng)或者PLC系統(tǒng),這樣的設計可以使采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)場的要求進行某種協(xié)議方式的通訊,即比成套的PLC或者現(xiàn)場總線系統(tǒng)的通訊方式改變更為方便,增加了數(shù)據(jù)采集的靈活性,同時節(jié)約了工程的投資費用。?

參考文獻?

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