1 引言

　　隨著電子計算機及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，許多生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)功能也在不斷增強。為了將相距幾十公里以外的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控一體化的目標(biāo)，基于嵌入式PC與GPRS技術(shù)的特點，提出了一種基于嵌入式PC與中國移動GPRS的SCADA系統(tǒng)。該系統(tǒng)的嵌入式PC采用ADAM-5000系列模塊和ADAM-5510 可編程控制器，完成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號和總線信號的采集與發(fā)送。通過測試研究表明，該系統(tǒng)不僅可用于油田生產(chǎn)過程，也可應(yīng)用于大型的工礦企業(yè)生產(chǎn)過程。

　　2 嵌入式PC

　　嵌入式PC是指嵌入裝置內(nèi)部用于控制后臺設(shè)備工作的計算機，主要用于提供人機接口、管理數(shù)據(jù)以及發(fā)送命令信息。采用嵌入式PC,可以簡化大量電子電路的設(shè)計、縮小裝置體積、減小干擾，提高可靠性。

　　選擇嵌入式PC的優(yōu)點是：在優(yōu)化深層次嵌入式應(yīng)用主板時，相同標(biāo)準(zhǔn)的PC軟件環(huán)境也可以應(yīng)用。程序員可以應(yīng)用他們現(xiàn)有的知識基礎(chǔ)，擁有大量不同的軟件選擇權(quán)。這樣就提高了生產(chǎn)力，降低了產(chǎn)品開發(fā)時間。

　　針對對象系統(tǒng)的環(huán)境（如地理、成本）要求，嵌入式系統(tǒng)是要嵌入到對象系統(tǒng)中去，能夠滿足對象要求的軟、硬件配置及對象系統(tǒng)控制要求的計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)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位微處理器為的板卡或模塊；系統(tǒng)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(tǒng)。

　　3 GPRS技術(shù)及其特點

　　GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS理論帶寬可達(dá)171.2Kbit/s，實際應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。GPRS能將數(shù)據(jù)打包發(fā)送，允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，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才會占用頻寬，且傳輸時按量計價，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，對于用戶來說比較經(jīng)濟合理。

　　4 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）

　　SCADA系統(tǒng)是以對生產(chǎn)過程現(xiàn)場的監(jiān)視為主，向操作控制人員提供現(xiàn)場信息并由操作控制人員決定要實施的控制，由操作人員發(fā)出指令對現(xiàn)場的執(zhí)行器進(jìn)行操作的系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個分散的遠(yuǎn)程測控終端RTU （Remote Terminal Unit）以及通信介質(zhì)三部分組成。監(jiān)控中心又稱主站，是SCADA系統(tǒng)的，負(fù)責(zé)控制管理整個系統(tǒng)的運行；RTU又稱外圍站點，相當(dāng)于DCS中的現(xiàn)場控制站，是采用PLC或單片機等測控系統(tǒng)組成的可獨立運行的智能測控模塊，完成各種遠(yuǎn)端現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的控制以及與遠(yuǎn)程控制中心的通信、具有易擴展性和易維護(hù)性特點。隨著開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷成熟和IP技術(shù)的高速發(fā)展，系統(tǒng)的功能正在逐步從單一向綜合的方向發(fā)展，許多過去要幾個不同系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)的控制和自動化功能，現(xiàn)在只需要一個系統(tǒng)即可完成。

　　5 系統(tǒng)組成及原理

　　5.1 系統(tǒng)組成

　　本數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控部分、GPRS傳輸部分、外部數(shù)據(jù)網(wǎng)和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心四部分組成。如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)組成示意圖

　　在圖1所示系統(tǒng)中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控部分將各種傳感器傳回的信號經(jīng)過智能模塊的處理，通過GPRS傳輸部分將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)上，再通過外部數(shù)據(jù)網(wǎng)（如Internet）傳輸。監(jiān)控中心服務(wù)器通過GPRS Modem即可接受現(xiàn)場的全部數(shù)據(jù)。

　　由于現(xiàn)場大多數(shù)被測量參數(shù)都是定時采集，故GPRS模塊不必一直發(fā)送數(shù)據(jù)，而是每隔一段時間發(fā)送數(shù)據(jù)，同時，現(xiàn)場部分在檢測到的數(shù)據(jù)變化幅度異常時，可立即發(fā)送數(shù)據(jù)，并報警。

　　5.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

　　現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀器必須與上位機有一定的通訊功能，才能使現(xiàn)場各種傳感器輸出的信號，準(zhǔn)確地經(jīng)無線傳輸發(fā)送給遠(yuǎn)方的監(jiān)控計算機，進(jìn)行分析、處理及存儲。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，經(jīng)過多方面的比較，決定使用嵌入式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集器采用ADAM-5510嵌入式PC和遠(yuǎn)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(shù)據(jù)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(nèi)核的獨立控制器；支持多種軟件，可使用它建立滿足不同要求的SCADA系統(tǒng)。

　　ADAM-5510是PC-based可編程控制器，在一個5510的基座上有4個插槽，用戶可以根據(jù)需要選用不同的5000系列模塊。因此，一個ADAM-5510主單元和I/O模塊的配合可以同時測量多種數(shù)據(jù)。

　　ADAM-5510內(nèi)置基于x86-CPU的 ROM-DOS，16位微處理器，256KB Flash，256KB SRAM，內(nèi)建ROM-DOS，支持COM端口，2個RS-232，1個RS-485;它是在C語言環(huán)境中開發(fā)的，帶有自身的C語言庫函數(shù)，在程序中可以直接調(diào)用這些函數(shù)，編譯，鏈接生成可執(zhí)行文件。一起到ADAM-5510的Flash ROM中。

　　現(xiàn)場站點采用的是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(shù)據(jù)輸出模塊。現(xiàn)場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，信號的傳輸類型有傳統(tǒng)的4-20mA，此外還有基于現(xiàn)場總線的傳感器。如圖2所示。

　　圖2 現(xiàn)場模塊連接圖

　　除傳感器外的所有設(shè)備（包括ADAM-5510、HART Modem和GPRS模塊）均置于一個IP66工業(yè)級密封箱內(nèi)，并安裝在現(xiàn)場。

　　5.3 GPRS傳輸

　　針對通訊成本和易用性，本系統(tǒng)采用H7112 GPRS DTU作為通訊模塊。它是一種嵌入式設(shè)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(nèi)置了TCP/IP等通訊協(xié)議。在數(shù)據(jù)監(jiān)控中心一端以配置專門的模塊統(tǒng)一收發(fā)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的透明傳輸，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)收集/發(fā)送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)傳送是完全透明的，不需要后臺計算機支持，沒有對數(shù)據(jù)添加任何多余的協(xié)議，也不會對數(shù)據(jù)的排列作修改。

　　5.4 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心

　　數(shù)據(jù)監(jiān)控中心有多種接入方式，可結(jié)合GPRS的特點和應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求進(jìn)行組網(wǎng)。企業(yè)通過專線接入中國移動的路由器，移動為用戶提供公有或私有IP地址。數(shù)據(jù)中心使用H6210 Modem作為中心接入的硬件設(shè)備。H6210 Modem綁定中國移動提供的SIM卡固定數(shù)據(jù)中心地址（IP地址）。GPRS DTU向這個IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)。監(jiān)測中心的查詢命令或控制命令也可以通過互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)發(fā)送到GPRS模塊匯總，再由GPRS模塊傳送給各個儀表，對它們進(jìn)行操作。

　　6 結(jié)束語

　　基于嵌入式PC模塊與GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線或點對點無線遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，具有成本低、可靠性高、不受惡劣氣候影響等優(yōu)點；適用于油田、礦山等大型企業(yè)生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控與管理。

參考文獻(xiàn):

[1]. GPRS datasheet http://hbjingang.com/datasheet/GPRS_1594650.html.
[2]. PLC datasheet http://hbjingang.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[3]. COM datasheet http://hbjingang.com/datasheet/COM_1118194.html.
[4]. RS-232 datasheet http://hbjingang.com/datasheet/RS-232_584855.html.
[5]. RS-485 datasheet http://hbjingang.com/datasheet/RS-485_584821.html.
[6]. 4-20mA datasheet http://hbjingang.com/datasheet/4-20mA_1763534.html.
[7]. TTL datasheet http://hbjingang.com/datasheet/TTL_1174409.html.