摘  要: 介绍了基于CDMA的武钢能源水网无线监控系统" title="监控系统">监控系统的设计与实现。重点讨论了无线网络结构、数据上行传输原理、无线通信硬件配置以及主要软件的实现方式。通过本系统的实际运行测试,与有线数据采集" title="数据采集">数据采集系统进行比较和分析,总结出本系统的特点。展望了本系统更为广泛的应用前景。 

    关键词: CDMA;无线监控;上行传输;硬件配置;数据采集

    为实现武汉钢铁集团公司(简称武钢)水、电、风、气的统一管理,以达到优化能源调度、节约能源和改善环境的目的,必须加快武钢集团公司能源调度信息采集系统的建设。 

    武钢2006年底已建成覆盖整个厂区范围的燃气热力及氧氮氩空调度信息监控系统,目前正在建设的武钢能源动力水网监控系统将全公司50个水站纳入到武钢能源动力公司调度中心集中管理,方便能源调度人员对水资源关键计量数据进行查询、统计、分析,并及时掌握全公司水资源当前生产和用户供应的状态,扩大燃气热力及氧氮氩空调度信息监控系统的调度范围,为武钢能源全面调度自动化打下了坚实的基础。 

    在武钢能源动力水网监控系统建设过程中,江心水站、27#水站、3#水站、4#水站、15#水站、22#水站和12#水站在武汉钢铁集团公司厂区外,并且监控点分散,数据传输距离较远,如果针对上述七个站点采取有线光缆数据传输方式,必然会带来施工的困难,增加相应的网络建设成本,尤其在网络建成后期,网络运行维护成本投入加大,现场维护人员的维检工作量也会随即加重。为了较好地解决有线光缆传输带来的这些问题,本文提出了基于CDMA的无线组网方案应用于武钢厂区外七个水站的数据采集系统。 

1 CDMA技术 

    码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)是在数字技术的分支——扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术,即将需传送的具有一定信号带宽信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端使用与之完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通信。  

    CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成,含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作,因此它具有抗干扰性好,抗多径衰落、保密安全性高、同频率可在不同的区域范围内重复使用并且容量和质量之间可做权衡取舍等特点。这些特点使CDMA通讯方式较好地满足了武汉钢铁集团公司厂区外七个水站的现场数据采集要求(水站现场电磁干扰大、数据流量大和实时性强)。 

2 CDMA无线组网方案 

2.1 无线网络结构 

    武钢能源动力水网监控系为实现对武钢厂区外7个水站的数据采集,依据这7个水站所处的地理位置构建了6个CDMA无线数据采集分站,并在武钢能源调度室设置一个数据中心站点用于接收这6个分站发送的现场生产数据。这6个CDMA无线数据采集分站依次为:江心分站、27#分站、3#4#分站、15#分站、22#分站和12#分站。 

    武钢厂区外水站的无线数据传输系统由数据采集单元、协议转换器" title="协议转换器">协议转换器(内置CDMA无线数据终端" title="数据终端">数据终端单元)、CDMA无线网络和中心服务器组成。综合考虑业务数据量、安全性、可靠性、网络状况与成本等因素,采用以下组网方式:通讯服务器以公网固定IP通过VPN专线接入到离厂区最近的CDMA无线机站,协议转换器内置的CDMA通讯模块(DTU)上电后,自动与通讯服务器建立连接。武汉钢铁集团公司厂区外水站的无线数据传输系统结构图见图1所示。 

2.2 无线数据传输原理 

    根据图1所示的武钢厂区外水站的无线数据传输系统结构,数据上传" title="上传">上传原理如下: 

    (1) 武钢厂区外各水站现场温度、压力、流量等模拟量数据的采集通过一进二出的隔离器引入到数据采集单元的模拟量输入模块;水泵的运行状态开关量点接入到数据采集单元的数字量输入模块; 

    (2) 数据采集单元采集到的现场数据通过RS485串口上行传输到协议转换器; 

    (3) 协议转换器把接收到的数据以RS485串行通讯协议送到CDMA无线数据终端;  

    (4) CDMA无线数据终端将数据转换成TCP/IP包,发送到CDMA无线网络; 

    (5) 中心服务器通过绑定IP地址的VPN专线(带宽可达2MHz,以保证各站点上传数据的汇总,并确保站点和中心服务器的独占性)将接收到的TCP数据流包汇总后,转换成OPC(OLE for Process Control)标准的传输方式,再通过Wonderware公司的通讯软件OPC-LINK把OPC服务器上传的数据传输到武钢能源调度信息系统的数据库Industrial SQL Server。 

2.3 无线通讯硬件 

    武汉钢铁集团公司厂区外水站的无线数据传输系统硬件设备主要包括数据采集单元、协议转换器(内置CDMA DTU)和中心站点通讯服务器。该系统其核心的通讯设备是武汉希文科技发展有限公司XWXY系列协议转换器,该设备采用嵌入式工控模块,应用RISC技术的BBPC 1610C CPU,内置高品质的工业级电器元件和BTS 1600 CDMA1X(CDMA  DTU),并配备多重看门狗和自主知识产权的BIOS,产品的高稳定性、抗电磁干扰性和高速运算能力有了可靠的保证。该产品提供了十个外接设备通讯口,如RS232接口、RS485接口、10/100BaseT以太网接口等,以满足不同外接设备的通讯需求。协议转换器结构如图2所示。 

2.4 无线通讯软件 

    武钢能源水网监控系统建立于美国Wonderware公司提供的FactureSuite A2应用平台,厂区外围水站的现场数据必须归并于FactureSuite A2平台下的数据库Industrial SQL Server进行统一管理。数据从厂区外水站现场传输到数据库Industrial SQL Server的软件流程具体如下: 

    武钢厂区外的水站现场生产数据由数据采集单元的采集软件处理后,转发至协议转换器的协议转换软件进行协议转换,即武汉希文科技发展有限公司自定义传输协议转换成工业数据传输的一种标准协议MOD BUS,再通过内置的无线数据终端实现TCP透明数据流无线远传到中心站点服务器,中心服务器上的MOD转换OPC软件(现成的软件模块,无需单独开发)把接收到的TCP透明数据流内的MOD BUS协议的数据转换成标准的OPC协议。这样OPC-LINK软件可以接收到经OPC服务器传输的数据,同时将这些数据再转发到数据库Industrial SQL Server内,至此完成厂区外围水站的现场生产数据到武钢能源调度信息采集系统数据库的上传全流程。如图3所示。 

2.4.1 协议转换软件 

    协议转换软件的功能是进行多种常用工业标准通讯协议或者各种电力规约相互的转换。根据武钢能源水网无线监控子系统的设计要求,该转换软件主要是实现武汉希文科技发展有限公司自定义的遥测和遥信通讯协议(xwyc和xwyx)到MOD BUS协议之间的转换。协议转换器端选择以MOD BUS方式上传数据给远端的中心服务器主要是考虑到MOD BUS 协议是工业上一种比较常用的现场通讯协议,同样OPC协议也是工业领域内数据传输的一种常用通讯协议,这两种标准协议之间的转换已有现成的软件模块加以实现,无需单独开发,这样可以减少程序开发量,缩短工程建设周期。 

    协议转换软件运行于更为稳定和安全的DOS操作系统环境,整套软件用Borland C语言开发,其实现的主要流程如下: 

    (1) 从协议转换器0口(通过485接口接入数据采集单元)接收xwyc和xwyx协议数据,该数据是来自于数据采集单元的现场生产数据,并将该数据存入0口的数据缓冲区内。 

    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) 将协议转换器0口缓冲区的数据按照一定的规则放入7口数据缓冲区内。 

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

    (3) 编制MODBUS报文放置协议转换器7口数据缓冲区。 

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

    (4) 协议转换器7口数据缓存区通过RS485接口芯片接入到无线数据终端BTS 1600 CDMA1X。无线数据终端BTS 1600 CDMA1X提供RS485串行接口,可以接收串口数据。 

    无线数据终端BTS 1600 CDMA1X要实现TCP透明数据流传输,必须通过该产品提供的网管软件对应用参数(包括是否用作路由器、是否启动NAT功能、设备ID或设备描述、应用模式、对端地址、对端端口、角色、本地端口)进行适合本项目需求的配置,如应用模式选择2(TCP透传)、对端地址(中心服务器的IP地址)、对端端口(中心服务器接受TCP透明数据流的端口号)、角色0(客户端)等,完成以上的基本配置即可保证无线数据终端BTS 1600 CDMA1X的正常工作,实现协议转换器7口数据缓存的数据无线上传至远端的中心服务器。 

2.4.2 OPC-LINK 

    美国Wonderware公司提供的OPC-LINK是工作在Windows平台下的应用软件,其主要作用是通过协议转换来实现OPC服务器和Industrial SQL Server之间的数据传输。OPC-LINK可以与近端或者远程的OPC服务器进行连接,既可将FactureSuite A2平台下发的命令转换成OPC协议发送到OPC服务器,又可读取OPC服务器端上传的数据。同样OPC-LINK也可以实现与近端或者远程Industrial SQL Server之间的双向传输。 

    基于CDMA的武钢能源动力水网无线监控子系统相比有线数据采集系统,降低了通讯线路的建设成本和后期维护成本,通讯线路比较稳定,监控范围不受限制,不易发生通讯故障。本系统在实际的运行测试中主要表现以下特点: 

    (1) 中心服务器接入了2MHz带宽的VPN专线,该带宽远远超过了目前厂区外各水站生产数据汇总的需要,因此无线数据采集分站在现有的基础上可以继续扩充,以满足武钢正在进行的水站扩建需求。即使将来该VPN专线的带宽不能满足所有分站数据的汇总,只需由CDMA专业维护人员较为简单地增加该专线的带宽即可。 

    (2)中心服务器接入的2MHz带宽的VPN专线绑定了固定的IP地址,可以使数据采集分站的无线数据终端异常断线后,直接自动重新拨号建立通讯连接,而无需重新配置无线数据终端内的中心服务器端的IP地址。这种绑定中心服务器IP地址的设计使得维护人员在无线数据终端异常断线后不必去现场重新设置中心服务器端的IP地址,大大减少维护人员的维护量。 

    (3)中心服务器接收到的武钢厂区外围水站现场生产数据的最大延时不超过2s,能够满足武钢能源调度人员对厂区外水资源生产调度的要求。 

    (4)厂区外各水站的数据采集设备均运行于非Windows操作系统,增加了数据的安全性,最大限度地防止人为因素引发的病毒侵扰。 

    相信随着CDMA无线通讯的高速发展,以及3G时代的即将到来,武钢能源动力水网无线监控子系统的数据传输速度、数据传输稳定性、传输数据的广泛性(如传输生产现场的音频、视频数据)相应地都会有很大的提高,以更好地服务于越来越苛刻的武钢能源生产。 

    本文的创新点有如下两点: 

    (1) 现场生产数据的采集利用CDMA无线通讯方式,武钢水站的生产数据是实时传输,即单位时间的数据流量大,非工业现场常用的无线短信方式进行数据的传输。 

    (2) 整个现场数据的实时采集所选用的设备是武汉希文科技发展有限责任公司针对本项目自主研发生产的,而非常规的国外制造厂家提供的现场总线系统或者PLC系统,这样的设计可以使采集的生产数据根据现场的要求进行某种协议方式的通讯,即比成套的PLC或者现场总线系统的通讯方式改变更为方便,增加了数据采集的灵活性,同时节约了工程的投资费用。 

参考文献 

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[2] Wonderware Corporation. Industral Application Server2.0 Revision A. 

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[4] 潘伟,孟加.基于MC35的无线数据采集系统的设计[J].微计算机信息,2005,21(7):100-103. 

[5] 马时来. 计算机网络实用技术教程. 北京:清华大学出版社,2003.