基于嵌入式PC與GPRS的SCADA在油田中的應用
關鍵詞：嵌入式PC; GPRS; SCADA
1 引言
隨著電子計算機及網絡通信技術的迅猛發展，許多生產過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際情況，探索應用相應的測控系統。由于存在著單井作業或數臺甚至十臺以上抽油機排列在一起，形成一個或數個井排，同時在其周圍相距幾百米分布著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，需要采集各個抽油機、油罐、電機和油泵等的實時數據，如溫度、壓力、流量、油罐的液位和儲油量、電壓、電流等。為了使采油廠的生產管理調度部門及時掌握一線生產情況，必須將數據及時上傳。但工作現場環境十分惡劣，無法晝夜值守，又無通訊線路，因此，給生產管理帶來極大不便。
針對上述問題，本文討論一種不受惡劣環境影響的、可安裝在現場的基于嵌入式PC 和中國移動的GPRS網絡的遠程監控與數據采集系統。
2 嵌入式PC（Embedded PC）[1]
早在20世紀70年代計算機系統就出現了一個新分支——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，稱作嵌入式計算機系統，其嵌入性本質是將一個計算機嵌入到一個對象體系中去，也可將其定義為：“嵌入到對象體系中的專用計算機系統”。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。它的三個基本要素即“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統”。
嵌入式系統按形態可分為三種：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技術及其特點[2]
GPRS是通用分組無線業務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現有GSM系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。GPRS理論帶寬可達171.2Kbit/s，實際應用帶寬大約在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，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用。GPRS能將數據打包發送，允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，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，對于用戶來說比較經濟合理。在本研究課題中使用GPRS技術傳輸，實現數據分組發送和接收。能永遠在線并且只按傳輸流量計費，較大幅度地降低服務成本。
4 監控與數據采集系統（SCADA）[3][4]
SCADA系統是以對生產過程現場的監視為主，向操作控制人員提供現場信息并由操作控制人員決定要實施的控制，最后由操作人員發出指令對現場的執行器進行操作的系統，整個系統由監控中心、若干個分散的遠程測控終端RTU （Remote Terminal Unit）和通信介質三部分組成。監控中心又稱主站,是SCADA系統的核心,負責控制管理整個系統的運行;RTU又稱外圍站點,相當于DCS中的現場控制站，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，完成各種遠端現場數據的采集與處理、現場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。隨著開放式網絡結構的不斷成熟和IP技術的高速發展，系統的功能正在逐步從單一向綜合的方向發展，許多過去要幾個不同系統才能夠實現的控制和自動化功能，現在只需要一個系統即可完成。
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數據采集與監控部分、GPRS傳輸部分、外部數據網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，現場數據采集與監控部分將各種傳感器傳回的信號經過智能模塊的處理，通過GPRS傳輸部分將數據傳輸到GPRS網絡上，再通過外部數據網（如Internet）傳輸。監控中心服務器通過GPRS Modem即可接受現場的全部數據。
由于現場大多數被測量參數都是定時采集，故GPRS模塊不必一直發送數據，而是每隔一段時間發送一次數據，同時，現場部分在檢測到的數據變化幅度異常時，可立即發送數據，并報警。
5.2 現場數據采集
現場數據采集儀器必須與上位機有一定的通訊功能，才能使現場各種傳感器輸出的信號，準確地經無線傳輸發送給遠方的監控計算機，進行分析、處理及存儲。根據現場的實際情況，經過多方面的比較，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，并且在通用工業數據通信網絡中，它可以和PC主機進行通信;本身帶有獨立運行內核的獨立控制器;支持多種軟件，可使用它建立滿足不同要求的SCADA系統。
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RS-232，1個RS-485;它是在C語言環境中開發的，帶有自身的C語言庫函數，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ADAM-5510的數據采集系統能夠在惡劣環境下可靠工作，是一種智能化的現場信息采集單元，特別適合于采樣及控制點分散，與主機距離較遠的數據采集及控制場合。ADAM-5510基座的插槽數，相應模塊的通道數都較好的適應和滿足了本系統，在本系統中所反應出來的性價比較高。
對于現場站點采用的是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作為數據輸出模塊。
現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的4-20mA，此外還有基于現場總線的傳感器，本系統使用了一些HART協議的傳感器。如圖2所示，4-20mA接到ADAM-5017H，8個HART信號并聯在一條線纜上，通過HART Modem接到ADAM-5510的一個串口上。這種連接方法使全部傳感器僅使用一個GPRS模塊，可大大節省成本。
圖2 現場模塊連接圖
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IP66工業級密封箱內，并安裝在現場。
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、以太網等多種接口方式,并有耳機和麥克風接口，軟件部分內置了TCP/IP等通訊協議。在數據監控中心一端以配置專門的模塊統一收發數據，通過對數據的透明傳輸，現場的數據收集/發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，沒有對數據添加任何多余的協議，也不會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具有自動撥號和在線狀況自動檢測的功能。
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的特點和應用領域的具體要求進行組網。組網形式由業務數據量、時延、可靠性要求、數據保密性、網絡狀況決定。其中專線接入適合電力、金融、證券、工業監控等行業。企業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。在傳輸數據的過程中使用專線接入中國移動的GPRS網絡，GPRS DTU向數據中心實時發送數據，傳送完全透明，不需要后臺計算機支持，沒有對數據添加任何多余的協議，也不會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綁定中國移動提供的SIM卡固定數據中心地址（IP地址）。GPRS DTU向這個IP地址發送數據。監測中心的查詢命令或控制命令也可以通過互聯網和GPRS網發送到GPRS模塊匯總，再由GPRS模塊傳送給各個儀表，對它們進行操作。數據監控中心主要是工藝流程及數據的實時顯示，本系統中采用Kingview 6.5組態軟件，對傳送到監控中心的信號進行監控管理。
6 小結
基于嵌入式PC模塊與GPRS通訊網絡構建遠程監控與數據采集系統，與傳統的有線或點對點無線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點。該系統適用于油田、礦山等大型企業生產過程的集中監控與管理，因此，其具有實際應用價值。
[參考文獻]
[1] 何立民.嵌入式系統的定義與發展歷史[J].單片機與嵌入式系統應用，2004.1：6-7.
[2] 深圳市宏電技術開發有限公司.GPRS無線DDN技術白皮書[Z].2003.2.
[3] 羅安.計算機控制系統體系結構的發展[J].自動化博覽，2003（S1） ：39-41.
[4] 朱寧西，張齊.GSM網絡短信息無線通信SCADA系統的實現[J].華南理工大學學報（自然科學版），2003，31（12）：38.
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