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远程测控系统技术和市场的发展及需求

行业聚焦点中国仪表网2011年08月12日 10:59人气:3969

       导读:作为远程测控系统,广义看它包括局域网和城域网、城际网(广域网),通信距离从几公里到几百公里,甚至更远,地域跨越城市内和城市间,直至陆地、天空、海洋。狭义看,它是指如下系统,即各现场测点分散(1~2公里),以测量和数据采集为主,控制比较少、比较简单(泵启停或单回路调节)、就地控制(类似基地式仪表)等,检测分散但数据处理及显示操作集中,数据处理量大,数据传输介质多种、数据传输方式也多样化。

一、远程测控系统的发展及需求
  
  作为远程测控系统,广义看它包括局域网和城域网、城际网(广域网),通信距离从几公里到几百公里,甚至更远,地域跨越城市内和城市间,直至陆地、天空、海洋。狭义看,它是指如下系统,即各现场测点分散(1~2公里),以测量和数据采集为主,控制比较少、比较简单(泵启停或单回路调节)、就地控制(类似基地式仪表)等,检测分散但数据处理及显示操作集中,数据处理量大,数据传输介质多种、数据传输方式也多样化。
  
  作为远程测控系统(RMCS),和工业上常用的DCS、PLCS等以工厂自动化为目标的控制系统相比,是有差异的。RMCS、DCS、PLCS都是以“3C”技术为基础,但是DCS等在通讯(Communication)技术方面跟踪世界潮流不及RMCS快(详见本文第二节),在开拓市场方面,RMCS更是受到青睐,我国以生产DCS等产品为主的和利时、浙江中控、上自仪等公司,都开展了RMCS的业务,其中以轨道交通相关的测控系统最为显著。
  
  作为数字通信,远程测控系统的数据传输方式有工程实例的种类很多,如电力线带无线载波;铜缆电话线及光纤通讯传输(如ADSL非对称数字用户环路等);数传无线电台传输(利用免申请频率或申请专用频点——窄带、点对点或点对多点);利用移动通讯(手机)资源传输(CDMA码分多址、GPRS通用分组无线服务即GSM的延续、3G高速数据传输的蜂窝移动通讯);利用互联网资源直至三网融合、利用卫星通讯等。
  
  作为远程测控系统的测量端的现场层,各行业情况差异很大。一般单个测量仪表多接到RTU上(RTU:RemoteTerminalUnit远程终端单位),形成多点I/O集中,安装在现场或现场附近,可经数据传输电台发射接收无线信号,连入网络。有些行业发展到在单个变送器上可发射接收无线电波,从而多台变送器和监视站形成无线局域网。RFID射频识别技术做到智能卡贴到物体上,可以发射、接收无线电波,做到“物与物相联”,这也是物联网的基础。同时使远程测控系统功能扩大,获得“物体”地理位置等信息。远程故障诊断及远程维护技术已发展十多年,也对远程测控系统提出更高要求。
  
  远程测控系统对来自现场的数据,有的要求连续测量数据,有的则要求定时传输来的数据,所以现在的无线传输的变送器,可以断续工作,从而节省了能量,做到了低功耗,所以现场仪表可以用电池供电。
  
  由于在网络中形成集中监视站,这就产生了SCADA软件(监视和数据采集,SupervisoryControlandDataAcquisition),该测控系统也称为SCADA系统。
  
  在实际应用中,油田、市政工程(自来水厂的水源地、城市煤气稳压站等),大型工厂的公用工程(原料或成品的储运,电力、热力、水汽等供应,为了调度需要,某些工厂内与各车间的DCS平行而专设测控系统)、输油输气管线、电网调度、移动设备(交通工具、工程机械、大型车间内天车等)采用SCADA系统和无线传输用RTU的工程实例较多,但由于近来可被选择的相关设备种类很多,所以RTU等现场设备和人机界面等中控室设备,或网络设备,面临着更新换代的问题。作为自动化行业,解决几十公里或几公里或一公里以内的测控系统的问题,是我们的要务,为各行业提供解决方案和做好服务是我们在市场中立足的要务。提供几公里内的现场测量仪表和RTU是自动化仪表制造行业的责任,提供对应接口和驱动软件,应该满足主流网络的要求。
  
  在更广的范围内,工业现场以外,远测测控也在发展,如自然环境的地质、水文、海啸预测的传感网,各种大型建筑物、大型设备、消防和有毒气体的监测(包括矿山)、粮库等社会公共资源的监测等。特别是由于传感器技术和无线通信技术的发展,使传感器和信号传输的成本下降,能耗降低,使泛在感知技术逐步普及,传感网或物联网成为新兴产业。
  
  有线和无线通信介质的兼容,数据信号扩大到声音、图像等多媒体。信号、网络结构多样化及网格结构的流行,使远程测控系统形成异构系统,所以需要进一步的学习数据通信技术。
  
  二、SCADA系统与SCADA软件
  
  1、远程测控系统按功能分层因行业而异,一是多样化,二是扁平化,这与通信系统结构的发展及管理调度和操作方式发展有关。一般现在分现场层、监视层、管理层三层。
  
  2、监视层所指的中控室及与现场分散设备相接口的部分,这是狭义上的SCADA系统。从硬件上看,分为人机界面设备和数据采集设备,现场为无线通信情况下,还有通信处理前置机,人机界面设备监视站内配有中心数据库,由于Web技术的发展,有各种服务器/客户器或服务器/浏览器。如某SCADA系统的调度中心的配置为:服务器、广域骨干网、工作站、通信前置机等。人机界面与多媒体结合,大型视频墙(VideoWall)等在中控室或指挥中心常被采用。
  
  3、监视层SCADA系统中对应的软件即SCADA软件,包括人机界面软件和数据采集软件。所以对应软件可写成HMI/SCADA软件。目前SCADA软件已经成为独立的产品,在工控行业又称为组态软件。国外著名品牌有FIX、Intouch等,国内有组态王、三维力控等。它已由主要解决人机界面问题,而扩大至组态控制策略,建立实时数据库、通信及联网,提供各种I/O的驱动程序等,完成系统集成的软件工程全部软件支持任务。它的主要功能组件有:应用程序管理器、图形界面开发/运行程序、实时数据库系统组态/运行程序、I/O驱动程序等。其他功能组件还有:通用数据库接口(ODBC接口)/运行程序、控制策略编辑/生成组件、实用通信程序组件等。
  
  其中实用通信程序组件的功能包括:用于双机冗余系统中主机与从机间的通信、关于多种通信介质的应用(如以太网、RS485、RS232、PSTN、GSM等),Server/Client的数据双向传输、基于Internet或Browser/Server(B/S)的通信功能等。
  
  标准化方面,采用IEC61131-3及OPC(OPCUA)(此为行规)、TCP/IP、IEEE802及其它标准,使其具有开放性,能与多种软件平台及工具软件相兼容。
  
  SCADA软件运行后,可以完成如下几个任务:查看现场的实时数据和流程画面;自动打印各种实时/历史数据报表;自由浏览各种实时/历史趋势;及时得到并处理各种过程报警和系统报警,在必要时人为干预生产过程,修改相关参数或状态(手动操作);与管理部门的计算机联网,为管理部门提供实时和历史数据。
  
  4、关于利用手机短信或个人数据助理(无线PDA)等方式,让管理人员可在多处看到工厂控制系统(DCS系统应接有如“anywhere”的无线发射台)、公用工程测控系统等相关参数,这些在国外已相当普及,这方面技术是远程测控系统的一部分,国内应该重视这方面的需求。
  
  5、关于GPS(GlobalPositioningSystem)全球定位系统,这在民用方面已开始普及,而在自动化行业还不太普及,只是少数DCS系统开始提供这方面的应用。首先应该明确GPS技术应用是远程测控系统的一部分。这在交通管理、物流管理、输油输气管线管理、煤气等市政工程管理等方面都可以利用,GPS接收机通过定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息,分散的现场,对这些信息都是非常需要的。自动化行业的专业人员应该学会做出可接入GPS的测控系统的解决方案,为用户做好接入服务。
  
  三、现场仪表及RTU
  
  远程测控系统的现场仪表提供各种检测的数据,现场条件各不相同,所以应有多种仪表,供用户和设计人员选择。
  
  1、近几年发展起来的工业无线技术,如由中科院沈阳自动化所为代表,我国国家标准化管理委员会提出,已成为国际标准的“工业无线网络WIA”(Wireless Networksfor Industrial Automation),它采用Mesh(网格)路由结构、全网TDMA模式、带电池的低能耗技术。它有WIA无线通信模块,与温度模块、压力流量模块、液位流量模块等集成智能无线模块——现场仪表(每个仪表上有一个天线),另有WIA无线网关,向下与现场仪表无线通信,数据汇集,再经Ethernet等串口与中央控制室的有线系统相连。
  
  艾默生的无线系统中的无线变送器,发射距离可达800米,采用免费频段:2.4G、5.8G,发射功率小于10mw,属于微功率短距离设备,免于备案,数据刷新(更新数据时间发射无线电波)时间可变更,一般为1秒、2秒、4秒或更长,对应有标准IEC62591。
  
  WIA等产品还可以集成远程传输无线通信GPRS模块。
  
  2、近十多年来,一直用于油田、城市煤气管线、自来水厂的水源地等处的RTU远程终端单位,它是成熟的产品,它满足了几点~几十点输入、输出信号的连接和处理,所接的测量元件或其它现场仪表是专用的或通用的模拟仪表,输出信号可以是模拟量和开关量,经过集中,由调制解调器接入数传电台。这种模式用于分散的现场测量的无线传输。现在正进入更新换代时期。由于RTU的使用习惯及价格优势,它将与单独现场仪表互相并存。
  
  3、现场总线技术(20余种现场总线,包括HART),它提供数字化的现场仪表,在很多行业作为远程测控系统的基础是有优先条件的。原设计通信介质有无线方式,但一般只是作为通信距离的延伸和补充。现在还有RI/0(远方输入/输出)设备等,已在工程中使用。总之,现场总线如何用于远程测控系统,特别是形成无线局域网,并与现在推广的无线变送器产品相融合,还在研发过程之中。
  
  4、采用PLC控制器作RTU的替代品或作为PLC性能的扩展,这也是一个在很多远程控制系统中采用的切实可行的方案,工程实例很多。
  
  5、RFID技术,目前在工厂管理、物流行业已逐步应用,它是非接触式的可移动的智能身份证,在识别、跟踪、查找等方面功能显著,它将是物联网的基本技术,也是远程测控系统可开拓的领域。
  
  四、当前的远程测控供应商市场
  
  1、Honeywell公司承接的西气东输二线测控系统,西段长2441公里,东段长2472公里,另有支线6条,全长3657公里,地下储气库3座、LNG调峰站等,有多个压气站、分输站、阀室。采用了PLC、RTU、ESD、SCADA系统。
  
  2、安控公司为工业级RTU专业制造公司,油气田系统集成商,产品有Super、E5000、Super32、SuperE40、E6800、SuperE50及Super系列网络化产品等RTU,年产值超过1亿元。应用实例有控油机控制、水源井监控、天然气井监控、管道阀室、天然气调压站及管网检测、注水站监控等,另有原油处理站、油库、天然气门站及中高压站等工程业绩。
  
  3、艾默生公司在市政SCADA系统中业绩遍布于美国,国内有哈尔滨市政水务系统,其Ovation
  
  SCADA系统支持多种网络类型:①拨号,租用线路,扩频无线(串行);②租用线路,扩频无线(以太网);③其他无线技术:GPRS/CDMA、Wi-Fi、Wi-Max、自组织网络等。
  
  4、Sixnet公司除有多种相关产品外,在国内有多个工程实例:胜利油田天然气集输计量系统,长庆油田长输管线巡检SCADA系统、深圳燃气集团LNG天然气检测SCADA系统、抚顺新钢铁能源计量管理SCADA系统、太原市自来水公司供水调度SCADA系统、澳门威尼斯人酒店电力监控SCADA系统、重庆市环保局污染源在线监测SCADA系统(北京华控公司研制了下水道化粪池安全预报警系统)、云南石林10MW光伏发电系统、武广高铁防灾监控系统等。
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