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案例頻道 與傳統的可編程控制器(PLC)相比，RTU（Remote Terminal Unit）具有優良的通訊能力和更大的數據存儲量，特別適用于惡劣的溫度和濕度環境，并且提供更多的復雜計算功能。
數據采集傳輸儀是RTU在環境監測領域的一個典型應用，可對現場數據進行采集、保存和傳輸，還可實現對設備遙控、遙信、遙測功能。
環境監測站點常處在環境惡劣的工業現場，所使用產品必須有特殊的防護等級，且需要充分考慮網絡的安全。雖然使用工業計算機可能會使項目實施在某些方面簡化，但性價比不高。
基于RTU技術的數據采集傳輸儀作為專業的工業產品，在安裝上更加集成化，且對環境要求低；采用嵌入式操作系統，具有更高的網絡安全性能，適合于長期運行免維護的監測系統使用。
1 數據采集傳輸儀
數據采集傳輸儀指用于采集、存儲各種類型監測儀器儀表的數據，并能完成與上位機數據傳輸功能的數據終端單元，具備單獨的數據處理功能。
數據采集傳輸儀是現場儀表與上位機系統的連接儀器。通過數字通道、模擬通道、開關量通道采集監測儀表的監測數據、狀態等信息，由傳輸網絡將數據、狀態傳輸至上位機；上位機通過傳輸網絡發送控制命令，數據采集傳輸儀根據命令控制監測儀表工作。在整個環境在線監測系統中，上位機是在線監測系統軟件平臺的統稱，下位機則是現場儀器儀表的統稱，包括儀表供應商提供的具有計算處理能力的工業控制計算機。
國內數據采集傳輸儀按結構分為以下幾類：
(1)單片機(78E51/52/54/58、97C51/52/54/58、8951RD+、80C320、87C520 )+GPRS模塊，成本低，價格便宜，性能較弱，開發難度大。
(2)基于X86系統CPU板工控機+RS485卡+I/O卡，成本較高，功耗大。硬盤為系統薄弱環節，功能較強。
(3)可編程控制器成本價低，功能全，功耗適中，采集I/O部分容易受干擾，升級維護困難。
(4)基于ARM 9 嵌入式系統+GPRS模塊，軟件開發成本低，性能穩定可靠，功耗低，為以后發展趨勢。
目前國內數據采集儀大部分已經采用嵌入式系統，它具有成本低、穩定可靠等優點。
E6803型數據采集傳輸儀是北京安控科技股份有限公司（以下簡稱安控科技）為環境在線監測系統定制的專業數據采集和傳輸設備，擁有完整的軟、硬件自主知識產權，兼容國內主流廠商的系統平臺，首批通過環保總局認證，并在環境監測領域得到大規模應用。
1.1 設計原則
數據采集傳輸儀是現場一次儀表與中心監控系統的橋接部件，可獨立運行。該儀器一般安裝在排污口現場，如污水處理廠進水、出水口，企業污水排污口，企業煙氣排污口，每個監測現場使用一套數據采集傳輸儀。
1.2 RTU CPU選型
ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處理器，它被廣泛應用于嵌入式系統中。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經在手持電話、機頂盒、數碼相機、GPS、個人數字助理以及因特網設備等方面有了廣泛的應用。
E6803數據采集儀采用ARM9 CPU芯片。它比ARM7系統的處理速度更快，五條流水線使并行處理能力更強，中央處理器處理能力是ARM7的兩倍，板載128M FLASH內存可以存儲1年的環保監測數據，供用戶隨時查詢核對。
1.3 硬件架構
圖1 硬件架構
硬件配置：
(1)輸入、輸出接口8路AI， 8路 DI ，4路 4DO，A/D分辨率16位。電流信號輸入0～20mA，電壓輸入0～5VDC，DO觸點容量250VAC/1A。
(2)通訊接口支持Ethernet網絡口1路，RS232、RS485。RS232配4路，RS485配2路。電源、信號輸出輸入端均采取光電隔離保護，并與主控電路隔離。
(3)設計存儲容量為64MByte，可連續存儲滿負荷、采集間隔1分鐘12個月的歷史數據。
(4)后備電源支持設備運轉12小時以上。
(5)支持一點多傳，最多支持監測數據發送到4個監測中心。
(6)支持通過USB接口數據導出功能。
(7)采用5.7寸觸摸屏，執行現場的各種操作，配置簡單便捷。
(8)可根據用戶需要配置 GPRS 、CDMA DTU，通過無線傳輸監測數據。
1.4 軟件架構
圖2 軟件架構
軟件配置：
(1)內置看門狗功能，防止程序以外發生的各類問題，保證系統正常運行。
(2)內置Web服務器功能，可開放給被監測企業隨時查看監測數據，歷史記錄。
(3)支持Modbus RTU、Modbus ASCII TCP/IP協議、DNP3.0等通信協議，具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口。
(4)支持數據掉電保護功能，可長期保存設定參數及歷史數據。
(5)支持掉電重啟功能，真正做到無人值守，免維護。
(6)支持上位機不同平臺軟件開發接口，不同平臺適應性更強。
(7)內置近百種國內外在線儀表驅動程序，方便現場調測。
1.5 產品特點
(1)模塊式一體化設計
以ARM9技術的32位CPU為核心的RTU是集成了采集模塊及傳輸終端設備為一體的設備，符合國家相關行業自動化監測RTU終端設備技術規范標準。RTU設備具備工控產品的通用性特點，易于日后系統升級擴展。
(2)卓越的環境適應特性
環保專用控制器、GPRS DTU設備均采用優秀工業級產品，適合在惡劣環境中工作，其高溫和低溫特性為-40℃～+70℃，且具有良好的抗干擾、抗潮濕、抗沖擊能力。完全可以適應本項目中各遙測點所處的環境帶來的雨水、潮濕、嚴寒、酷暑、機動車行駛和大型供電變壓器干擾等不利因素，保證系統的正常工作。
(3)易于擴展和維護
環保專用控制器采用標準化工業I/O模塊，金屬機箱設計，內部設計簡潔規范；所有硬件設備采用模塊化設計，易于安裝和替換，并容易擴展；提供內部測試功能，提供部分備用通道，易于維護和調試。
(4)靈活的通信方式
數據采集儀可以通過有線進行連接，采用城域網、ADSL、VPN等連接方式。無線網支持GPRS、CDMA通訊方式。
(5)強大的軟件系統
環保專用控制器支持標準C、梯形圖等編程語言，可以實現數據采集、數據處理、數據存儲等功能；提供多達128K的數據存儲能力。其強大的編程和數據處理能力可以滿足任何復雜環境監測的需要。
1.6 核心技術
(1)內置小型數據庫，保存污水，煙氣兩套配置，通過更改監測屬性可以很容易更換，可以在遠端更改后，通過網絡下載，污染物屬性符合國家環保HJT212-2005數據傳輸標準，HJT352-2007數據交換規范。可以就地USB備份數據。
(2)內置WEB服務器，支持遠程IE網頁瀏覽，具有用戶管理功能，根據不同用戶需求制定不同權限，可以把此功能開放給最終用戶，可以實時觀察污染物排量狀況，及時調整設備的運行狀態，降低污染物的排放。通過IE可以遠程控制數采儀指定等比例進行采樣。
(3)支持采集數據發送多數據中心配置，可以把采集數據發送4個數據中心。
(4)支持采集數據與監控視頻的數據疊加。杜絕數據造假，真實反應實時監測情況
(5)硬件遵循HJ477-2009污染源在線自動監控（監測）數據采集儀技術要求。
2 典型應用
水質在線監測系統包括采樣單元、分析單元、數據采集單元、視頻監控單元、輔助單元和監測站房單元組成，安控科技提供整個系統的建設、聯調和維護服務。水質在線監測系統集實時監控功能、自動上報功能、自動報警功能、自動采樣功能、遠程控制功能、數據庫同步功能、智能化數據處理功能、海量數據備份以及斷電保護功能等先進技術于一身，并使用了多層安全機制和簡便的人機交互界面，在保證功能完善的同時具備了很強的安全性、可靠性和易操作性，保障監控中心對各污染源排放情況監控管理的準確性和及時性。
針對工業和生活等各類廢水排放單位，在被測水體或廢水排放口附近對水質進行連續分析，檢測水樣的化學需氧量（COD）值的環保檢測儀器。
在每個遠程監測點現場安裝一套以ARM9技術的32位CPU為核心的數據采集傳輸儀，由它負責對現場監測儀表采集的數據進行處理、保存、顯示。通過網絡接口、串行口把采集的數據按不同平臺的協議發送給各監測信息中心，監測中心還可以使用反控命令對數據采集儀進行協議要求的各類操作，如校正時間、更改數據發送間隔、補發分鐘數據、小時數據、日數據。也可以通過數據采集儀間接控制在線儀表的報警上下限，采樣間隔。
3 結束語
基于安控科技RTU技術開發的數據采集傳輸儀，憑借卓越的性能和豐富的功能，能夠充分滿足環境監測領域的需求，是RTU產品在環保監測領域的成功應用案例。
參考文獻：
[1] 莊貴林.城市自來水SCADA系統結構分析及監控站點組成[J]. 國內外機電一體化技術, 2003: 4.
[2] 張劍峰, 張進等. 基于ARM7的RTU微控制器的設計[J]. 微計算機信息,2009: 2.
[3] （HJ 477-2009）污染源在線自動監控（監測）數據采集傳輸儀技術要求，[S].
孫衛國（1973-）
男，河北邯鄲人，畢業于華北電力大學計算機輔助設計專業，工學碩士。現任北京安控科技股份有限公司環保事業部技術主管。
摘自《自動化博覽》2011年第二期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號