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    與傳統(tǒng)的可編程控制器(PLC)相比，RTU（Remote Terminal Unit）具有優(yōu)良的通訊能力和更大的數(shù)據(jù)存儲量，特別適用于惡劣的溫度和濕度環(huán)境，并且提供更多的復(fù)雜計算功能。

    數(shù)據(jù)采集傳輸儀是RTU在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的一個典型應(yīng)用，可對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集、保存和傳輸，還可實現(xiàn)對設(shè)備遙控、遙信、遙測功能。

    環(huán)境監(jiān)測站點常處在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，所使用產(chǎn)品必須有特殊的防護等級，且需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)的安全。雖然使用工業(yè)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(shù)的數(shù)據(jù)采集傳輸儀作為專業(yè)的工業(yè)產(chǎn)品，在安裝上更加集成化，且對環(huán)境要求低；采用嵌入式操作系統(tǒng)，具有更高的網(wǎng)絡(luò)安全性能，適合于長期運行免維護的監(jiān)測系統(tǒng)使用。

    1 數(shù)據(jù)采集傳輸儀

    數(shù)據(jù)采集傳輸儀指用于采集、存儲各種類型監(jiān)測儀器儀表的數(shù)據(jù)，并能完成與上位機數(shù)據(jù)傳輸功能的數(shù)據(jù)終端單元，具備單獨的數(shù)據(jù)處理功能。

    數(shù)據(jù)采集傳輸儀是現(xiàn)場儀表與上位機系統(tǒng)的連接儀器。通過數(shù)字通道、模擬通道、開關(guān)量通道采集監(jiān)測儀表的監(jiān)測數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息，由傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)、狀態(tài)傳輸至上位機；上位機通過傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)采集傳輸儀根據(jù)命令控制監(jiān)測儀表工作。在整個環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)中，上位機是在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺的統(tǒng)稱，下位機則是現(xiàn)場儀器儀表的統(tǒng)稱，包括儀表供應(yīng)商提供的具有計算處理能力的工業(yè)控制計算機。

    國內(nèi)數(shù)據(jù)采集傳輸儀按結(jié)構(gòu)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(fā)難度大。

    (2)基于X86系統(tǒng)CPU板工控機+RS485卡+I/O卡，成本較高，功耗大。硬盤為系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，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(tǒng)+GPRS模塊，軟件開發(fā)成本低，性能穩(wěn)定可靠，功耗低，為以后發(fā)展趨勢。

    目前國內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀大部分已經(jīng)采用嵌入式系統(tǒng)，它具有成本低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

    E6803型數(shù)據(jù)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(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)定制的專業(yè)數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備，擁有完整的軟、硬件自主知識產(chǎn)權(quán)，兼容國內(nèi)主流廠商的系統(tǒng)平臺，首批通過環(huán)保總局認(rèn)證，并在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。

    1.1 設(shè)計原則

    數(shù)據(jù)采集傳輸儀是現(xiàn)場一次儀表與中心監(jiān)控系統(tǒng)的橋接部件，可獨立運行。該儀器一般安裝在排污口現(xiàn)場，如污水處理廠進水、出水口，企業(yè)污水排污口，企業(yè)煙氣排污口，每個監(jiān)測現(xiàn)場使用一套數(shù)據(jù)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(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話、機頂盒、數(shù)碼相機、GPS、個人數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設(shè)備等方面有了廣泛的應(yīng)用。

    E6803數(shù)據(jù)采集儀采用ARM9 CPU芯片。它比ARM7系統(tǒng)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(nèi)存可以存儲1年的環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)，供用戶隨時查詢核對。

    1.3 硬件架構(gòu)

                  
                                                  圖1 硬件架構(gòu)

    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(wǎng)絡(luò)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(shè)計存儲容量為64MByte，可連續(xù)存儲滿負(fù)荷、采集間隔1分鐘12個月的歷史數(shù)據(jù)。

    (4)后備電源支持設(shè)備運轉(zhuǎn)12小時以上。

    (5)支持一點多傳，最多支持監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到4個監(jiān)測中心。

    (6)支持通過USB接口數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

    (7)采用5.7寸觸摸屏，執(zhí)行現(xiàn)場的各種操作，配置簡單便捷。

    (8)可根據(jù)用戶需要配置 GPRS 、CDMA DTU，通過無線傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。

    1.4 軟件架構(gòu)

                   
                                                  圖2 軟件架構(gòu)

    軟件配置：

    (1)內(nèi)置看門狗功能，防止程序以外發(fā)生的各類問題，保證系統(tǒng)正常運行。

    (2)內(nèi)置Web服務(wù)器功能，可開放給被監(jiān)測企業(yè)隨時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，歷史記錄。

    (3)支持Modbus RTU、Modbus ASCII TCP/IP協(xié)議、DNP3.0等通信協(xié)議，具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口。

    (4)支持?jǐn)?shù)據(jù)掉電保護功能，可長期保存設(shè)定參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)。

    (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(fā)接口，不同平臺適應(yīng)性更強。

    (7)內(nèi)置近百種國內(nèi)外在線儀表驅(qū)動程序，方便現(xiàn)場調(diào)測。

    1.5 產(chǎn)品特點

    (1)模塊式一體化設(shè)計

    以ARM9技術(shù)的32位CPU為核心的RTU是集成了采集模塊及傳輸終端設(shè)備為一體的設(shè)備，符合國家相關(guān)行業(yè)自動化監(jiān)測RTU終端設(shè)備技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。RTU設(shè)備具備工控產(chǎn)品的通用性特點，易于日后系統(tǒng)升級擴展。

    (2)卓越的環(huán)境適應(yīng)特性

    環(huán)保專用控制器、GPRS DTU設(shè)備均采用優(yōu)秀工業(yè)級產(chǎn)品，適合在惡劣環(huán)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(yīng)本項目中各遙測點所處的環(huán)境帶來的雨水、潮濕、嚴(yán)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(tǒng)的正常工作。

    (3)易于擴展和維護

    環(huán)保專用控制器采用標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)I/O模塊，金屬機箱設(shè)計，內(nèi)部設(shè)計簡潔規(guī)范；所有硬件設(shè)備采用模塊化設(shè)計，易于安裝和替換，并容易擴展；提供內(nèi)部測試功能，提供部分備用通道，易于維護和調(diào)試。

    (4)靈活的通信方式

    數(shù)據(jù)采集儀可以通過有線進行連接，采用城域網(wǎng)、ADSL、VPN等連接方式。無線網(wǎng)支持GPRS、CDMA通訊方式。

    (5)強大的軟件系統(tǒng)

    環(huán)保專用控制器支持標(biāo)準(zhǔn)C、梯形圖等編程語言，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲等功能；提供多達(dá)128K的數(shù)據(jù)存儲能力。其強大的編程和數(shù)據(jù)處理能力可以滿足任何復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測的需要。

    1.6 核心技術(shù)

    (1)內(nèi)置小型數(shù)據(jù)庫，保存污水，煙氣兩套配置，通過更改監(jiān)測屬性可以很容易更換，可以在遠(yuǎn)端更改后，通過網(wǎng)絡(luò)下載，污染物屬性符合國家環(huán)保HJT212-2005數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，HJT352-2007數(shù)據(jù)交換規(guī)范。可以就地USB備份數(shù)據(jù)。

    (2)內(nèi)置WEB服務(wù)器，支持遠(yuǎn)程IE網(wǎng)頁瀏覽，具有用戶管理功能，根據(jù)不同用戶需求制定不同權(quán)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(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài)，降低污染物的排放。通過IE可以遠(yuǎn)程控制數(shù)采儀指定等比例進行采樣。

    (3)支持采集數(shù)據(jù)發(fā)送多數(shù)據(jù)中心配置，可以把采集數(shù)據(jù)發(fā)送4個數(shù)據(jù)中心。

    (4)支持采集數(shù)據(jù)與監(jiān)控視頻的數(shù)據(jù)疊加。杜絕數(shù)據(jù)造假，真實反應(yīng)實時監(jiān)測情況

    (5)硬件遵循HJ477-2009污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）數(shù)據(jù)采集儀技術(shù)要求。

    2 典型應(yīng)用

    水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)包括采樣單元、分析單元、數(shù)據(jù)采集單元、視頻監(jiān)控單元、輔助單元和監(jiān)測站房單元組成，安控科技提供整個系統(tǒng)的建設(shè)、聯(lián)調(diào)和維護服務(wù)。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)集實時監(jiān)控功能、自動上報功能、自動報警功能、自動采樣功能、遠(yuǎn)程控制功能、數(shù)據(jù)庫同步功能、智能化數(shù)據(jù)處理功能、海量數(shù)據(jù)備份以及斷電保護功能等先進技術(shù)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(jiān)控中心對各污染源排放情況監(jiān)控管理的準(zhǔn)確性和及時性。

    針對工業(yè)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(zhì)進行連續(xù)分析，檢測水樣的化學(xué)需氧量（COD）值的環(huán)保檢測儀器。

    在每個遠(yuǎn)程監(jiān)測點現(xiàn)場安裝一套以ARM9技術(shù)的32位CPU為核心的數(shù)據(jù)采集傳輸儀，由它負(fù)責(zé)對現(xiàn)場監(jiān)測儀表采集的數(shù)據(jù)進行處理、保存、顯示。通過網(wǎng)絡(luò)接口、串行口把采集的數(shù)據(jù)按不同平臺的協(xié)議發(fā)送給各監(jiān)測信息中心，監(jiān)測中心還可以使用反控命令對數(shù)據(jù)采集儀進行協(xié)議要求的各類操作，如校正時間、更改數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、補發(fā)分鐘數(shù)據(jù)、小時數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)。也可以通過數(shù)據(jù)采集儀間接控制在線儀表的報警上下限，采樣間隔。

    3 結(jié)束語

    基于安控科技RTU技術(shù)開發(fā)的數(shù)據(jù)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(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的需求，是RTU產(chǎn)品在環(huán)保監(jiān)測領(lǐng)域的成功應(yīng)用案例。

    參考文獻：
[1] 莊貴林.城市自來水SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及監(jiān)控站點組成[J]. 國內(nèi)外機電一體化技術(shù), 2003: 4.
[2] 張劍峰, 張進等. 基于ARM7的RTU微控制器的設(shè)計[J]. 微計算機信息,2009: 2.
[3] （HJ 477-2009）污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）數(shù)據(jù)采集傳輸儀技術(shù)要求，[S].

    孫衛(wèi)國（1973-）
男，河北邯鄲人，畢業(yè)于華北電力大學(xué)計算機輔助設(shè)計專業(yè)，工學(xué)碩士。現(xiàn)任北京安控科技股份有限公司環(huán)保事業(yè)部技術(shù)主管。

    摘自《自動化博覽》2011年第二期