使用物联网建立新型数据采集与监控系统

时间:2011-07-15

  1 引言

  物联网(TheInternetofthings),即通过射频识别(RFID)、传感器、定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络,通俗的说就是可实现“感知世界”的网络。

  数据采集与监控系统即SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系统,是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能,也就是实现在具体应用领域的“感知”。

  物联网技术对自动化工程师而言并不是一个陌生的概念。因为,无论工厂的现场设备,还是电网、自来水管网、燃气管道、铁路、桥梁、隧道、水文水利系统,甚至我们的飞船、卫星运行监测,无不是通过将物物相联的这个“物联”网络来实现的,只不过我们传统上将这些领域的“物联”应用称之为SCADA系统。当然从定义上来看,物联网是一个更广泛意义上的“感知”网络,通过物联网我们可将“感知”扩展到每台设备、每件商品,甚至每个人,实现对静态物的监控与管理、对动态物的定位与跟踪、对商品的识别,以真正达到“感知中国”、“智慧地球”的目标。因此,从严格意义上说物联网既是SCADA这一传统“感知”技术在概念与应用的延伸,又是对SCADA技术发展的一个质的提升。

  随着网络与通信技术的发展,物联网技术必将促进SCADA系统体系结构的变革与升级,使SCADA系统的应用领域越来越广,除了在传统的供水、供气、环保、能源、轨道交通、机场、铁路、电力、石油、石化等行业外,在大众的日常工作生活及其它各种领域中也将得到广泛应用,终使SCADA这一物联网的垂直具体应用系统真正发展成为“感知世界”的智慧网。

  2 物联网的三种应用架构

  物联网把新一代IT技术充分运用于各行各业中,使物理世界与信息世界相联结。物联网应用有三种架构:

  (1)基于RFID的物联网应用架构电子标签可能是三类技术体系中能够灵活地把“物”改变成为智能物件的,其主要应用是把移动和非移动资产贴上标签,实现各种跟踪和管理。

  (2)基于传感网络的物联网应用架构主要是指无线传感网络(WSN,WirelessSensorNetworks),WSN由分布在自由空间里的一组“自治的”无线传感器组成,共同协作完成对特定周边环境状况,包括温度、湿度、化学成分、压力、声音、位移、振动、污染颗粒等的监控。WSN中的一个节点(或叫Mote)一般由一个无线收发器、一个微控制器和一个电源组成。WSN一般是自治重构(Ad-Hoc或Self-Configuring)网络,包括无线网状网(MeshNetworks)和移动自重构网(MANET)等。

  (3)基于M2M的物联网应用架构业界认同的M2M理念和技术架构覆盖的范围应该是广泛的,包含有线和无线两种通信方式。

  M2M覆盖和拓展了工业信息化(两化融合)中传统的SCADA系统。

  3 新型SCADA系统设计

  3.1 传统SCADA系统

  一般SCADA系统由监控中心、通讯网络和远程数据采集终端组成。监控中心即数据处理和显示系统,也称上位机HMI(HumanMachineInterface)——人机界面系统由软件和硬件组成,其中硬件主要包括服务器、管理员站和操作员站,软件采用专用的SCADA系统软件。SCADA系统通讯网络大体可以分为两类:

  有线和无线。远程数据采集终端,即各种智能数据采集设备,也就是通常所说的下位机,如各种RTU、PLC及各种智能控制设备等。SCADA系统的网络拓扑结构如图1所示:

  SCADA系统已经从初的主机控制系统、分布式控制系统,发展到了今天的网络化的控制系统。SCADA也从专有协议的封闭系统演变为以以太网和TCP/IP协议为主流的开放系统。

  3.2 新型SCADA系统设计

  根据物联网的三种应用架构,结合SCADA系统的体系结构,在物联网发展的今天,SCADA系统的结构、通信网络、现场数据采集终端都会发生新的变化。

  (1)监控中心

  监控中心由硬件设备和应用软件组成。

  硬件设备:在满足网络功能要求的前提下,采用云计算概念,主要功能在服务器上完成,用云终端代替操作员站与管理员站的计算机,简化操作员站与管理员站的硬件设备,提高系统的安全性、可靠性,便于系统功能与规模的扩充。

  应用系统软件:在满足一般使用要求的前提下,需要强大的网络功能,由传统点到点的SCADA系统发展为端到端的互联网协议架构系统。在物联网发展的今天,应设计以下功能:

  ◆支持PDA、智能手机作为操作终端

  SCADA系统软件直接支持智能手机作为操作终端。

  这使得SCADA的使用范围从监控室扩大到任何手机网络可以到达的区域。

  ◆远程组态和维护技术

  SCADA系统的组态采用B/S结构,B/S结构即浏览器/服务器结构的软件,可提供很强的远程维护支持,大大降低项目实施和维护的成本。

  ◆多种的权限管理

  传统SCADA系统的操作员是限定在很少的几个人,而现在SCADA系统是面向全企业不同层面、不同部门的人员提供服务的网站发展,这就要求SCADA软件具有多种权限支持。

  ◆视频与工业数据一体化

  将现场视频与SCADA调度系统集成在一起,突出了调度决策的现场感知效果。

  (2)通讯网络

  兼容多种通信模式,如将无线专网、GPRS/CDMA/3G、光纤网及卫星网等,通过物联网通信技术,实现各种应用网络的互联互通,真正组成一个可连接各种感知终端的有机通信网络平台。

  (3)远程数据采集终端

  根据需要选用WSN/Wi-Fi等无线组网方式,增加现场组网的灵活性。

  应具有很强的通讯能力,自带以太网接口,在监控现场根据不同的采集对象选择不同的组网方式:对于数据采集,利用WSN无线传感器网络采集比较分散的传感器;对于视频采集,利用Wi-Fi无线组网。无论采用哪种无线组网方式均能减少布线、施工的工作量。

  WSN无线传感器网络具有以下优点:

  ◆成本低

  WSN节点采用嵌入式处理器和存储器,就单个节点而言,硬件成本是较低的。WSN采用开放的简化ZigBee协议栈,工作在2.4GHz免执照的ISM频段。

  ◆对等网络多冗余、高可靠性

  WSN没有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响到整个网络的运行,具有很强的抗毁性。

  ◆组网能力强

  支持树状、星状、网状等多种组网方式,网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

  ◆多跳(Multi-hop)路由

  WSN节点通信能力有限,覆盖范围只有几十米到几百米,节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信,则需要通过中间节点进行路由。WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。

  利用WSN组网的现场数据采集终端拓扑图如图2所示:

  4 系统功能

  根据物联网技术的应用发展,SCADA系统的主要功能为:

  (1)数据采集:采集远程端站的数据。

  (2)报表功能:具有年、月、周、日报表及打印。

  (3)GIS功能:地图功能。

  (4)具有多种通信方式:有线/无线,专网/公网等。

  (5)数据处理:根据需要做数据分析、统计等。

  (6)报警处理:报警信息的处理。

  (7)信息预测分析:一些消耗量的预测分析。

  (8)设备管理:端站设备的安装时间、位置、故障日期等信息。

  (9)设备控制、监测。

  (10)事件日志。

  (11)图表分析。

  (12)参数查看:查看实时数据和历史数据,用户可以查看所有端站每时每分采集的各项数据,并具有查询此企业某时间点或时间段内的数据。

  (13)组态功能:任意增加、删除某一终端的信息;任意增加、删除AI、DI、PI等参数的信息。

  (14)查询功能:以数据库为,提供数据处理、查询、备份等功能。

  5 结语

  设备互联的物联网,将是自动化企业的又一巨大潜在市场。本文紧紧围绕物联网技术应用架构,设计了新型的SCADA系统,突出了由传统点到点的SCADA系统发展为端到端的互联网协议架构系统的特点。现场数据采集终端采用无线传感器组网模式,体现了物联网的优势。随着物联网应用的推进,该系统在企业管理中将会发挥越来越重要的作用。

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