工業(yè)級遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在小型實(shí)驗(yàn)裝置中的應(yīng)用

戴金玲, 廖昌建, 李經(jīng)偉

（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

隨著通訊手段和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨完善，信息以空前的速度和超乎想象的易用性傳播到世界的每個(gè)角落。如何借信息時(shí)代的優(yōu)勢，將現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地顯示在每個(gè)有需要的終端上，這將具有廣闊的應(yīng)用前景。

在各企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)裝置現(xiàn)場，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的小型裝置類型各異，各裝置可能需要間斷或連續(xù)操作，充分利用工業(yè)級遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對小型實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行監(jiān)控，可實(shí)時(shí)獲取所需實(shí)驗(yàn)裝置的工藝參數(shù)等。因此，本文主要對工業(yè)級遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)裝置上的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)概述

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使得操作人員可以在任何地點(diǎn)監(jiān)視和操作實(shí)驗(yàn)裝置，并達(dá)到與現(xiàn)場操作相同或相近的效果。該系統(tǒng)監(jiān)控操作地點(diǎn)可以是操作室、中控室、實(shí)驗(yàn)室，直至通訊所能達(dá)到的任何地點(diǎn)。

目前，小型實(shí)驗(yàn)裝置在工業(yè)裝置現(xiàn)場間斷或連續(xù)運(yùn)行的過程中，裝置不采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，若操作人員之間溝通不及時(shí)，可能引起裝置被誤操作、信息采集滯后甚至失誤等問題。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以很好的解決傳統(tǒng)信息采集方式的局限性。

（1）采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集裝置信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)更新速度可人為設(shè)定信息采集頻率。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人值守，而且可以設(shè)為熱冗余備份，實(shí)現(xiàn)7×24 h 時(shí)不間斷運(yùn)行[1]。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集過程中，采集數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤幾率可以忽略，從而避免了人工采集數(shù)據(jù)的失誤。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式

2.1 有線數(shù)據(jù)傳輸方式

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式分有線和無線傳輸兩種方式。有線數(shù)據(jù)傳輸方式按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂娇煞譃槿齻€(gè)階段。

采用電纜或光纜等傳輸介質(zhì)將裝置控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸至廠內(nèi)中控系統(tǒng)的過程稱為有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝浑A段。其目前的絕大多數(shù)工廠均采用這種方式通訊。如果是新增的小型實(shí)驗(yàn)裝置，則需在實(shí)驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)中配備與中控系統(tǒng)相匹配的通訊模塊，并在中控系統(tǒng)中組態(tài)以識別新增裝置并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫工作。

信息數(shù)據(jù)由廠內(nèi)中控系統(tǒng)傳輸至實(shí)驗(yàn)單位的過程稱為有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡诙A段。目前無論何種規(guī)模的實(shí)驗(yàn)單位，基本具備連接互聯(lián)網(wǎng)的能力，只要通訊雙方均遵守相同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并在可控的前提下對對方開放一定權(quán)限，就可以在雙方允許的情況下互訪互通。此種通訊實(shí)施比較難，需要兩邊均為對方開放端口，速度受限，網(wǎng)絡(luò)的安全性也得不到保證。而且，多數(shù)實(shí)驗(yàn)單位擁有自己的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)雙方均處于自己內(nèi)網(wǎng)時(shí)，通訊變得十分困難，即使開通VPN（虛擬專用網(wǎng)）連接，通訊的效果也只能是差強(qiáng)人意。也可利用現(xiàn)有電話線進(jìn)行傳輸，優(yōu)點(diǎn)是可以繞過局域網(wǎng)，缺點(diǎn)是增加電話費(fèi)用、信號不穩(wěn)、數(shù)據(jù)量受限、有可能觸犯保密條例等等。

信息數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)單位傳輸至辦公電腦或筆記本的過程稱為有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谌A段。利用實(shí)驗(yàn)單位已有的互聯(lián)網(wǎng)或內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊即可。同樣，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外需要互相連接時(shí)，亦可利用VPN 連接。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸方式

無線數(shù)據(jù)傳輸方式的過程見圖1。

圖1 無線數(shù)據(jù)通訊示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of wireless data

現(xiàn)場儀表的信息數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集站輸送至裝置控制系統(tǒng)的過程稱為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝浑A段。在此過程中，由于數(shù)據(jù)采集站通常可放置于裝置現(xiàn)場，其位置距離現(xiàn)場儀表相對較近，所以現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等于數(shù)據(jù)采集站之間可通過傳統(tǒng)的有線方式通信。

同理，控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集站的距離相對較遠(yuǎn)，而且由于現(xiàn)場的復(fù)雜性，布置通訊電纜往往有很多不便。此時(shí)可選用無線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要在數(shù)據(jù)采集站——控制系統(tǒng)兩端分別增加無線收發(fā)設(shè)備，例如無線調(diào)制解調(diào)器、無線網(wǎng)卡、路由器等軟硬件設(shè)施，將數(shù)據(jù)信號集中傳輸至裝置控制系統(tǒng)。

信息數(shù)據(jù)由裝置控制系統(tǒng)傳輸至工作電腦或筆記本的過程稱為第二階段。在此過程中，需要在控制系統(tǒng)——工作電腦兩端分別增加無線收發(fā)設(shè)備，利用通訊提供商聯(lián)通、移動(dòng)、電信等現(xiàn)有的GPRS 信號網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[2]。相當(dāng)于通過WAP、UNICOM 等移動(dòng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)來訪問裝置控制系統(tǒng)的上位機(jī)[3]。

如果實(shí)驗(yàn)單位擁有自己的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，工作電腦要想訪問裝置上位機(jī)，必須采用VPN 方式，而且對雙方電腦均需進(jìn)行訪問設(shè)置。如果普通筆記本想通過互聯(lián)網(wǎng)訪問裝置上位機(jī)，只需要進(jìn)行軟硬件安裝和設(shè)置即可。

2.3 有線與無線數(shù)據(jù)傳輸方式比較

有線數(shù)據(jù)傳輸方式技術(shù)比較成熟、應(yīng)用較廣泛，無線數(shù)據(jù)傳輸方式技術(shù)含量高。有線數(shù)據(jù)傳輸方式除硬件費(fèi)用和軟件組態(tài)費(fèi)用外，幾乎無需其他運(yùn)行費(fèi)用支出，其中的硬件、軟件也可利用現(xiàn)有資源，在使用的過程中，無線數(shù)據(jù)傳輸方式需要交納GPRS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M(fèi)用[4]。兩種數(shù)據(jù)傳輸方式的技術(shù)特點(diǎn)詳見表1。

表1 有線及無線數(shù)據(jù)通訊的特點(diǎn)對比Table 1 Comparison of wire and wireless data

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)裝置中的應(yīng)用

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有一個(gè)特點(diǎn)，那就是，針對不同的使用目的所配置的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，它們所需的硬件大體相同，但根據(jù)所選擇的軟件和使用人的需要的不同，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有不同的作用，這種差別直接影響到系統(tǒng)的投資、產(chǎn)生的效果和對工業(yè)裝置所產(chǎn)生的影響。例如，一套無需遠(yuǎn)程控制遠(yuǎn)程系統(tǒng)，僅需具備監(jiān)視功能的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)；一套能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制等全部功能的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，則都需要配置包括無線數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)設(shè)備、用于監(jiān)視和系統(tǒng)操作的上位機(jī)、輸入輸出設(shè)備等硬件設(shè)施，但它們所需的軟件有著較大的差異。前者不需要將控制信號輸出至現(xiàn)場儀表，因此在軟件選擇時(shí)可以省略掉與之相關(guān)的模擬量/數(shù)字量/脈沖量輸出功能；后者因?yàn)楣δ茌^為齊全，所選擇的軟件功能也必然強(qiáng)大，隨之而來的必然是實(shí)施過程中更繁瑣的軟件編程和更復(fù)雜的實(shí)際操作。同樣，一套只需作為“旁觀者”而存在的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)的僅僅是單向接收實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的功能，對實(shí)驗(yàn)裝置所處的工業(yè)生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行所產(chǎn)生的影響可謂微乎其微。相反，可以直接對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行操作的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，如果編程和調(diào)試過程稍有疏漏，或在應(yīng)用中產(chǎn)生一些誤操作，有可能對工業(yè)裝置的正常運(yùn)行造成隱患。

為了充分利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并盡量避免實(shí)驗(yàn)裝置對工業(yè)生產(chǎn)裝置產(chǎn)生影響，兼顧監(jiān)控系統(tǒng)使用中的穩(wěn)定性和易用性，工業(yè)級遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在小型實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行應(yīng)用可以通過以下方法來實(shí)現(xiàn)。

（1）工業(yè)級遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在小型實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)的監(jiān)控過程中，設(shè)定遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)將部分或所有工藝數(shù)據(jù)間斷的上傳至指定的電腦中。在電腦中通過建立實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)圖表的形式展示給操作員。這種方法基于數(shù)據(jù)的單向傳輸實(shí)現(xiàn)，無需操作員進(jìn)行額外操作，也不需要對現(xiàn)場裝置進(jìn)行操作，這樣可以避免對工業(yè)裝置產(chǎn)生影響。

（2）遠(yuǎn)程操作人員可以采用遠(yuǎn)程桌面的方式訪問現(xiàn)場裝置上位機(jī)，在個(gè)人電腦中可直接調(diào)用上位機(jī)中的數(shù)據(jù)信息，甚至可以對裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作。在此過程中，現(xiàn)場裝置的上位機(jī)將自動(dòng)鎖定，此時(shí)上位機(jī)不允許被現(xiàn)場操作。該方法利用了現(xiàn)有電腦操作系統(tǒng)內(nèi)置的遠(yuǎn)程桌面訪問程序，電腦無需額外添置其他程序，該過程有利于維持電腦操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）在裝置監(jiān)控的電腦中裝入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)自帶的監(jiān)控軟件后，可對裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件與電腦操作系統(tǒng)自帶的遠(yuǎn)程桌面軟件相比，能夠更加貼近操作人員的操作習(xí)慣，并可實(shí)現(xiàn)諸如一機(jī)多用戶、數(shù)據(jù)壓縮傳輸?shù)雀鄬?shí)用功能，但需要注意遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件與電腦操作系統(tǒng)之間的兼容性[5]。

4 工業(yè)級無線數(shù)據(jù)通訊的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前市場上存在很多生產(chǎn)、銷售和配置工業(yè)級無線數(shù)據(jù)通訊的公司，這些公司多以成套供貨的方式為用戶提供從售前咨詢、系統(tǒng)配置到售后技術(shù)支持的服務(wù)。以下是某公司無線數(shù)據(jù)通訊的部分工業(yè)應(yīng)用解決方案。

4.1 石油/天然氣行業(yè)

（1）Shell 石油公司

為了使 RTU 信號能夠在遠(yuǎn)距離的移動(dòng)平臺上進(jìn)行通訊，Shell 石油公司大量使用了某公司的LLM1000 Bell 202T 調(diào)制解調(diào)器和MDL500 移頻鍵控（FSK）調(diào)制解調(diào)器。Shell 石油公司還使用了DDAA1000 模擬信號多路復(fù)用器，用于經(jīng)現(xiàn)有的電話線傳輸4～20 mA 信號。

（2） Conoco

該系統(tǒng)使用 FDM7000 光纖調(diào)制解調(diào)器和DDAA1000 模擬信號多路復(fù)用器在高電磁干擾環(huán)境中傳輸4～20 mA 信號，傳輸距離超過588 m。

60只雄性BALB/C小鼠購自中科院生物研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，小鼠體重為30±2 g，采用隨機(jī)數(shù)字表法將所有小鼠隨機(jī)分為3組，采分別為治療組、損傷組和對照組，每組均為20只小鼠，

4.2 水處理行業(yè)

水及污水處理系統(tǒng)要求全天候24 h 工作，常見應(yīng)用有：水池各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)控、泵控制等。

（1）Camrosa 給水管理區(qū)

該區(qū)以前使用模擬電話線路進(jìn)行水池、泵站、排污站及計(jì)量站的數(shù)據(jù)傳輸。通過用基于PLC 的人機(jī)界面和某公司 SRM6100 無線調(diào)制解調(diào)器替換舊系統(tǒng)，Camrosa 每年節(jié)省$24 000 電話費(fèi)支出，并減少了系統(tǒng)因故障而停機(jī)的時(shí)間。盡管該區(qū)周圍存在大量電磁干擾，SRM6100 無線調(diào)制解調(diào)器仍舊能夠正常工作。

（2）伊尼德地區(qū)OK 供水廠

5 總 結(jié)

在日趨大型、復(fù)雜、連續(xù)、集成的工業(yè)生產(chǎn)裝置中，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是保證裝置安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的主要手段。工業(yè)級無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以作為小型實(shí)驗(yàn)裝置的一種輔助手段，在實(shí)驗(yàn)單位本地或其他任何一個(gè)地點(diǎn)可以對實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，從而使得科研人員更加高效地監(jiān)控實(shí)驗(yàn)裝置，并能實(shí)時(shí)掌握準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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