RTU产品在环境监测领域的应用

2011-02-07北京安控科技股份有限公司孙卫国董宝善

自动化博览 2011年2期

关键词：传输监控监测

（北京安控科技股份有限公司）孙卫国，董宝善

与传统的可编程控制器(PLC)相比，RTU（Remote Terminal Unit）具有优良的通讯能力和更大的数据存储量，特别适用于恶劣的温度和湿度环境，并且提供更多的复杂计算功能。

数据采集传输仪是RTU在环境监测领域的一个典型应用，可对现场数据进行采集、保存和传输，还可实现对设备遥控、遥信、遥测功能。

环境监测站点常处在环境恶劣的工业现场，所使用产品必须有特殊的防护等级，且需要充分考虑网络的安全。虽然使用工业计算机可能会使项目实施在某些方面简化，但性价比不高。

基于RTU技术的数据采集传输仪作为专业的工业产品，在安装上更加集成化，且对环境要求低；采用嵌入式操作系统，具有更高的网络安全性能，适合于长期运行免维护的监测系统使用。

1 数据采集传输仪

数据采集传输仪指用于采集、存储各种类型监测仪器仪表的数据，并能完成与上位机数据传输功能的数据终端单元，具备单独的数据处理功能。

数据采集传输仪是现场仪表与上位机系统的连接仪器。通过数字通道、模拟通道、开关量通道采集监测仪表的监测数据、状态等信息，由传输网络将数据、状态传输至上位机；上位机通过传输网络发送控制命令，数据采集传输仪根据命令控制监测仪表工作。在整个环境在线监测系统中，上位机是在线监测系统软件平台的统称，下位机则是现场仪器仪表的统称，包括仪表供应商提供的具有计算处理能力的工业控制计算机。

国内数据采集传输仪按结构分为以下几类：

• 单片机(78E51/52/54/58、97C51/52/54/58、8951RD+、80C320、87C520 )+GPRS模块，成本低，价格便宜，性能较弱，开发难度大。

• 基于X86系统CPU板工控机+RS485卡+I/O卡，成本较高，功耗大。硬盘为系统薄弱环节，功能较强。

• 可编程控制器成本价低，功能全，功耗适中，采集I/O部分容易受干扰，升级维护困难。

• 基于ARM 9 嵌入式系统+GPRS模块，软件开发成本低，性能稳定可靠，功耗低，为以后发展趋势。

目前国内数据采集仪大部分已经采用嵌入式系统，它具有成本低、稳定可靠等优点。

E6803型数据采集传输仪是北京安控科技股份有限公司（以下简称安控科技）为环境在线监测系统定制的专业数据采集和传输设备，拥有完整的软、硬件自主知识产权，兼容国内主流厂商的系统平台，首批通过环保总局认证，并在环境监测领域得到大规模应用。

1.1 设计原则

数据采集传输仪是现场一次仪表与中心监控系统的桥接部件，可独立运行。该仪器一般安装在排污口现场，如污水处理厂进水、出水口，企业污水排污口，企业烟气排污口，每个监测现场使用一套数据采集传输仪。

1.2 RTU CPU选型

ARM微处理器是一种高性能、低功耗的32位微处理器，它被广泛应用于嵌入式系统中。ARM9代表了ARM公司主流的处理器，已经在手持电话、机顶盒、数码相机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等方面有了广泛的应用。

E6803数据采集仪采用ARM9 CPU芯片。它比ARM7系统的处理速度更快，五条流水线使并行处理能力更强，中央处理器处理能力是ARM7的两倍，板载128M FLASH内存可以存储1年的环保监测数据，供用户随时查询核对。

1.3 硬件架构

图1 硬件架构

硬件配置：

• 输入、输出接口8路AI， 8路 DI ，4路 4DO，A/D分辨率16位。电流信号输入0～20mA，电压输入0～5VDC，DO触点容量250VAC/1A。

• 通讯接口支持Ethernet网络口1路，RS232、RS485。RS232配4路，RS485配2路。电源、信号输出输入端均采取光电隔离保护，并与主控电路隔离。

• 设计存储容量为64MByte，可连续存储满负荷、采集间隔1分钟12个月的历史数据。

• 后备电源支持设备运转12小时以上。

• 支持一点多传，最多支持监测数据发送到4个监测中心。

• 支持通过USB接口数据导出功能。

• 采用5.7寸触摸屏，执行现场的各种操作，配置简单便捷。

• 可根据用户需要配置 GPRS 、CDMA DTU，通过无线传输监测数据。

1.4 软件架构

图2 软件架构

软件配置

• 内置看门狗功能，防止程序以外发生的各类问题，保证系统正常运行。

• 内置Web服务器功能，可开放给被监测企业随时查看监测数据，历史记录。

• 支持Modbus RTU、Modbus ASCII TCP/IP协议、DNP3.0等通信协议，具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口。

• 支持数据掉电保护功能，可长期保存设定参数及历史数据。

• 支持掉电重启功能，真正做到无人值守，免维护。

• 支持上位机不同平台软件开发接口，不同平台适应性更强。

• 内置近百种国内外在线仪表驱动程序，方便现场调测。

1.5 产品特点

• 模块式一体化设计

以ARM9技术的32位CPU为核心的RTU是集成了采集模块及传输终端设备为一体的设备，符合国家相关行业自动化监测RTU终端设备技术规范标准。RTU设备具备工控产品的通用性特点，易于日后系统升级扩展。

• 卓越的环境适应特性

环保专用控制器、GPRS DTU设备均采用优秀工业级产品，适合在恶劣环境中工作，其高温和低温特性为-40℃～+70℃，且具有良好的抗干扰、抗潮湿、抗冲击能力。完全可以适应本项目中各遥测点所处的环境带来的雨水、潮湿、严寒、酷暑、机动车行驶和大型供电变压器干扰等不利因素，保证系统的正常工作。

• 易于扩展和维护

环保专用控制器采用标准化工业I/O模块，金属机箱设计，内部设计简洁规范；所有硬件设备采用模块化设计，易于安装和替换，并容易扩展；提供内部测试功能，提供部分备用通道，易于维护和调试。

• 灵活的通信方式

数据采集仪可以通过有线进行连接，采用城域网、ADSL、VPN等连接方式。

无线网支持GPRS、CDMA通讯方式。

• 强大的软件系统

环保专用控制器支持标准C、梯形图等编程语言，可以实现数据采集、数据处理、数据存储等功能；提供多达128K的数据存储能力。其强大的编程和数据处理能力可以满足任何复杂环境监测的需要。

1.6 核心技术

• 内置小型数据库，保存污水，烟气两套配置，通过更改监测属性可以很容易更换，可以在远端更改后，通过网络下载，污染物属性符合国家环保HJT212-2005数据传输标准，HJT352-2007数据交换规范。可以就地USB备份数据。

• 内置WEB服务器，支持远程IE网页浏览，具有用户管理功能，根据不同用户需求制定不同权限，可以把此功能开放给最终用户，可以实时观察污染物排量状况，及时调整设备的运行状态，降低污染物的排放。通过IE可以远程控制数采仪指定等比例进行采样。

• 支持采集数据发送多数据中心配置，可以把采集数据发送4个数据中心。

• 支持采集数据与监控视频的数据叠加。杜绝数据造假，真实反应实时监测情况

• 硬件遵循HJ477-2009污染源在线自动监控（监测）数据

采集仪技术要求。

2 典型应用

水质在线监测系统包括采样单元、分析单元、数据采集单元、视频监控单元、辅助单元和监测站房单元组成，安控科技提供整个系统的建设、联调和维护服务。水质在线监测系统集实时监控功能、自动上报功能、自动报警功能、自动采样功能、远程控制功能、数据库同步功能、智能化数据处理功能、海量数据备份以及断电保护功能等先进技术于一身，并使用了多层安全机制和简便的人机交互界面，在保证功能完善的同时具备了很强的安全性、可靠性和易操作性，保障监控中心对各污染源排放情况监控管理的准确性和及时性。

针对工业和生活等各类废水排放单位，在被测水体或废水排放口附近对水质进行连续分析，检测水样的化学需氧量（COD）值的环保检测仪器。

在每个远程监测点现场安装一套以ARM9技术的32位CPU为核心的数据采集传输仪，由它负责对现场监测仪表采集的数据进行处理、保存、显示。通过网络接口、串行口把采集的数据按不同平台的协议发送给各监测信息中心，监测中心还可以使用反控命令对数据采集仪进行协议要求的各类操作，如校正时间、更改数据发送间隔、补发分钟数据、小时数据、日数据。也可以通过数据采集仪间接控制在线仪表的报警上下限，采样间隔。