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1 引 言 RTU（Remote Terminal Unit）即遠程測控終端，是監測、監控及數據采集（SCADA）系統的終端測控單元。SCADA系統以計算機為基礎，能實現遠程數據采集、設備控制、測量、參數調節以及信號報警等功能，可以廣泛應用于電力、水利、石油、化工、市政等行業中，用于地理環境惡劣無人值守的環境下進行遠程監控。整個SCADA系統由監控中心、若干分散分布在各個監控點上的遠程測控終端（RTU）和通信介質三部分組成。RTU作為系統的獨立工作站點，完成現場數據的采集與處理、現場執行機構的控制以及與監控中心的遠程通信，具有易擴展性和易維護性的特點，而且自成體系，當遠程通信中斷時能獨立運行，不影響對現場的監控功能。 2 RTU的主要配置 RTU主要有兩種工作方式，自動方式和手動方式。自動方式時，RTU的所有工作參數都由監控中心定時或隨時設置，現場只能查詢不能修改；手動方式時，RTU的所有工作參數都可以現場查詢和修改。一般來說，手動方式只是在現場調試、檢修和系統通信長時間中斷的情況下采用。無論是工作在自動方式還是手動方式，工作參數一經設置，RTU就會自動按照規定的流程和模式進行數據采集和處理、現場控制以及通信響應。 RTU的主要配置有CPU板4鍵盤顯示板、I/O板、串行通信接口單元3以及通信設備、電源、機箱等。CPU板一般采用單片機、DSP等作為控制核心，CPU板所固化的程序決定了RTU的全部工作流程，包括現場的數據采集及處理方法、控制模式及功能、故障處理方式、遠程通信協議及其實現等，更新程序就可以使RTU滿足多種現場流程的要求。鍵盤顯示板用于實現RTU的人機對話功能，支持對RTU的現場操作控制，以保證RTU在系統通信中斷時能夠繼續監控工作。為防止誤操作，鍵盤須加鎖或密碼管理，限定操作員級別。為適應不同的現場環境狀況，顯示器件可以選擇采用LED數碼管或LCD液晶顯示器模塊等實現，I/O板上的I/O通道是RTU與現場信號的接口，在符合工業標準的基礎上，還應該具有多種結構形式，以適應不同的現場信號類型，如開關量I/O通道、脈沖量I/O通道、模擬量I/O通道、數字量I/O通道等。RTU串行通信接口單元一般至少要有兩個通信端口，以支持RTU與監控中心、RTU與下級設備或RTU之間的通信。RTU的通信介質根據現場環境及對象的要求，可以選擇為有線或無線。有線方式如電力線載波、RS-485總線、公共電話線網等，無線方式如VHF/UHF無線電臺、移動電話網等。RTU支持的通信方式有監控中心觸發的通信和RTU觸發的通信，監控中心觸發的通信包括：（1）站點查詢。監控中心周期性的、以一定的時間間隔、在一定的時限內，對所有的RTU依次下達查詢命令，收集各站點的現場數據和信息。（2）站點控制。由監控中心定時或隨機地向所有RTU（群控）或某個RTU（單控）下傳工作參數或控制命令，如RTU工作參數設置、現場設備的開/關控制等。（3）校對時間。監控中心定期對所有RTU校對系統時間%以保證系統動作的一致性。監控中心觸發的通信具有較高的優先響應權。RTU觸發的通信包括：（1）響應監控中心的命令。根據監控中心的命令格式上傳現場參數和信息，或接收監控中心下傳的工作參數和命令m并執行相應的控制操作。（2）故障報警。當現場工作出現異常或故障時，由RTU主動呼叫監控中心，上傳現場狀態信息和故障信息。對于監控中心來說，對RTU的故障報警應優先響應。（3）響應下級設備或RTU的呼叫，接收它們的上傳信息，并進行處理。（4）對下級設備或RTU下傳參數或命令。在SCADA系統中，RTU站點比較分散、站點多，與監控中心的距離較遠，通信的可靠性對于整個系統的正常運行至關重要另外，RTU還應具備一定的現場故障定位及其安全保護功能。 RTU的CPU板與其它功能板之間的連接可以采用總線板槽或扁平線接插件等方式，這樣的連接方式易于各模板的維修-更換和擴展。下面結合RTU在城市路燈自動監控系統中的應用，介紹它的硬件和軟件實現。 3 RTU的硬件電路設計 3.1 RTU在城市路燈自動監控系統中的應用 城市路燈自動監控系統是微型計算機和單片機組成的主從式微機網絡。系統中，以單片機為核心的測控終端（RTU）分布在各個街區的分控站點，直接對路燈進行開、關控制，控制方法靈活多樣，有整夜燈、半夜燈、回開燈和自設燈等，既可以根據日出日落時間曲線自動控制路燈開/關，根據光照度和城市的特殊需要等隨時設置和修改任一支路的開/關燈時間，還可以實現強制開/關燈控制，即不考慮各支路的開/關燈時間設置，由監控中心直接下達命令強制打開或關閉全部站點或某一站點的全部或某一支路。同時，RTU還自動定時檢測各路燈支路的工作電壓、電流，并通過無線數傳模塊上報監控中心，計算亮燈率，隨時掌握路燈的工作狀況，若路燈支路出現異常或故障，如電壓越限、電流越限、異常開燈、支路開關跳閘等，RTU不僅能及時檢測并向監控中心報警，還可以根據故障類型自動采取相應的保護措施，保證路燈支路安全、可靠地工作，監控中心以工控計算機為系統主機，能夠根據城市所在的經緯度自動生成每日的開/關燈時間曲線，定時（自動）或隨機（手動）對各路點的路燈控制方式、燈控時間等工作參數進行設置，提取各支路的電壓/電流值、故障、燈態等信息，并進行存儲、匯總、計算、報警和打印等處理，城市路燈自動監控系統的整體結構框圖如圖1所示。 圖1 城市路燈自動監控系統整體結構框圖 3.2 RTU硬件電路設計 如圖2所示，RTU主要由80C196KB單片機、程序存儲器（EPROM）、非易失數據存儲器（NVRAM）、日歷時鐘、鍵盤顯示電路、看門狗及復位電路、RS-232C標準串行接口、繼電器控制電路、電壓/電流信號采集電路、無線數傳模塊、天線等組成，能同時對8條路燈支路進行控制，另外，RTU還具有4路開關量和2路脈沖量輸入通道，以備系統擴展。 圖2 RTU組成原理框圖 RTU采用單片機為控制核心，配以32K程序存儲器。80C196KB是16位單片機，內帶8通道10位A/D轉換器（具有采樣/保持電路），A/D轉換器的模擬輸入端與8位并行數字輸入口P0共享引腳。在RTU的硬件電路中，選擇AD0通道作為模擬輸入，其余的7條口線作為數字輸入口線，用于擴展開關量輸入通道。 日歷時鐘采用DS12C887提供精確的時鐘信號，包括年、月、日，能產生秒或分定時中斷，以判斷是否到開燈或關燈時間，從而保證準確地按照開/關燈時間曲線對路燈進行開/關控制。為了使整個路燈系統同步動作，監控中心定時對所有站點的RTU進行GPS校時。 非易失的數據存儲器用來存放RTU的所有工作參數、實時測量數據、實時狀態和故障信息，以保障系統在掉電或通信中斷的情況下信息不丟失，并在電源恢復正常后能繼續正常工作。 鍵盤顯示電路包括一個4×4鍵盤和一個4行16字符的圖形液晶顯示器。以兩級菜單、全漢化的方式實現RTU工作參數、測量數據、狀態信息等的在線修改與查詢。 電壓/電流信號采集電路由3路電壓互感器、8路電流互感器和信號調理電路等組成，實現3相交流電壓、8條支路電流的實時采集。互感器輸出信號經過信號調理后，轉換為0～5V的電壓信號，經多路開關切換后，依次送單片機的AD0通道轉換為數字量。 繼電器控制電路主要由8路繼電器及其驅動電路構成。經8位并行端口與單片機連接，接收控制信號，通過交流接觸器控制路燈的開、關動作。 RTU與監控中心的遠程通信采用了VHF/UHF無線數傳電臺通信的方式。無線數傳模塊通過RS-232C標準串行接口與單片機相連，配以定向天線，發射功率和天線高度根據實際系統覆蓋范圍要求及其環境條件選擇。 4 RTU軟件設計 80C196KB單片機內部的A/D轉換器在采用8MHz晶體時，轉換周期約22μs，對A/D轉換器的啟動控制和轉換結果的讀取，都是通過寄存器操作完成，轉換結束判斷選擇采用查詢方式。RTU對所有支路采集一次電壓/電流的時間周期可以用軟件設置，默認為3min。 RTU現場采集的是交流信號，路燈支路的工作電壓和電流，只有有效值測量才具有實際意義。因此，采用了交流采樣的方法"即在交流信號的一周期內，等間隔采樣N個瞬時值，用軟件計算電壓/電流的有效值。電壓/電流的有效值計算公式如下： 系統中，RTU分布在全市的各分控點上，環境條件比較復雜，存在著各種各樣的干擾，為了提高數據采集的可靠性和精確度，在軟件設計上采用了數字濾波的方法，連續采集5個周期的數據，計算出5個有效值，然后進行平滑濾波處理，即去掉最大值和最小值，對其余數據取算術平均值，作為實時有效值。 RTU的無線數傳模塊傳送速率為1200bps，工作在半雙工方式，除了響應監控中心的命令上傳數據或故障報警時處于發送狀態外，其它時間都處于接收狀態，準備接收監控中心的命令。實驗發現，數傳模塊由發送到接收狀態的可靠轉換需要一定的時間，所以，編程時在最后字節數據發送完畢后應先執行一段延時程序，然后再切換到接收狀態，否則最后字節數據無法正常傳輸，延時時間可以通過實驗確定。 為了提高數據傳輸的可靠性和準確性，一方面在數據傳送前，監控中心和通信站點RTU之間先進行呼叫聯絡，聯絡成功則傳送后續命令或參數。否則，若5s內無正確回應，重新呼叫，若連續3次聯絡失敗，就認為通信暫時失敗，記錄信息。另一方面，由于數據傳送命令類型多、數據長度不定，在傳送過程中，信息采用如下幀格式。 標識碼，表示信息幀的開始。 RTU地址及其反碼，用于RTU地址校驗及目標站點識別。 數據長度及其反碼，用于數據長度校驗，后續命令和參數按照長度字節來接收。 校驗碼，是對應于命令碼和參數字節的校驗，系統中采用了累加和的校驗方法。為了避免累加和字節與標識碼字節沖突，發送和接收時規定，當累加和字節等于標識碼時，累加和取其反碼，否則累加和字節正常傳送。 在數據尾加入的10字節數據“00H”無實際意義。它的作用在于避免通信過程中由于數據丟失致使RTU處于“長收”狀態。 RTU在接收數據過程中，三部分經校驗均無誤后，向監控中心回送接收正確聯絡碼，否則，認為此次數據無效，回送接收錯誤聯絡碼，要求監控中心重發，三次傳送均失敗后，認為該站點通信失敗，監控中心暫停與該站點的通信。 9 結束語 本文設計的遠程測控終端（RTU），采用80C196系列單片機作為控制核心，充分利用了單片機的資源，運行速度快A集成度高，集現場數據采集與處理、現場控制與工作狀態監測、遠程通信于一體，可靠性強，適合于現場運行。該RTU還可以應用于電力、石油、水利等領域的數據采集與控制，應用前景廣闊。 |
