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远程测控终端 (RTU) 述评
lyc19730508 发表于 2014/5/13 21:39:39 949 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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概述
在生产过程自动化装置中，PLC、DCS是两类应用最广泛的控制系统，上世纪80年代之前，这些控制系统的I/O卡件均集中在远离现场的控制室内，与现场装置（其中包括AI/AO模拟量输入输出装置和DI/DO 开关量输入输出装置等）的连接线都是一对一直接接线，我们现在还可以在很多现场看到进出控制室的大量电缆和敷设电缆的大尺寸桥架。在80年代后期，PLC、DCS两类控制系统先后推出远离控制室安装的远程I/O卡件，它安装在现场，可就近与现场装置连线，而这些远程I/O 卡件与PLC、DCS系统安装在控制室的控制器是通过单根电缆的通讯实现信息交换。而在这之前，即在80年代初期，一些相对生产规模小一些的厂家利用它们在数据采集转换及通讯方面的优势，就已经推出远程测控终端RTU,并采用RTU 构成计算机SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，有时我们又将它称为四遥（遥测、遥信、遥控、遥调）系统，像我们知道的英国施伦伯杰（Schelumberger）公司上世纪80年代初期开发的IMP远程测控终端及由它构成的SCADA系统就是RTU早期成功应用的一个例子。
那么什么是RTU呢？RTU是Remote Terminal Unit（远程测控终端）的缩写，是SCADA系统的基本组成单元。一个RTU可以有几个，几十个或几百个I/O点，可以放置在测量点附近的现场。RTU应该至少具备以下2种功能：数据采集及处理、数据传输（网络通信），当然，许多RTU还具备PID控制功能或逻辑控制功能、流量累计功能等等。
远程测控终端RTU作为体现“测控分散、管理集中”思路的产品从上世纪80年代起介绍到中国并迅速得到广泛的应用。它在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、减少信号电缆用量、节省安装费用等方面的优点也得到用户的肯定。
在自动化仪器仪表市场中我们可以看到一些产品冠以RTU，比如英国施伦伯杰公司的IMP远程测控终端、解放军南京工程兵学院微机测控研究所的893-IDCB远程测控终端、北京安控科技发展有限公司的SuperE 远程测控终端、北京华迅通信电子技术公司eNET无线RTU、美国MOTOROLA公司的MOSCAD远程终端设备RTU、美国OPTO 22公司OPTOMUX及SNAP等远程测控终端、澳大利亚埃波罗（ELPRO）公司的EP105一体化RTU、澳大利亚悉雅特公司MOX RTU等等，但也有一部分是由系统自动化公司自行集成的，比如下文介绍的昆明康德尔公司采用GSM模块与悉雅特公司MOX或以色列UNITRONICS公司 微型OPLC；比如澳大利亚埃波罗公司的EP105一体化RTU中的电台带有RS-232、RS-485接口，可与其它公司生产的产品进行通讯，如与AB公司的SLC5/03/04、SIEMENS公司的S7-300/400系列和ACTION-CONTROLS公司的产品等组合构成远程测控终端RTU。
远程测控终端RTU的应用
应用场合
除了在传统的工业生产过程中大量应用（例如电厂、钢铁厂、化工厂）之外在测控点特别分散的场合，例如在以下行业中远程测控终端RTU得到广泛的应用：城市供水自动化控制系统；城市废水处理系统；城市煤气管网综合调度系统；天然气、石油行业自动化系统；电力远程数据集控系统；热网管道自动化控制；大气/水质等环保监测；水情水文测报系统；灯塔信标、江河航运、港口、矿山调度系统。
应用实例
甘肃玉门发电厂2×130t/h锅炉、25MW汽机数采系统由34台解放军南京工程兵学院生产的893-IDCB 型远程测控终端RTU和5台微机组成，采集控制全系统380个模拟量输入信号、30个模拟量输出信号、125个开关量输入信号和6个开关量输出信号，实现了火力发电机组运行参数的在线监测、设备故障诊断、参数变化趋势分析等功能。
新疆塔里木油田桑塔木作业区是一个方圆数百平方公里的作业区，地处塔克拉玛干沙漠边缘，自然环境十分恶劣。全区范围内分布着80口油井，平时油井无人值守，油井的计量数据采集只能靠人工巡视。但由于地域宽阔、自然条件差，一次巡视往往要用大半天的时间才能完成，而且设备故障不能及时发现，为此作业区下定决心对涉及5个计量站，2个阀组站的油田计量系统进行改造，数采、控制部分采用和利时公司的FOPLC系统，再通过数传电台将设备运行状态信息传到中心站。本系统在塔里木油田应用后，运行稳定，中心站对7个RTU站的轮询只要几分钟就可以完成（中心站与RTU站间最远距离为13公里），所有数据采集准确无误，避免人为因素采集数据错误，真正实现了计量自动化。
昆明市环保局污水远程监控系统由控制中心和分散于昆明市区的数百个监控点的远程测控终端组成，远程测控终端采用的是带GSM/GPRS模块的微型PLC。远程测控终端将监控点的数据（包括排放污水流量值、污水处理设备运行时间等数据）以短信息方式，通过电信部门提供的短信业务定时将以上数据传送到控制中心，录入SQL Server数据库，并对录入的排放污水流量值、污水处理设备运行时间进行实时累计。在每天晚上的固定时间将当日累计数据上报数据中心。此外，控制中心监控人员可随时察看分散于昆明市区的监控点的实时运行数据，了解各监控点的实际运行情况，如污水处理装置是否运行，实际排放污水量的大小等数据。
远程测控终端RTU性能比较
从用户角度出发，我们可以从以下几个方面对各种远程测控终端产品进行性能比较：
外形
远程测控终端外形通常为长方形，大多数相当于是一个黑匣子，没有显示器及操作键盘，操作及显示都要在上位计算机上进行。而北京安控科技发展有限公司的SuperE可按照用户要求带液晶显示器及操作键盘，液晶显示器为单色，显示分辨率为240×128，显示器的显示对比度及背光值可在线调节，在远程测控终端的液晶显示器及操作键盘上还可进行现场监控、现场操作、现场诊断、现场维护、现场升级。其最大组态画面数为40页，画面动态元素最大数量为40个，操作键盘有28个，可见其操作能力很强、显示功能非常丰富。
图1：埃波罗公司EP105 RTU。
品种
英国施伦伯杰公司IMP的品种比较少，只有直流模拟量输入、电阻量输入、直流模拟量输出及开关量输入/输出等少数几个品种，但每一个IMP的通用性较好，如模拟量输入IMP可接受热电偶、直流电流、直流电压3种类型的输入信号，每一类型信号又有多个分度号或多个量程可供选择，又如电阻量输入IMP可接受电阻、直流电压、Pt100、应变量4种类型的输入信号，每一类型信号又有多种桥路类型或多个量程可供选择，再如开关量输入/输出IMP可自由选择各点是开关量输入还是开关量输出。这种灵活性是同时期其他仪表所不曾具有的，所以它的通用输入特性受到普遍欢迎。
南京工程兵学院的893-IDCB继承了IMP上述优点，同时它又根据中国用户的需要，开发了很多新品种RTU，如工频交流量输入、智能调节器等，以适应国内（特别是电厂）对电量信号的采集及PID调节回路的要求。
图2：北京安控RTU产品。
北京安控科技发展有限公司的SuperE则选择了另一个思路，它在每一块RTU内部均可配置模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入5种类型的信号通道，最大通道数为35个。用户选型时只要根据现场信号采集类型及数量的要求确定5类信号通道是否都需选用及每一类信号的通道数。我们知道，每一个特定的生产现场往往不是只有单一的信号类型，例如污水处理的曝气沉淀池，它有温度、液面、流量、pH值等模拟量输入信号，也有控制调节阀动作的模拟量输出信号，还有泵、闸门开启关闭的开关量输入和输出信号，甚至某些流量信号可能是脉冲量输入信号。所以生产现场要求的是可接受不同信号类型的混合型RTU 。而且，不同的生产现场各类信号类型的点数差别很大，它又要求各类信号的点数可以灵活选择。在IMP、893-IDCB等RTU现场配线时，要将单一信号类型都接入同一个RTU，必定有部分信号的连接电缆加长。所以像SuperE这样混合型信号输入输出且点数可以适当变动的RTU，就可以灵活地适应各类生产现场的要求，不仅方便用户选型，还可节省RTU的数量及减少信号电缆的用量。
SuperE小型化的产品SuperE-M，最多15路I/O，它集成了最新的GPRS（通用分组无线业务）技术。另一个产品是SuperE-S，它采用模块化积木式结构，I/O通道数可少到几个，多到600个。增加了这些产品后，用户选型时挑选的余地更大了。
澳大利亚悉雅特公司MOX Origin卡件I/O包括 8点AI、8点DI、8点DO、2点计数脉冲，MOX Unity卡件则可由用户选择4个I/O模块，用户若需要更多的I/O点，可通过RS485、以太网等方式与各种AI、AO、DI、DO卡件连接。MOX Unity卡件还可实现I/O点、电源的冗余配置，而冗余功能在RTU中不太多见。MOX GATEWAY现场总线组件可提供各种标准现场总线（如Profibus-DP、Interbus、DeviceNet、ControlNet、CANOpen、AS-I）和工业标准协议（如MODBUS、MODNET）的转换。
电源
英国施伦伯杰公司S-网络的IMP数量为5块或5块以下时，IMP可直接由主计算机供电，IMP数量超过5块时，由外部供电，电源等级为12~50VDC。
南京工程兵学院893-IDCB使用220VAC电源，也可按特殊要求，采用12～36VDC供电。
北京安控科技发展有限公司的SuperE使用220VAC电源、24VDC供电、12V太阳能电池供电，具有省电模式，并具备电池充电和后备功能。省电模式是指在软件控制下RTU 进入休眠状态，电耗降低，而一旦有中断输入，系统就恢复供电，这特别适用于太阳能电池供电。SuperE另一个优点是可向现场仪表（如变送器）提供隔离的24V电源输出，从而大大减少了配电用的专用电源、连接导线及接线工作量。
北京华迅通信电子技术公司eNET无线RTU使用10~30VDC供电，支持太阳能电池供电。
澳大利亚埃波罗（ELPRO）公司的RTU可提供交流供电、直流供电、太阳能电池供电、蓄电池供电、24VDC环形供电等多种方式。
通讯
通讯一般分为有线和无线两大类，有线方式采用各个公司专用网络或符合国际标准的现场总线网络通讯，无线方式称则采用远程拨号通讯、无线电台、卫星通讯、专线通讯、GSM/GPRS通讯。
英国施伦伯杰公司IMP远程测控终端通过S-网络相连，S-网络是一根总长可达1000m的专用双芯双绞屏蔽电缆，其通讯波特率为163k，每秒可完成1000个通道的扫描。与主计算机的连接是通过S-网络适配器，主机数只能是一台。
南京工程兵学院893-IDCB远程测控终端通过893-网络相连，893-网络是一根总长可达1200m的普通双芯双绞屏蔽电缆，其通讯波特率为187.5k, 每秒可完成1600个通道的扫描。与计算机的连接是通过893-网络适配器，为多主机系统，主机数最多为31台。
北京安控科技发展有限公司的SuperE在通讯方面则灵活得多，它采用标准的通讯协议和多种通讯方式进行通讯，可提供两路对外通讯接口。例如可采用以下通讯方式：RS232、RS485、无线电台、远程拨号通讯、卫星通讯、专线通讯，通讯距离RS232为16m、RS485为1200m、无线电台为数10km，专线通讯也超过10km。用户可根据使用环境从多种通讯方式种中进行选择或组合。它还支持标准的MODBUS RTU/ASCII通讯协议，也可以自定义通讯协议。在2003年4月举行的安控科技发展有限公司昆明新产品发布会上还介绍了SuperE 加GPRS模块后的SMS(短信息业务)无线传输方式，这是一种与手机发短信息相似的传输方式，与上述传输方式相比，它具有结构简单、投资省、传输可靠等优点。
昆明康德尔公司的KDF1 RTU采用GSM/GPRS 无线移动通讯网络方式通讯。
美国OPTO 22公司将M2M（即用户通过通信设备，利用GPRS及GSM技术实现对远程或不易搭建网络的地方进行数据监控管理）与智能I/O进一步结合起来形成新产品M2M-IO，实现在恶劣环境及复杂地势中无线远程数据监控，并更大程度地降低系统成本，用于取代传统RTU与数传电台。
澳大利亚埃波罗公司的EP105一体化RTU采用无线或双绞线两种方式实现远距离或近距离通讯。
澳大利亚悉雅特公司MOXRTU等可由用户选择标准的远程拨号通讯、专线通讯、无线数字通讯、ISDN、GSM/GPRS等方式通讯。
系统功能
英国施伦伯杰公司IMP只能构成单一功能的数据采集系统，不能进行PID回路控制和逻辑控制。
南京工程兵学院893-IDCB因其品种中有智能调节器，所以它可以构成带PID回路控制的数据采集与控制系统，但这种PID回路控制不应该是太复杂的。
北京安控科技发展有限公司的SuperE的软件中包括逻辑梯级图程序和C程序，逻辑梯级图程序可完成一般的计算、逻辑控制、PID回路控制等功能；C程序可完成复杂的计算、逻辑控制、PID回路控制等功能，所以它可以构成带逻辑控制、PID回路控制的数据采集与控制系统，这样的系统通常也可以称之为PLC或DCS系统。
软件
英国施伦伯杰公司IMP仅提供驱动程序、基于Windows的组态软件包等少数软件。
南京工程兵学院893-IDCB仅提供网络驱动程序、网络演示调试程序及与多种工控软件的接口程序等软件。
北京安控科技发展有限公司的SuperE采用的是多任务系统，其内部程序包括：监控程序、逻辑梯级图程序、C程序、屏幕组态程序等4部分。监控程序控制整个系统的运行，完成数据的采集、存储、通讯等工作；逻辑梯级图程序可完成一般的计算、逻辑控制、PID调节等功能；C程序可完成复杂的计算、逻辑控制、PID调节等功能，也可实现自定义的通讯协议；屏幕组态程序完成屏幕画面的组态显示。SuperE还可提供多种气体流量算法和专用监测、控制软件包，如污水处理、水源井控制、抽油机控制、油气计量专用软件包，用户也可以进行二次开发。