航标遥测遥控系统技术实现的探讨
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摘要：航标是水上交通的重要助航设施，其运行状态的好坏，直接影响到船舶的航行安全。目前我国航标管理方式仍然是人工模式，这制约了航标管理效能的进一步提高。航标遥测遥控功能的实现可以提高航标管理效率，使航标管理部门能及时掌握航标工作状态与相关信息，并能方便地对航标设备进行远端遥控检测，适应当前海运业大流量、高安全通航的要求。
关键词：航标；遥控检测；RTU；PLC
航标遥测遥控系统的实现就是对航标设备运行参数、工作状态进行远距离的监测和控制，实现智能化的管理。通常由数据采集设备对被测对象进行数据的采集，由传输通道传送到监控端；当有控制命令产生时，再由数据传输通道将控制命令传送到执行设备，由执行设备对被控对象进行控制。
数据采集设备一般由传感器、信号处理器、多路采样开关、A/D， D/A转换器等组成。微机的信息输入必须是数字量，但从自然界采集来的大多数信号是模拟信号，A/D转换器将传感器输出的模拟电压进行转换，得到相应的数字信号，输入到计算机中存储，形成数据文件或进行进一步的加工处理。
A/D转换器是一个编码器，它接收一个模拟电压UX和一个标准电压UR输出一个数字信号。目前常见的A/D转换器有集成式的单片机和模块化的模数转换器，本文中数据采集技术使用的就是模块化的模数转换器。
采集到计算机中的数据经过软件的加工处理，可能还要输出信息、指令。现实对象通常不能识别计算机输出的数字信号，期间要经过数模转换电路将计算机直接输出的数字信号转换成现实对象可以接收的模拟信号。输出的模拟信号经过传输通道传送到执行机构，再由执行机构执行控制指令。与模数转换器一样，数模转换器也有集成式和模块式。本文中使用的是模块式。
二、系统的组成和功能
航标遥测遥控系统一般由终端站、分站、监测站三个部分组成。
1.终端站
终端站计算机控制系统由模块化单元结构构成的控制站、检测仪表、环境监测系统、手自动切换操作系统及通讯系统组成，其总体结构如图2-1所示。（由于航标设备的配置不同，终端站的组成也略有不同）
终端站直接安装于航标设备现场，采集系统所要求的监测数据，分析运行参数，并以此为基础进行航标设备控制、故障预报及报警，同时接受和完成监测站下达的遥控操作，实现系统对现场设备的遥测与遥控功能。
航标设备能自动根据昼夜交替打开或关闭航标灯，因此，在航标正常工作状态下，终端站的控制功能只作为后备控制系统，不参与系统的正常控制。该功能只在故障切换、遥测、遥控三种状况下才投入运行。
2.分站
分站一般设立于航标站或距离陆地较近的灯塔处，负责监测站与终端站之间的双向数据通讯，接收终端采集来的航标运行信息，执行或传送监测站下达的遥控指令，实现信息的储存与传递功能。
3.监测站
监测站设立于航标处，是处级遥测遥控系统的中心。
监测站计算机系统由数据服务器、操作员站、工程师站、数据报表打印机、调制解调器、路由器、公用电话网、IE浏览终端组成。
监测站负责从分站及终端采集航标设备运行信息，建立处级实时数据库和历史数据库，并根据要求对数据进行存储、显示、处理、报警和打印，编辑和生成各类报表。
三、系统技术实现的研究
航标遥测遥控系统的实现也就是对航标设备运行数据采集、控制、传输、处理等方面的技术实现。数据采集的可靠性决定着整个系统的可靠性，因而显得尤为重要。
1.系统数据采集的硬件实现
Intranet网络系统结构是计算机应用技术发展的最新成果，也是计算机应用技术发展的必然趋势。因此，在航标遥测遥控系统建设上，应立足于Intranet网络系统结构进行系统建设，这不仅关系着系统的先进性，也关系着系统能随着计算机技术的发展，方便、低成本地进行升级换代。
航标上需要进行数据采集的部件很多，数据种类又各不相同，为避免安装过多的设备给航标带来过多负重及其他问题，本文选用了RTU（远程终端单元）和PLC（可编程控制器）来进行技术实现。RTU具有很强的数据采集功能和控制功能，不但可采集模拟量，而且可以采集数字量，其体积小、可拆装的模块式结构，适用于灯器部位的数据采集和控制。同时RTU具有数据存储和传输功能，接口功能强大，可完成对PLC的数据传输和遥控指令的传递。PLC具有强大开关控制功能，适用于供电设备充放电控制和数据采集。
根据国外一些国家对航标实现遥测遥控的经验以及在其他领域中遥测遥控技术实现的方法为借鉴，本系统采用引进开发模式，在加拿大ACTION CONTROLS公司的ACTEL 2000 SCADA系统RTU的硬件基础之上，针对航标遥测、遥控系统的特点，开发了模块化RTU型终端站系统。
此模块化结构的RTU可根据应用要求，灵活地构成各种不同的配置，其规模可从具有几个I/0点的小型RTU到具有上千个I/0点的大型RTU。它具有信号检测、控制、通讯功能，可直接与多种通信信道相连构成SCADA系统，并具有多种内置式调节器模块，使系统具有较高的集成度、可靠性和可扩展性。它可连接所有拥有数字量和模拟量测量值的仪器，可监测所有的数字量和模拟量信号，例如流量、油罐液位、阀门位置等。因为它内置有CPU，可以自行决定何时将数据输出、保存多长时间，当获得新的数据时可自行决定何时传送给其它RTU系统并开启通讯设备。
系统根据此RTU模块的性能特征开发了适用于航标遥测遥控的RTU终端，它将传感器、滤波器与RTU模块相连接实现系统数据的采集。系统根据不同的航标设备配置了不同的RTU模块。
PLC是专用于控制领域的通用型微机系统，计算机厂家在设计生产PLC时，在硬件和软件方面作了大量的共性工作。这样，用户在使用PLC组成某一控制系统时，只需针对具体控制任务做少量的专门工作。
PLC的基本结构及工作原理：它主要是由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC的电源可是单独的模块，也可以是包含在CPU模块中。I/0模块的个数由PLC所控制的系统的I/0通道数决定，一般PLC的生产厂家备有不同槽数的框架供用户选用。PLC程序的基本运行方式是采用扫描的原理，把用户程序从第一条语句到最末一条语句逐次扫描处理。除了执行用户的程序外，在每次扫描过程中还要完成输入处理、输出处理、内部处理及通讯服务等。
2.系统数据采集的软件实现
为实现监测站软件功能，系统软件设计将本着面向对象，基于图形的丰富的人机界面为宗旨进行软件设计。在此，系统选用的是西门子公司WinCC 5.0中文版的工控软件。此软件是目前市场上较为流行的工业控制软件，具有很强图形化、多媒体窗口遥控监测功能。
3.系统数据传输的实现
在航标遥测遥控系统中，监测站、分站、终端站之间的通讯网络由二部分组成，即有线通讯和无线通讯网络。
有线通讯网络担负着监测站至分站及有线终端站间的数据传输任务，可供选择的通讯方式有公用电话网、China DDN和ISDN三种。
目前我国公用电话网基本实现了一拨就通，这为实时性要求不高，却需进行远距离通讯的网络系统提供了一种廉价、可靠的选择方案；China DDN是采用数字交换连接技术和PCM数字技术组合而成的高速数据传输交换网，通讯容量大，可靠性高，可以满足用户图像传输和组建中高速计算机通信网的需要；ISDN综合业务数字网，可以将语音和数字信号同时传送，支持由时分多路复用分隔的多个信道。
在航标遥测遥控系统中，由于被测设备是一个长延时渐变系统，其运行参数的变化是以时、日计算的。因此，监测站实时数据库不是连续的，而是按照规定的时间间隔采集的。监测站与分站及有线终端站间的通讯不是连续的，而是间断的。以上三种通讯方式均可完成本系统的数据传输任务，不同的是运行费用，DDN的基建投资和运行费用远远高于公用电话和ISDN。所以在本系统中，有线通讯方案以选择ISDN或有线电话为宜。
无线通讯网络系统担负着无线监测分站与无线终端站之间的数据传输任务。由于无线通讯系统的通讯模式也是间断的，并以一小时上报一次数据进行系统设置。从技术性能上来看，GSM、卫星通讯及无线局域网均能满足系统对无线通讯的需求。但从长期使用角度来看，无线局域网有着绝对的价格优势。
四、结论
本文通过对实现航标遥测遥控中数据采集、通讯、控制等方面的分析，参考国外及其它遥测遥控系统的实现方法，研制了数据采集终端，此终端全部采用模块化设计，具有可扩展性、通用性和互换性，为系统的升级或功能增加提供了便利条件。
随着科技的进步，期待航标遥测遥控技术进一步充实和完善，使航标管理走向科技化和智能化，满足现代航海的需求。