本科毕业设计基于plc的远程监控系统的设计与研究.docx

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本科毕业设计基于plc的远程监控系统的设计与研究

摘要

智能电网时代的SCADA技术是以设备对象和网络模型为核心的理念来进行设计的，它具有处理面广、人工智能化水平很高的明显优点，并且具有方便的拓展性，在这基础上能够方便的扩展出非常多的功能化模块，比如电厂脱硫的监视、新能源的综合监测等，而不必要增加一些另外的应用或系统。

这种技术能够为智能电网的调度技术支持系统及智能电网调度自动化生产运行提供坚强的技术支撑，有利于促进我国智能电网的全面发展。

由调度中心收集的网络信息必须要通过相应的应用软件的处理，以便最终实现调度生产过程中的各种各样的方式。

在已经掌握一些现有的应用软件的条件下，调度员可以很快的监测到电网在运行过程中的各种状态，可以很快并且很方便地分析电网实时运行的稳定性和经济发展的趋势，在事故情况下尽快的完成相应的判断、决策，才能够对遥远的厂，站实施有效的远程控制和远程调整。

本课题针对电网调度自动化系统的管理和监控，详细分析和说明了SCADA系统中的软硬件设计，并对SCADA系统及其发展和SCADA系统应用于电网调度自动化系统中的若干相关技术进行了初步的研究。

针对电网调度自动化系统工作原理，详细的分析和描述了SCADA系统的硬件和软件的设计，初步研究了SCADA系统和SCADA系统的设计在电网调度自动化系统中的一些相关技术。

SCADA系统其实是一个实时数据监控与数据采集分析的系统。

通过对SCADA仿真系统的研究，让我们对SCADA仿真系统有一个比较具体的了解，熟悉SCADA仿真系统的发展历程，当前的发展状况以及未来的发展趋势。

充分体会到了SCADA仿真系统在国家电网调度中发挥的不可或缺的作用。

关键词:

SCADA;电网调度;仿真；智能电网；自动化

ABSTRACT

ThesmartgrideraofSCADAtechnologyisbasedonthedeviceobjectandthenetworkmodelasthecoreconcepttodesign,ithasawidetreatmentsurface,theobviousadvantageofthehighlevelofartificialintelligence,andhasaconvenientexpansioninthisbasiscanfacilitatetheexpansionofaverylargenumberoffunctionalmodules,suchasdesulfurizationplantmonitoring,energymonitoring,andunnecessaryincreaseinsomeotherapplicationorsystem.ThistechnologycansupporttheautomationofproductionandoperationofthesystemandthesmartgridschedulingforsmartgridschedulingtechnologytoprovidestrongtechnicalsupportandhelptopromotethecomprehensivedevelopmentofChina'ssmartgrid.

Networkinformationcollectedbythedispatchcentermustpasstheappropriateprocessingoftheapplicationsoftware,sothatthefinalschedulingoftheproductionprocessinvariousways.Conditionshavemasteredsomeoftheexistingapplicationsoftware,thedispatchercanquicklymonitorthevariousstatesofthepowergridduringoperation,youcanquicklyandeasilyanalyzethegridrun-timestabilityandeconomicdevelopmenttrendsthecompletionofthejudgment,decisionsystems,adetailedanalysisanddescriptionoftheSCADAsystemhardwareandsoftwaredesign,andtheSCADAsystemanditsdevelopmentandSCADAsystemsusedindispatchingautomationsystemsinanumberofrelatedtechnologiesconductedapreliminarystudy.Griddispatchautomationsystemworks,adetailedanalysisanddescriptionoftheSCADAsystemhardwareandsoftwaredesign,preliminarystudyonthedesignofSCADAsystemsandSCADAsystemsindispatchingautomationsystemsinanumberofrelatedtechnologies.TheSCADAsystemisactuallyareal-timedatamonitoringanddataacquisitionanalysissystem.SimulationofSCADAsystem,amorespecificunderstandingofSCADAsimulationsystem,familiarwithSCADAsimulationsystemdevelopmentprocess,thecurrentdevelopmentstatusandfuturedevelopmenttrends.FullyappreciatetheSCADAsimulationsystemanindispensableroletoplayinthenationalgridscheduling.

Keywords:

SCADA；PowerDispatching；Simulation；SmartGrid；automation

第一章绪论

第一节远程监控的背景和意义

伴随着经济全球化的进程和网络技术的快速地发展，市场竞争日益剧烈，企业的生产、销售和服务规模不断地扩大。

企业间的竞争开始向产品的创新能力、产品的质量和维修服务的水平等多元化的方向发展。

在当今的全球市场中，设备的技术维修与售后服务已经成为了制约现代化企业的生产能力和影响客户对产品的满意程度的重要因素，也成为了决定企业利润和产品品牌的重要因素。

设备制造行业不仅要求技术创新，提高产品质量和开发新产品，而且还要在产品的生产使用过程中，提供全生命周期的技术支持、实施设备的终生保修政策。

这一发展趋势的兴起，使得设备制造企业开始从制造型向制造、服务型的不断转变，也促使着设备制造商在产品的生产研发中加入远程监控功能，使得技术服务费用大幅度降低；对设备使用型企业而言，对潜在的设备故障，远程监控通过E-mail、手机短息等方式进行预警，大大缩短了设备维修服务的响应时间。

远程监控技术的发展，推动着控制技术向网络化、分布性和开放性的方向发展，

并实现了跨地域的资源共享，这种趋势使远程监控系统功能的扩展性能不断提高，使用更加灵活、更加简便。

远程监控技术在远程办公、远程交流、远程技术支持、远程维护和管理等方面有着出色的发展前景。

远程监控技术具备了以下几个特征：

1.远程监控技术可以使异地的智力之源得到充分利用。

可以使位于异地的专家通过网络获得远程监控数据，进行分析处理，实现远程监控。

2.远程监控技术可以使异地的物质资源得到充分利用。

通过该技术的使用，可以使异地物资资源的共享和远程实验得以实现。

3.管理人员采用远程监控技术，可以不必亲临恶劣的现场环境就可以对现场的工作情况进行监视，完成对参数的设置与调整，修复故障等。

4.远程监控技术的应用，可以实现现场运行数据的快速集中和实时采集，获得现场的监控数据，提供了远程故障诊断技术物质基础。

在现代化的工农业生产中，远程监控技术被广泛的应用。

远程监控的进行有以下几种方式：

（1）使用无线电设备进行信号的收发；

（2）使用电话线路，利用电话网络，通过双音多频（DTMF）信号载体来传送简的单命令和数据；（3）利用计算机，借助Internet（互联网）进行数据及命令的传输；（4）借助PLMN（公用陆地移动网）的SMS（短信）服务平台或GPRS（通用分组无线业务）的数据业务功能进行数据或命令的传递。

经过三代的发展，移动通信技术GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）系统是当下移动通信体制中最完善、最成熟、应用最广泛的一种基于时分多址技术的移动通信系统。

在远距离监控、数据采集、GPS定位、无线报警、缴费通知等领域，GSM全球移动通讯短信息的传送技术都被广泛的应用。

在无线网络覆盖上，与传统的集群系统相比，GSM系统具有无可比拟的优势，另外由于GSM的SMS自身带有传输数据的功能，都使得这些应用得到迅速的普及。

由于采用了专用控制信道（DCCH）技术，使得短消息传送业务可以确保被叫方能收到。

因此，短消息业务作为GSM网络的一种主要的电信业务，信息传递是实时可靠的。

每条短消息的信息容量达到140个八位组（7比特编码，160个字符）不超过140个字节，足以使单个监测指标的信息量得到满足。

综上所述，系统通过GSM的短消息业务的使用，来实现远程监控来控制被控对象。

第二节远程监控技术的发展和研究现状

一、远程监控的发展

通信技术与设备的远程监控模式的发展，二者之间是密不可分，伴随着通信技术的发展，三种远程监控得到了发展。

从上个世纪90年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的重要性正在逐渐被人们所熟悉和重视。

监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。

早期的监控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操纵盘来进行集中式操纵。

而计算机监控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象（生产过程）共同构成的整体。

在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监视和控制功能。

在现代企业的生产和治理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监视治理和自动控制。

由于产业生产过程控制要求的高环境适应性、高实时性、和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展，测控领域所使用的通讯技术都自成体系，很多通讯协议不开放，而且大多数系统都是面向单台，或单一类型的设备。

随着生产力的进步，设备的分布越来越离散单一的，各自独立的监测系统已不能适应产业化的需求，于是便产生了分布式系统。

这种系统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于公道。

但是由于目前运行的尽大多数分布式监测系统还只是在局域网上，通常的测控仅局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性。

Internet能实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的题目，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。

远程监控是本地计算机通过网络系统如Internet/Intranet，对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能我们通常把能够实现远程监控的通讯媒体、计算机软件、硬件系统称为远程监控系统。

在现场设备分布广泛或数据不易采集的场合，要能够及时地监视设备的运行状态并进行有效控制，这就是远程监控技术在产业生产上的需求。

（一）早期远程监控模式

如图1.1所示，远程监控人员不能够直观的对现场的生产设备状况进行了解是这种模式的最大的缺点，仅仅依靠现场操作人员的记录对其进行分析推理，那么现场操作人员的主观判断和知识水平对做出的结论有很重大的影响，可靠性不高；另外，这种模式在实现实时的在线监控方面无能为力。

图1-1早起远程监控模式

（二）近代远程监控模式

如图1.2所示，跟前一种模式相比，这种模式进步很大。

由于现场生产与设备的情况能够比较直观地被远程监控人员所了解，所作出的判断可靠性提高很大；实现实时和在线监控也较容易。

然而，由于经过远距离传输后，模拟信号会产生很大的失真，最终严重影响了监控的准确性。

因此，该远程监控模式的有效的监控距离有空间上的限制。

图1-2近代远程监控模式

（三）现代远程监控模式

如图1.3所示，随着计算机网络通信技术发展，这种模式已经成为了当下最主要的远程监控模式。

现场的采样仪器可以将不同传感器的来的模拟量的设备状态转变为数字信号量后，通过网络通信传送给远程监控人员是该模式较为突出的特征。

远程监控人员通过使用计算机和DSP（数字信号处理）技术分析处理收到的数字信号，然后对设备的状态进行总结，最后将做出的控制结论给现场操作人员或设备进行反馈。

由于经过远程传输后，数字信号的失真度低，时间和空间的影响较小，因此控制结论可靠性高，真正意义上的实时在线远程监控可以实现。

图1-3现代远程监控模式

二、远程监控的国内外发展现状

远程监控的内容是：

本地的计算机通过通信技术对远端的设备进行监测与控制。

当下，远程监控系统在工业控制、交通运输、计算机、教育、金融等行业里得到了广泛的应用。

能够实现远程监控的计算机软硬件系统称为远程监控系统。

按照监控的对象来分，远程监控技术基本上可以被分为两类：

计算机的远程监控技术和设备的远程监控技术。

其中，设备的远程监控技术所监控的对象是在不同地域分布的生产控制设备，所研究的内容为监测设备的运行状态，设备远程监控的是研究的较早，也较为成熟的技术，在工业控制领域有着非常广泛的应用。

设备的远程监控技术是当下国内外都展开深刻研究的前沿课题。

1997年一月，斯坦福大学和麻省理工学院联合主办了首届基于因特网的工业远程监控的研讨会。

此次会议主要讨论了有关远程监控系统的开放式体系、传输协议及对用户的合法限制等，并对技术未来的发展前景作了展望。

此外，密歇根大学在互联网上建立了一个宣传点，积极地开展了针对机械加工中远程监控和制造系统的研究工作。

在国内，许多的高校也开展了针对远程监控技术的研究。

目前，西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、上海交通大学等知名高校都在向国外先进水平看齐，已经着手或准备从事工业领域的远程监控的研究工作；华中理工大学也在1997年初开始了前期研究工作，并于同年11月在互联网上设立了一个远程控制宣传点，并以同年11月在因特网上设立了一个远程诊断宣传站点，向国内介绍远程监控技术，并通过技术示范的方式向用户提供有限的远程监控服务。

与此同时BENTLY、ENTEK、SOLTRAN等大公司也纷纷向中国市场推出他们最新的网络化的设备状态监测产品，这对于提高我国的远程监控设备的水平，增进我国各个领域的诊断设备故障网络化起到了相对积极的作用。

计算机领域经历了一场新的革命，它结合了现代控制技术、图形技术，其目标是随时随地为人们提供无缝的、高质量的、易用的、廉价的信息资源，使其能真正进进人们的生活。

计算机监控系统的技术水平也从初期的模拟信息传输与控制飞速发展到了数字化、网络化信息传输与控制。

目前远程监控技术的主流是应用Internet技术，在TCP/IP协议和WWW规范的支持下，公道组织软件结构，使工作职员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并及时做出响应将来，嵌进式系统的发展会越来越迅速，越来越成熟，这项新技术早晚必将用于远程监控系统上，是监控系统未来发展方向之一。

嵌进式监控系统可以使信息实现本地化处理，改善服务器性能，可以使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独立进行服务，从而大大进步监控的质量和范围。

网络通讯技术在测控系统中的应用还渗透到了传感器领域，将网络接口芯片与智能传感器集成起来，并把通讯协议固化到智能传感器的ROM中，导致了网络传感器的产生。

网络传感器继续了智能传感器的全部功能，并且能够和计算机网络进行通讯，因而在现场总线控制系统中得到了广泛的应用成为现场级数字化传感器。

国外有不少仪器公司己研制出了各种各样的网络化传感器。

国内在网络传感器方面的研究尚处于原理研究阶段，还没有成型的网络化传感器出现。

监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关，使用者不断对远程监控的简便性及实时性提出了更高的要求。

因此必须要更好地、更及时地应用最新技术，这样才能使得远程监控不断地发展，不断地满足人们的需求。

第三节远程监控系统的应用

远程监控系统应用广泛，遍及国民经济的很多领域，典型应用概括为以下几个方面。

（1）煤气，天然气，石油，电力等能源系统设备以及网络的远程监控：

发电机组，变电站，供电所的远程监控；煤气、天然气管线压力；温度、流量等远程监控；石油开采中油井各种参数的远程监控等。

（2）车辆状态远程监控：

如车辆位置/时间，运动方向/速度监测，远程控制车辆中的设备，车辆丢失的查找和监测等。

（3）自动化工厂，生产过程，机器和设备的远程监控；在自动化生产线上，一般由可编程逻辑控制器控制，可对其进行远程监控；关键的机器和设备关系到产品的质量和生产线的安全，对此类设备工作参数可实现远程监控，超限报警。

（4）对人体有害的环境下的远程监控：

化工厂周围的空气质量的远程监控，噪声严重区域的噪声远程监控和噪声抑制；地震测试点的资料上传，气象监测点的资料上传。

（5）通风设备，制冷设备等的远程监控：

冷库/仓库的远程监测，矿井通风设备，探矿设备的远程监控。

（6）水库大坝、水闸、供水系统的远程监控：

河流、湖泊、海潮的水位变化，水流量状态等关系到灾害的发生和人民生命财产安全，水质变化对供水系统和人们的生活影响很大，远程实时监控这些状态数据意义重大。

（7）各种信息查询系统：

交通信息、天气预报、银行系统等很多领域的信息查询。

目前远程监控主要有以下几种方式：

短距离长线监控；通过市话网；通过Internet网络；通过自组网络（CDPD网）；通过无线数传电台方式。

第四节本课题研究的内容及意义

将手机短信息与PLC的控制进行结合是本课题的主要研究方向，它实现了基于PLC的手机短信息的远程控制、状态查询以及PLC向手机发送短信息、报告的发送等功能，构建了一套远程的交互系统，在家庭环境的远程监控和实现智能化家居方面，根据具体的情况可以很方便的实现对功能的扩展，因此具有较高的实用价值。

随着社会的信息化程度的不断发展，信息家电已经被越来越多地应用于人们的生活中，智能化家居的概念也随之提出。

智能家居系统是一个把互联网、信息家电、家居自动化和家庭安全防护防盗等技术有机地结合到一起的高新技术，是智能化、人本化的集成型开放式家居系统。

未来的家居智能化和网络化是必然的发展趋势。

家居智能化的一个分支就是对家庭设备进行远程监控。

当前一个热点的社会问题就是怎样建立一个低成本、高效率的家居智能系统。

人们希望能够在家中煤气泄漏、起火、小偷入侵时报警；希望在回到家前启动家中的空调以调整到适当的温度；希望人外出时能够查看窗户有没关好。

由于有了如上的考虑，此次课题研究的建立基于PLC的手机短信远程监控系统在实际应用GSM短信息对家居环境进行远程控，实现家居的智能化就有了很大的意义。

图1-4应用设计

通过GSM短信息系统的使用来进行无线通信，实现远程监控，具有节约维护费用、节约建设费用、节约使用费用、方便实施等优点。

由于PLC具有稳定可靠、功能齐全、应用灵活方便、价格便宜、操作维护方便等优点，因此该监控系统的各控制单元的核心控制元件我们选用PLC，GSM短信息模块是PLC与用户手机之间数据传输的媒介，由PLC和GSM短信息模块共同构成系统的中心控制模块。

整个家居远程监控系统由GSM短信息模块、PLC和各功能子模块构成。

主控单元PLC通过GSM短信息模块来控制接收用户手机所发送的短信息，依据短信息的内容控制各子功能模块；同时也可以通过GSM短信息模块对主控PLC将家居系统的状态情况以短信息形式发送给用户手机。

由上述的设计思想构建的在家庭远程监控中基于PLC的手机短信远程监控系统的应用设计如图1.4所示。

此次设计主要介绍窗户控制模块和防盗报警模块。

第二章远程监控系统

第一节远程监控系统基本原理

一、远程监控系统原理模型

远程监控技术是计算机技术、网络通信技术和控制技术的结合的一门先进技术。

信息技术发展使得远程监控技术得以快速发展。

远程监控技术是远程监测和远程控制的结合，远程监测是指远程获得被监控资源对象的数据信息，远程控制是指远程发送命令控制现场资源对象的运行状态。

一个远程监控系统通常由远程监控端系统、远距离数据传输、现场监控端系统构成，基本结构模型如图2-1所示。

三个子系统分工合作，共同实现对远程资源的监控。

图2-1远程监控系统模型

（一）远程监控端系统

远程监控端系统是用户与被监控资源进行交互的远程接口。

主要功能包括远程资源状态的终端显示，控制命令及参数的输入，对命令参数的状态数据进行必要的处理，以及其他操作。

（二）远距离数据传输系统

远距离数据传输系统作为远程控制信息和状态信息的传输通道，传输各种控制命令数据、监测数据和图像数据。

传输系统的作用有两个：

一方面传输系统将监控端的控制信息传送到现场的控制主机，使现场控制主机能对资源进行实际的控制；另一方面将现场资源的状态信息实时地传输到监控端，使操作人员通过对现场资源状态的了解，决定下一步操作。

（三）现场监控系统

现场监控系统是直接对现场资源进行监控的系统。

现场监控系统根据远程监控系统的控制数据对资源进行控制，实时监测资源的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道送回到远程监控端。

二、远程监控系统性能分析

远程架空系统的性能指标主要有：

实时性、可靠性、稳定性、安全性。

只有保证了这些性能，远程监控系统才能快速、准确、稳定、可靠地运行。

远程监控系统的各个性能指标的影响因素进行简要的分析。

（一）实时性分析

实时性是远程监控系统的一个重要的性能指标。

一个系统的实时性通常采用“响应时间”来定量描述。

响应时间是指某一系统对输入做出响应所需的时间。

响应时间越短，系统的实时性越好。

在远程监控系统中，传输的数据是命令数据、状态反馈数据（监测数据和图像数据），主要是这些数据的传输对实时性产生了影响。

对于命令数据和监测数据，由于数据发送时间远小于数据传输时间，所以数据传输时间是影响实时性的主要因素。

而对于图像数据由于数据量较大，还要考虑数据的发送时间对实时性的影响。

（二）可靠性分析

远程监控系统的可靠性主要是指远程监控终端系统、传输系统的传输可靠性和现场监控系统的可靠性。

对于远程架空来说，传输系统的可靠性是最为重要的一个方面。

而传输系统的可靠性取决于传输的介质与传输方式等因素。

例如互联网不是可靠的，可能导致数据在传输过程中发生丢失，导致远程监控失效。

这就要求监控端设置