WAP/GSM: 工业自动化中的无线技术与TRACE MODE

前言 目前，在对安全性和可靠性要求十分高的领域中，SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)是最主要的、最有发展前途的复杂动态系统自动控制方法。依据监控原理，可以为能源、交通、航空和军事等领域建立自动系统。 近10—15年间，创建高效、可靠的SCADA系统的问题受到极大的关注。一方面，由于计算技术、软件和通讯领域的重大进步，自动化系统的性能得到增强，其使用范围得以扩大了。因此，当今，Internet、GSM-SMS和WAP数据传输领域的技术由于其可以用在控制系统中而受到特别的关注。 任务设定与解决案例 在开始我的发言的主要部分――GMS技术在控制系统综合技术中使用的前景――之前，我想先讲一下SCADA系统的基本定义： SCADA 是收集远程站点和对象的实时数据，以对其进行处理、分析和控制的过程。将必要的信息和数据传送到中央操作界面的短时性对实时处理提出要求。而且，“实时”这个概念对于不同的SCADA系统含义也不同。 图.1 早期，SCADA系统的原型是遥测和信号传输系统。目前，几乎所有的SCADA系统都包括以下三部分（见图1）。 1. Remote Terminal Unit (RTU) ―― 远程终端。用于进行实时控制； 2. Master Terminal Unit (MTU) ――主控中心。通常进行半实时（quasi-real time）数据处理和高层控制 ； 3. Communication system (CS) ――通讯系统。将数据从远程站点或对象传输给中央操作界面，把控制信号传输给RTU或远程对象（依据系统的具体运行而定）。 在开发分布式或集中式系统时，对象远在几十公里之外，工程师可以采用以下解决方案： 1. 铺设通讯线路； 2. 无线通讯。 无线通讯又分为无线电通讯、卫星通讯、手机通讯等。 依据统计数据，我们可以得出结论，GSM遥控装置的很多指标都比其它通讯方式更具有经济优势。手机通讯在最近几年得到了迅猛发展。在手机通讯的各种标准中，GSM数码标准独树一帜。目前，GSM数码网络是全世界通用的最安全的无线电话网。手机身份验证使用的是键长128 bit的三层算法。这些算法十分可靠，几乎可以完全排除非法登录网络，至少，无法对手机或者Modem中的SIM卡进行复制。借助于键长114 bit的A5算法，全部信息自动加密。虽然最近传出有关A5算法故障的消息，但是，不使用特殊硬件是无法实时听取GSM对话的。有关GSM网络安全的更详细资料可以在GSM协会的网站上获得： http://www.mobileworld.org/gsm/faq.htm GSM Security . 基于GSM的各种技术中，发展前景最为广阔的是SMS (Short Message Service)技术。它可以在计算机、控制器和手机之间，实现不超过16 bite的文本的交换。SMS是迅猛发展的WAP(Wireless Application Protocol)技术的一个组成部分。SMS大大降低了通讯成本。手机通讯的本地提供商承担信息传输的主要任务。这样，您就无需铺设通讯线路。而且，覆盖地区相当广，特别是，还包括漫游地区。此外，GSM技术还有很多优势： 1. 数码通讯性能； 2. 覆盖区域广； 3. 减少初期投资，可移动； 4. 系统更新方便； 5. 系统建立和运行时间短。只要购买SIM卡，并接通GSM-Modem就可以了。 您在得到SIM卡时就获得了通讯通道； 6. 设备价格低；普通GSM-Modem约125美元，与一个I/O模块的价格差不多； 7. 维修和投产简单； 8. 使用方便。工艺流程的监控可以通过普通手机进行，不需要任何其它设备；如果没有手机，通过Internet，从世界上任何一个地方也都很容易实现这个操作。 不足与任务特点 但是，并不是一切都像我们希望的那样完美。目前，这个还很“年轻”的技术也有一些不足。类似的系统必须注意到GSM技术的短处。 不足： § 交换速度不高。这是由于SMS每次只能传输160个字符； § 数据传输时间没有保证。（但是，另一方面，操作员发出的有关传送状态的通知又可以保证短信息的传输）。 最后这一参数并不是绝对的。因为，大多数情况下，传输时间取决于操作带宽和被控对象所在区域的信号质量。我们的试验证明，在国际漫游时，控制指令传输的最短时间不超过短信息发出后8秒钟。 鉴于以上这些不足，这种通讯方法可以确保创建控制系统中传输时间不十分关键的数据系统。所有的数据收集、处理和控制功能可以在当地完成。一定范围内实现。而累积的结果和过程参数可以每小时或者每24小时向中央控制台传送一次。这取决于视频数据变动的要求。对于很多工艺流程来说，这种遥测监控系统很具有现实意义。比如说，石油钻井的拉杆泵控制系统，供热站控制系统，能源、天然气和自来水使用的核算系统等等。在大型企业中，GSM可以用作紧急情况下通知专门工作人员的中央系统。当今，对于管理人员（在某些企业中，甚至对于技术人员）来说，拥有手机已经不是什么新鲜事。因此，在生产中使用GSM遥控装置大大扩展了系统的功能。系统的每个用户可以通过手机在任何时间查询所需的工艺流程数据，过程参数值，技术经济参数，产品生产和原料使用数据，发出控制指令或者接收警报通知。而且，依靠漫游，不仅可以在控制对象范围内实现以上操作，在其它城市，甚至是其它国家也可以做到。 除了控制系统的各种数据系统，在指令传输时限对于工艺流程不很关键的控制系统中，GSM也可以成功运用。比如说，发出指令，使远程水源的两个水泵之一转变为备用模式。 当今的SCADA系统中的GSM技术不能全面解决通讯系统连接问题。但是，它却可以有效的部分完成分布式控制系统一定范围内的问题。而且，我想指出的是，它的实施是相当快速、节约的。 Trace Mode利用WAP/GSM技术的系统建立和运行功能 现在，我们谈一谈GSM技术的实际运用。从5.06版开始，Trace Mode便可以利用GSM通讯开发控制系统。系列软件产品中又增加了以下模块： § Micro RTM GSM+； § GSM Activator; § GSM Communicator. 下面我们就详细介绍一下每一个模块。 Micro RTM GSM + 这一模块用于PC兼容控制器，可以通过与控制器串行界面连接的GSM-Modem以SMS格式交换信息。该模块在MS-DOS或者 ROM-DOS下运行。数据交换依据Trace Mode的M-Link标准协议进行。该模块支持两种通讯模式：Master模式和Slave模式。借助于专门通道，Master或者Slave通讯模式可以进行实时变换。除此以外，Micro RTM还具备紧急拨通RTM的功能。做为In M-Link (数据查询)和Out M-Link (数据传输)子类型的补充，GSM数据交换使用了COMMUNICATION子类型通道。 图2 Micro RTM GSM + GSM Activator 该模块在MS Windows下运行。GSM Activator TRACE MODE实时监控器或者手机之间数据交换的GSM门户。 GSM Activator与通过GSM网络交换数据的RTM或者Net Link RTM安装在同一台计算机上。它支持以SMS格式与RTM和Micro RTM GSM＋进行数据交换。除此之外，它还可以向手机发送险情信息或者过程信息，通过手机监控过程参数。GSM-Modem应该与计算机的串行端口连接，以便进行数据交换。GSM-Modem还应根据GSM 07.07规格支持扩展的指令库。做为In M-Link (数据查询)和Out M-Link (数据传输)子类型的补充，GSM数据交换使用了COMMUNICATION子类型通道。 为了使用手机监控过程参数，两条指令可以以文本格式从手机传送到节点： § GET – 查询一定的通道表征值； § SET – 设置一定的通道表征值。 指令的数据经过处理后，GSM-Achtivator向手机发送Trace Mode服务器上的指令完成情况信息。 此外，GSM-Achtivator可以将警报报告中记录的信息发送到手机上，用以建立警报信号系统。 图3 GSM Activator 在网站http://www.online.tracemode.ru上，任何人都可以对GSM-Achtivator的运行进行测试（不必使用手机）。 GSM Communicator GSM Communicator是用于PC兼容控制器的GSM-Achtivator 的OEM 版，用作i7000 、ADAM 4000系列和Lagoon控制的兼容控制器的远程I/O模块的GSM门户。 图4 GSM Communicator GSM Communicator 在有两个COM端口的独立控制器上运行。GSM-Modem与其中之一连接。另一个端口根据M-Link协议，以Master模式，向Lagoon，Micro RTM或者TRACE MODE的RTM传输数据。