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王文杰
由于現(xiàn)代化武器的日新月異，現(xiàn)在世界上很多國家在人防工程的現(xiàn)代化監(jiān)控上都有了長足的發(fā)展，我國在此領(lǐng)域目前還處在起步階段，這篇論文向您介紹的就是SCADA系統(tǒng)在人防工程中的應(yīng)用
這是在中國某邊防區(qū)域，系統(tǒng)所處地區(qū)地形極為復(fù)雜，區(qū)內(nèi)設(shè)備無法正常供電；200個左右的遙測站點，每個遙測站需要檢測至少一個標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號，系統(tǒng)要求有穩(wěn)定可靠的通訊解決辦法，不丟數(shù)據(jù)對系統(tǒng)很重要。
1 系統(tǒng)方案
根據(jù)系統(tǒng)要求，筆者考慮在每個監(jiān)控子站使用一臺RTU用于對現(xiàn)場就地信號的監(jiān)測，各子站（約200個，可以根據(jù)實際情況擴(kuò)展）通過與其相連的無線電臺和主站（控制中心）取得聯(lián)系并按一定的周期完成主站與各分站的通訊與數(shù)據(jù)交換。主站系統(tǒng)采用工控PC機(jī)作為服務(wù)器和操作員站，實現(xiàn)對各子站監(jiān)視與數(shù)據(jù)采集，通過TCP/IP協(xié)議組成高速以太網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的內(nèi)部共享。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見圖1。
(1) 指揮中心計算機(jī)系統(tǒng)功能
數(shù)據(jù)采集：對各子站數(shù)據(jù)點進(jìn)行監(jiān)測。
報表打印：對分析出的歷史數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù)進(jìn)行定時和實時打印。
故障報警：故障及事件報警通過畫面，聲音報警等向值班人人員報警。
(2) 現(xiàn)場測控單元功能
采集數(shù)據(jù)預(yù)處理：對采集上來的信號濾波和有效性分析。
數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸：系統(tǒng)可以檢測模擬和數(shù)字信號，并對數(shù)據(jù)存儲在存儲器內(nèi)，同時通過網(wǎng)絡(luò)將各種信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。高、低電平信號、各模擬輸入信號掃描速度應(yīng)滿足掃描時間要求。測控現(xiàn)場通過無線通訊的方式同上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。
報警：數(shù)據(jù)設(shè)定上下限報警功能，數(shù)據(jù)若超過上下限，則系統(tǒng)會產(chǎn)生報警。
記錄：數(shù)據(jù)有實時數(shù)據(jù)記錄和歷史記錄功能。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 無線網(wǎng)絡(luò)方案分析
(1) 設(shè)計思想
通信系統(tǒng)作為SCADA系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐平臺，其穩(wěn)定性、可靠性將是影響SCADA系統(tǒng)至關(guān)重要的因素。通信系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)包括良好的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、足夠的信息帶寬估計、安全經(jīng)濟(jì)的信道冗余、設(shè)備選型、通信軟件設(shè)計等多方面工作。
通信技術(shù)作為IT技術(shù)的前沿，發(fā)展非常迅速，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會生活的每一個角落。為了選擇合理、經(jīng)濟(jì)的通信方案，必須因地制宜，在充分考慮資金投入可能性的前提下，高度重視環(huán)境和氣候條件，這將是影響通信系統(tǒng)設(shè)計選型的重要因素。通信系統(tǒng)方案設(shè)計上，應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)信道能否真正暢通，確保SCADA系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行。
在使用數(shù)傳電臺的無線網(wǎng)絡(luò)中，本著以下的原則設(shè)計解決方案：
① 如果在中心站與子站之間可視，且通訊距離允許的情況下，子站和指揮中心要直接通訊。
② 盡量減少中繼轉(zhuǎn)發(fā)的級數(shù)，減少通訊失敗的損失。
③ 在子站距離中心站過遠(yuǎn)而無法與中心站直接建立連接時，需要架設(shè)中繼站，并保證其與中心站之間可視。
④ 在子站群所處地理位置復(fù)雜，無法保證中心站與其穩(wěn)定通訊時，需要在子站群的至高點架設(shè)中繼站，并保證其與中心站之間可視。
⑤ 在中心站與子站群之間不可視時，需要在子站群的至高點架設(shè)中繼站，并保證其與中心站之間可視。
⑥ 各中繼站覆蓋的子站盡可能沒有相互交叉的情況。
(2) 指揮中心通信系統(tǒng)方案
根據(jù)上述分析和實踐應(yīng)用經(jīng)驗，筆者設(shè)計了以指揮中心熱備數(shù)傳電臺為核心進(jìn)行通訊的熱備的無線通信系統(tǒng)。指揮中心如圖2所示。
圖2 指揮中心示意圖
(3) 中繼方案簡介
如果無線數(shù)據(jù)或話音通訊系統(tǒng)中某一點或幾點因為通訊距離太遠(yuǎn)或高山、建筑物阻隔等原因而需要通過中繼臺才能與中心站通訊。需要中繼的分站通過中繼臺與中心站通訊，其他分站直接與中心站通訊，此時，中心站及中繼臺應(yīng)采用全向高增益天線及損耗很低的饋線，分站采用定向天線，需要中繼的分站的定向天線對準(zhǔn)中繼臺，其他不需要中繼的分站天線直接對準(zhǔn)中心站。
(4) 數(shù)傳電臺發(fā)射功率與通訊距離的關(guān)系
很多用戶,特別是初次使用數(shù)傳電臺的用戶為了最經(jīng)濟(jì)、最合理地進(jìn)行設(shè)備選型,會特別關(guān)心發(fā)射功率與通訊距離的關(guān)系。其實這是個比較復(fù)雜的問題，不能一概而論。一般說來，數(shù)傳電臺的通訊距離取決于以下很多因素：如發(fā)射功率、接收靈敏度、抗干擾性能、MODEM解調(diào)靈敏度、數(shù)據(jù)傳輸速率、天線架設(shè)高度、天線增益、饋線損耗、電磁環(huán)境、地形特征、天氣狀況、是否采用中繼等，所以通訊距離是由以上綜合因素決定的，而不僅僅是由功率決定的。
表1是在沒有任何干擾的情況下，在理想的水平大地上，根據(jù)平面大地經(jīng)驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行粗略計算的結(jié)果，所有數(shù)據(jù)僅供用戶在設(shè)備選型時作參考，而并不能作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)來衡量所購產(chǎn)品合格與否。
表1 數(shù)傳電臺發(fā)射功率與通訊距離的關(guān)系一覽表
若要進(jìn)一步增加通訊距離，則首先可考慮增加天線的高度與增益、采用損耗更低的饋線等方法，若還是不能滿足通信距離的要求，則應(yīng)考慮架設(shè)中繼臺，從理論上講，通過不斷的架設(shè)中繼臺，通訊距離可以無限延伸。
3 供電系統(tǒng)方案分析
考慮到用戶提出RTU可能會用在地形較為復(fù)雜的山區(qū)，沒有電源是會經(jīng)常遇到的問題，所以這里采用太陽能供電的方式對該問題加以解決。
(1) 太陽能供電系統(tǒng)工作原理
太陽能供電系統(tǒng)工作原理：白天把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽⑼ㄟ^太陽能電源過充放電控制器將電能存儲在蓄電池中，根據(jù)需要再供給各種直流負(fù)載使用，如果配以逆變器，則可以向交流負(fù)載提供交流電力。
(2) 特點
① 不必拉設(shè)電線、安裝使用方便；
② 太陽能系統(tǒng)一次性投資、經(jīng)濟(jì)實用、長期受益、環(huán)保節(jié)能、造福后代；
③ 性能穩(wěn)定、可靠性高、使用壽命長；
④ 免維護(hù)、無噪聲、無任何污染。
SuperE RTU為用戶提供了一個12VDC的蓄電池接口，可以通過他方便的連接后備蓄電池和太陽能電池板。
(3) 基本組成
一套基本的太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、過充放電控制器和蓄電池構(gòu)成。
① 太陽能電池板的作用是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成直流電，供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。一般根據(jù)用戶需要，將若干太陽電池板按一定方式連接，組成太陽能電池方陣，再配上適當(dāng)?shù)闹Ъ芗敖泳€盒組成。
② 過充放電控制器為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時保護(hù)蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。如果用戶使用直流負(fù)載，通過控制器還能為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電（由于天氣的原因，太陽能電池方陣發(fā)出的直流電壓和電流不是很穩(wěn)定）。
③ 蓄電池組是將太陽能電池直流電貯藏起來，供負(fù)載使用。白天太陽能電池給蓄電池充電（同時太陽能電池還給負(fù)載供電），晚上負(fù)載用電全部由蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高。
(4) 太陽能電池板與蓄電池容量的計算
在設(shè)計太陽能供電系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)實際情況，選擇既經(jīng)濟(jì)又可靠的太陽能電池板和蓄電池。既要防止太陽能電池板和蓄電池在陰雨天容量不夠，達(dá)不到供電目的，又要避免容量過大，造成浪費。
在設(shè)計太陽能供電系統(tǒng)時，首先要明確最終負(fù)載的輸入要求，如電壓、電流或者電功率及每日的持續(xù)工作時間。如有多個負(fù)載，則累計總的耗電量。假如負(fù)載有兩個，分別耗電為F1、F2，每天分別工作時間T1、T2，則一天消耗總能量為Q=F1*T1+F2*T2，其它計算，依此類推。當(dāng)確定了負(fù)載所需的總能量Q后，可分別根據(jù)下面公式計算太陽能電池板容量和蓄電池容量。
① 太陽能電池板容量的計算
太陽電池板功率= 
(1)
② 蓄電池容量的計算
蓄電池容量=
(2)
在公式(1)、(2)中，各系數(shù)含義如下：η1組裝損失因子：0.97；η2為溫度損失因子：0.95；η3為灰塵遮蔽損失：0.93；η4為充放電損失：0.80；η5為輸配電損失：0.95；C為容量系數(shù)：1.1～1.5。
對于常用太陽能供電系統(tǒng)，蓄電池常采用鉛酸蓄電池組，標(biāo)稱電壓一般為12V，放電深度一般控制在30%～80%，自放電率小于5%，充放電效率一般取0.8。
4 結(jié)語
通過計算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控防區(qū)內(nèi)的防空設(shè)備狀態(tài)，在國內(nèi)還鮮有先例。該套系統(tǒng)的正式運(yùn)行不但標(biāo)志著我國聯(lián)防工作又取得了重大進(jìn)展，也是現(xiàn)代化科技部對演練的必然結(jié)果。系統(tǒng)的良好運(yùn)行使部隊節(jié)省了大量的人力物力對人防設(shè)備的維護(hù)和對現(xiàn)場實際情況的勘查，指揮中心統(tǒng)一調(diào)度，集中監(jiān)測，保證了部隊的高速反應(yīng)，更保證了轄區(qū)內(nèi)人民生命財產(chǎn)的安全。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號