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（第二屆“安控杯”SCADA/RTU技術(shù)與應(yīng)用征文比賽三等獎(jiǎng)作品）
鐘福宏
1 概述
SCADA是英文Supervisory Control and Data Acquistion的縮寫，意即“監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，該系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于供水、供電、燃?xì)狻⒂吞锏刃袠I(yè)，主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集控制和遠(yuǎn)程傳輸。南海發(fā)展股份有限公司在1994年建立了供水調(diào)度SCADA系統(tǒng)，多年來在保障安全可靠供水、協(xié)調(diào)合理調(diào)度、保證公司利益等多方面發(fā)揮了重要的作用。
目前SCADA系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)通信可簡單分為有線和無線兩大類，其中有線通信主要包括架設(shè)光纜、電纜或租用電信電話線、X.25、DDN、ADSL等，而無線則包括超短波通信、擴(kuò)頻通信、衛(wèi)星通信、GSM 短信/GPRS通信等。在供水行業(yè)，由于各管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，個(gè)別點(diǎn)還地處偏僻，因此架設(shè)光纜、鋪設(shè)電纜難度大、不切合實(shí)際，向電信部門租用專用電話線又要申請很多電話線，而且有些監(jiān)控點(diǎn)線路難以到達(dá)，況且采用電話線路時(shí)需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢、運(yùn)營成本較高，總之SCADA系統(tǒng)采用有線通信方式建設(shè)周期長、工作難度大、運(yùn)行費(fèi)用高，不便于大規(guī)模使用；與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，它具有投資較少、建設(shè)周期短、運(yùn)行維護(hù)簡單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。在SCADA系統(tǒng)中，無線通信方式主要包括：超短波（230MHz）無線數(shù)傳、擴(kuò)頻（2.4G、5.8G）、衛(wèi)星通信、GSM數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)等，其中衛(wèi)星通信由于通信費(fèi)用昂貴，只在一些特殊的領(lǐng)域下使用，未得以普及；而擴(kuò)頻通信技術(shù)雖然速率高，但只能在視距范圍內(nèi)傳輸，應(yīng)用也受到限制。因此目前國內(nèi)SCADA系統(tǒng)較普遍采用 230MHz頻段的數(shù)傳電臺作為傳輸信道。
采用超短波數(shù)傳電臺作為傳輸信道具有組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、維修方便、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但由于系統(tǒng)工作于230MHz且多采用普通間接調(diào)制的數(shù)傳電臺，這就造成系統(tǒng)易受外界干擾、通信速率低、誤碼率高、數(shù)據(jù)傳送量不大、信號覆蓋范圍小等先天不足，這在該公司第二水廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到公司調(diào)度室時(shí)得到體現(xiàn)，目前已改為DDN專線傳輸方式。隨著城市現(xiàn)代化、工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，傳統(tǒng)的超短波通信方式正面臨著越來越大的挑戰(zhàn)，而GSM網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過移動通信部門的多年建設(shè)，覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，已成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，特別是近年來推出的短消息(SMS)、GPRS等新業(yè)務(wù)，這使得SCADA系統(tǒng)采用GSM網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成為可能。
2 GPRS技術(shù)的應(yīng)用及分析
應(yīng)用GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸從理論分析和實(shí)際應(yīng)用都是切實(shí)可行的。就目前移動通信部門提供的服務(wù)而言，可分為兩種方式：① 短消息（SMS），通過撥打終端號碼而獲取數(shù)據(jù)資料短消息；② GPRS技術(shù)，核心是通過IP轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。相比之下，采用GPRS技術(shù)更具優(yōu)點(diǎn)和前瞻性，符合未來的通信發(fā)展方向。
2.1 GPRS原理及技術(shù)特點(diǎn)
GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)General Packet Radio Service的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種新的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一個(gè)無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，實(shí)現(xiàn)資源有效的利用，從而實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。GPRS支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)與IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通。GPRS具有全雙工運(yùn)作，間隙收發(fā)，永遠(yuǎn)在線，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才占用系統(tǒng)資源，計(jì)費(fèi)方式以數(shù)據(jù)傳輸量為準(zhǔn)等特點(diǎn)，由于GPRS的核心層采用IP技術(shù)，底層可使用多種傳輸技術(shù)，這使得它較易實(shí)現(xiàn)端到端的、廣域的無線IP連接，以實(shí)現(xiàn)某種特定功能。
具備GPRS功能的移動電話或終端通過無線方式與GSM基站進(jìn)行通信，隨即登陸上GSM網(wǎng)絡(luò)，但與電路交換式數(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN），而不是通過移動交換中心（MSC）連接到語音網(wǎng)絡(luò)上。SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）進(jìn)行通信；GGSN對分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如因特網(wǎng)或X.25網(wǎng)絡(luò)。
來自因特網(wǎng)標(biāo)識有移動電話或終端地址的IP包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到指定的移動電話或終端上，如圖1所示。
圖1 GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成示意圖
GPRS的技術(shù)特點(diǎn)如下：
(1) 資源利用率高 GPRS引入了分組交換的傳輸模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個(gè)用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率。GPRS用戶的計(jì)費(fèi)以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，體現(xiàn)了“得到多少、支付多少”的原則。實(shí)際上，GPRS用戶的連接時(shí)間可能長達(dá)數(shù)小時(shí)，卻只需支付相對低廉的連接費(fèi)用。
(2) 傳輸速率高 GPRS可提供高達(dá)115Kbps的傳輸速率（最高值為171.2Kbps）。這使得GPRS終端用戶能和ISDN用戶一樣快速地上網(wǎng)瀏覽，同時(shí)也使一些對傳輸速率敏感的移動多媒體應(yīng)用成為可能。
(3) 接入時(shí)間短 分組交換接入時(shí)間縮短為少于1秒，能提供快速即時(shí)的連接，可大幅度提高遠(yuǎn)程監(jiān)控等工作的效率。
(4) 支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議 GPRS支持因特網(wǎng)上應(yīng)用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議。而且由于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其它分組網(wǎng)絡(luò)的全球性無線接入。
2.2 利用GPRS來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸
基于GPRS技術(shù)的SCADA系統(tǒng)是以GSM為網(wǎng)絡(luò)平臺，充分利用了GPRS的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
(1) 基本工作原理
在GPRS模塊上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，在應(yīng)用程序端安裝數(shù)據(jù)中心軟件，數(shù)據(jù)中心擁有固定的IP地址(或域名)，GPRS模塊登陸上GSM網(wǎng)絡(luò)后，自動連接到數(shù)據(jù)中心，向數(shù)據(jù)中心報(bào)告其IP地址，并保持和維護(hù)鏈路的連接，GPRS模塊監(jiān)測鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動重新建立鏈路，數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊之間就可以通過IP地址用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
(2) 數(shù)據(jù)通信過程
① 現(xiàn)場監(jiān)控點(diǎn)通過數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存，當(dāng)接收到命令數(shù)據(jù)時(shí)，通過接口電路，將帶時(shí)間標(biāo)簽的數(shù)據(jù)發(fā)送到已登陸網(wǎng)絡(luò)并具有IP地址的GPRS模塊，后通過數(shù)據(jù)編碼并由指向地發(fā)送到GSM網(wǎng)絡(luò)。
② 數(shù)據(jù)經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，最終傳送到公網(wǎng)中用戶服務(wù)器IP地址。
③ 服務(wù)器接受到數(shù)據(jù)后，通過公司內(nèi)部網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到SCADA系統(tǒng)，后通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。
2.3 系統(tǒng)應(yīng)用GPRS技術(shù)的優(yōu)勢
(1) 永遠(yuǎn)在線 GPRS 模塊一開機(jī)就能自動附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)，具有很高的實(shí)時(shí)性。
(2) 按流量計(jì)費(fèi) GPRS 模塊一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費(fèi)用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時(shí)不收費(fèi)用。
(3) 高速傳輸、誤碼率低 GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度最快將達(dá)到160Kbps，速率的高低取決于移動運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，根據(jù)中國移動的網(wǎng)絡(luò)情況，目前可提供20~40Kbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。
(4) 組網(wǎng)簡單、迅速、靈活 系統(tǒng)可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)，接入便利，節(jié)省接入投資。
(5) 通信鏈路由專業(yè)運(yùn)營商維護(hù) 由于采用中國移動的GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此鏈路維護(hù)也由中國移動負(fù)責(zé)，免除通信鏈路維護(hù)的后顧之憂。
2.4 系統(tǒng)應(yīng)用GPRS技術(shù)的不足
(1) 對移動通信部門有依賴性
因?yàn)橄到y(tǒng)建設(shè)運(yùn)行需借助GSM網(wǎng)絡(luò)，這就造成SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信受到移動通信部門的制約，目前GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的比較成熟，但有時(shí)亦存在網(wǎng)絡(luò)繁忙堵塞或意想不到的事情發(fā)生，這會對系統(tǒng)數(shù)據(jù)造成中斷，影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理。而采用超短波通訊組建自身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可利用自身技術(shù)力量對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修復(fù)而不需借助第三方，在工作中處于主動。
(2) 運(yùn)行成本相對較高
鑒于目前資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)的運(yùn)營成本在端站數(shù)量較少時(shí)略微偏高。
3 結(jié)語
該系統(tǒng)目前已投入運(yùn)行階段，運(yùn)行效果良好，數(shù)據(jù)發(fā)送接收穩(wěn)定、快速、可靠，完全能滿足實(shí)際工作要求，是SCADA系統(tǒng)較理想的組網(wǎng)選擇。相信隨著時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步、數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，無線IP通信技術(shù)業(yè)務(wù)會越漸成熟,越顯優(yōu)勢，會得到廣泛的普及和應(yīng)用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號