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（第二屆“安控杯”SCADA/RTU技術與應用征文比賽三等獎作品）

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)被廣泛應用于供水、供電、燃氣、油田等行業(yè)，主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集控制和遠程傳輸。南海發(fā)展股份有限公司在1994年建立了供水調度SCADA系統(tǒng)，多年來在保障安全可靠供水、協(xié)調合理調度、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)控點分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠，個別點還地處偏僻，因此架設光纜、鋪設電纜難度大、不切合實際，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)控點線路難以到達，況且采用電話線路時需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢、運營成本較高，總之SCADA系統(tǒng)采用有線通信方式建設周期長、工作難度大、運行費用高，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、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優(yōu)點。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)星通信由于通信費用昂貴，只在一些特殊的領域下使用，未得以普及；而擴頻通信技術雖然速率高，但只能在視距范圍內(nèi)傳輸，應用也受到限制。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、擴展容易、維修方便、運行費用低等優(yōu)點，但由于系統(tǒng)工作于230MHz且多采用普通間接調制的數(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)上傳到公司調度室時得到體現(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)絡經(jīng)過移動通信部門的多年建設，覆蓋范圍不斷擴大，已成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡，特別是近年來推出的短消息(SMS)、GPRS等新業(yè)務，這使得SCADA系統(tǒng)采用GSM網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

2  GPRS技術的應用及分析

    應用GSM網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸從理論分析和實際應用都是切實可行的。就目前移動通信部門提供的服務而言，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，核心是通過IP轉換技術進行數(shù)據(jù)傳輸。相比之下，采用GPRS技術更具優(yōu)點和前瞻性，符合未來的通信發(fā)展方向。

2.1  GPRS原理及技術特點
    GPRS是通用分組無線業(yè)務General Packet Radio Service的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎上發(fā)展出來的一種新的網(wǎng)絡業(yè)務。GPRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一個無線信道又可以由多個用戶共享，實現(xiàn)資源有效的利用，從而實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。GPRS支持基于標準數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應用，可以實現(xiàn)與IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通。GPRS具有全雙工運作，間隙收發(fā)，永遠在線，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時才占用系統(tǒng)資源，計費方式以數(shù)據(jù)傳輸量為準等特點，由于GPRS的核心層采用IP技術，底層可使用多種傳輸技術，這使得它較易實現(xiàn)端到端的、廣域的無線IP連接，以實現(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基站進行通信，隨即登陸上GSM網(wǎng)絡，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服務支持節(jié)點（SGSN），而不是通過移動交換中心（MSC）連接到語音網(wǎng)絡上。SGSN與GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點（GGSN）進行通信；GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡，如因特網(wǎng)或X.25網(wǎng)絡。

    來自因特網(wǎng)標識有移動電話或終端地址的IP包，由GGSN接收，再轉發(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)絡構成示意圖

    GPRS的技術特點如下：
    (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用戶的計費以通信的數(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。實際上，GPRS用戶的連接時間可能長達數(shù)小時，卻只需支付相對低廉的連接費用。

    (2)  傳輸速率高 GPRS可提供高達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，同時也使一些對傳輸速率敏感的移動多媒體應用成為可能。

    (3)  接入時間短 分組交換接入時間縮短為少于1秒，能提供快速即時的連接，可大幅度提高遠程監(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)上應用最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議。而且由于GSM網(wǎng)絡覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其它分組網(wǎng)絡的全球性無線接入。

2.2  利用GPRS來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸
    基于GPRS技術的SCADA系統(tǒng)是以GSM為網(wǎng)絡平臺，充分利用了GPRS的技術特點和優(yōu)勢，實現(xiàn)高速、永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。網(wǎng)絡系統(tǒng)構成如圖2所示。

    該系統(tǒng)目前已投入運行階段，運行效果良好，數(shù)據(jù)發(fā)送接收穩(wěn)定、快速、可靠，完全能滿足實際工作要求，是SCADA系統(tǒng)較理想的組網(wǎng)選擇。相信隨著時代的發(fā)展、科技的進步、數(shù)據(jù)通信業(yè)務的高速發(fā)展，無線IP通信技術業(yè)務會越漸成熟,越顯優(yōu)勢，會得到廣泛的普及和應用。