GSM網(wǎng)絡(luò)通信在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

2019-11-03 09:13:02

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供稿：網(wǎng)友

鐘福宏　曾慶樣　崔志斌

南海發(fā)展股份有限公司

　　摘要本文對目前供水調(diào)度SCADA系統(tǒng)中可用的幾種通信方式進(jìn)行簡要的比較，并就SCADA系統(tǒng)中采用GPRS作為傳輸信道的技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)原理、系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)、運(yùn)營費(fèi)用等方面進(jìn)行論述。

　　關(guān)鍵詞 SCADA 數(shù)傳擴(kuò)頻通信 GSM短信 GPRS

1 概述

　　SCADA（Supervisory Control and Data Acquis -tion）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)?、油田等行業(yè)，主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集控制和遠(yuǎn)程傳輸。本公司在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。

　　目前供水調(diào)度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、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，所以，目前國內(nèi)SCADA系統(tǒng)普遍采用230MHz頻段的數(shù)傳電臺作為傳輸信道，本公司的SCADA供水調(diào)度系統(tǒng)也是采用了這種通信方式。

　　采用超短波數(shù)傳電臺作為傳輸信道的是組網(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，這在本公司第二水廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到公司調(diào)度室時(shí)得到驗(yàn)證，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，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)過電信部門的多年建設(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業(yè)務(wù)（SMS）、GPRS等新業(yè)務(wù)，使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 GSM網(wǎng)絡(luò)在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　這里講的GSM網(wǎng)絡(luò)指的是①GSM網(wǎng)絡(luò)（包括目前中國移動和中國聯(lián)通），②GPRS網(wǎng)絡(luò)，③CDMA網(wǎng)絡(luò)。其中GPRS網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)原理類似，均采用ip通信技術(shù)，而借助GSM網(wǎng)絡(luò)則采用短信服務(wù)。相比之下，采用GPRS和CDMA網(wǎng)絡(luò)則更具優(yōu)點(diǎn)和前瞻性，下面就以GPRS網(wǎng)絡(luò)為例作一說明。

2.1 GPRS原理及技術(shù)特點(diǎn)

　　GPRS（General Packet Radio Service）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)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。

2.2 利用GPRS來實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸

　　由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，因此，在SCADA系統(tǒng)的主站應(yīng)該具有一臺具備固定IP地址的主機(jī)，各個(gè)端站的GPRS模塊和該主機(jī)進(jìn)行通信。

　　具體來說， GPRS數(shù)據(jù)通信過程如下：

　　（1）現(xiàn)場監(jiān)控點(diǎn)通過數(shù)據(jù)采集模塊將如壓力、流量等數(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)送到已登錄網(wǎng)絡(luò)并具有IP地址的GPRS模塊，后通過數(shù)據(jù)編碼并有指向地發(fā)送到GSM網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）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IP地址。

　?。?）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 應(yīng)用GPRS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

　　1. 信號覆蓋范圍廣

　　GSM網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的建設(shè)，目前網(wǎng)絡(luò)信號可說是無孔不入，基本不存在盲區(qū)，理論上只要有信號的地方，就可以實(shí)現(xiàn)SCADA監(jiān)控，與之相比的超短波則只有方圓30多公里。

　　2. 數(shù)據(jù)傳送速率高

　　GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送速率理論上可達(dá)171.2kbit/s，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能會偏低些，而目前一般的超短波數(shù)傳電臺傳送速率多為2.4kbit/s或更低。

　　3. 通信質(zhì)量可靠，誤碼率低

　　利用GSM成熟網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳送的可靠性和穩(wěn)定性得到有力的保證，同時(shí)隨著其業(yè)務(wù)的發(fā)展，相信其在質(zhì)量上會做得更好。

　　4. 建設(shè)周期短

　　利用現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)，我們只需安裝好設(shè)備就可以，不用考慮其他因素，采用超短波通信時(shí)要充分考慮現(xiàn)場和附近環(huán)境，同時(shí)其附屬設(shè)備要跟得上。

　　5. 安裝調(diào)試簡單方便

　　利用現(xiàn)有成熟GSM網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)基本不需要調(diào)試（只要技術(shù)可行，網(wǎng)絡(luò)暢通），而且安裝簡捷。采用超短波通信時(shí)安裝調(diào)試工作量大，要有選擇地選址，測試現(xiàn)場信號，架設(shè)天線鐵架，調(diào)試天線角度方向等諸多工作。

2.4 應(yīng)用GPRS網(wǎng)絡(luò)的不足

　　1. 對電信部門有依賴性

　　因?yàn)橄到y(tǒng)建設(shè)運(yùn)行需借助GSM網(wǎng)絡(luò)，這就造成我們SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信受到電信部門的制約，雖說目前GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得比較成熟，但有時(shí)也存在網(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。而采用超短波通信組建自身網(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

　　鑒于目前電信部門的資費(fèi)，該系統(tǒng)的運(yùn)營成本在端站數(shù)量較少時(shí)略微偏高。

2.5 系統(tǒng)運(yùn)營成本分析

　　構(gòu)成系統(tǒng)運(yùn)行成本主要有兩方面（參考本地資費(fèi)）：

　?。?）系統(tǒng)服務(wù)器端的靜態(tài)IP地址租用費(fèi)；

　?。?）系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)的流量。租用靜態(tài)IP目前而言是比較高，約800~1500元/月，而系統(tǒng)流量費(fèi)用目前有包月制和按數(shù)據(jù)量兩種收費(fèi)方式，按流量計(jì)算0.03元/kbyte，而包月制20元/月有1024 kBytes流量，已滿足本公司目前SCADA系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)量，估計(jì)日后其費(fèi)用會逐步降低。

3 結(jié)束語

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)變得越漸成熟,會越顯優(yōu)勢，會得到廣泛普及和應(yīng)用。

----《中國數(shù)據(jù)通信》