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王文杰
由于現代化武器的日新月異，現在世界上很多國家在人防工程的現代化監控上都有了長(cháng)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系統在人防工程中的應用
這是在中國某邊防區域，系統所處地區地形極為復雜，區內設備無(wú)法正常供電；200個(gè)左右的遙測站點(diǎn)，每個(gè)遙測站需要檢測至少一個(gè)標準模擬量信號，系統要求有穩定可靠的通訊解決辦法，不丟數據對系統很重要。
1 系統方案
根據系統要求，筆者考慮在每個(gè)監控子站使用一臺RTU用于對現場(chǎng)就地信號的監測，各子站（約200個(gè)，可以根據實(shí)際情況擴展）通過(guò)與其相連的無(wú)線(xiàn)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據交換。主站系統采用工控PC機作為服務(wù)器和操作員站，實(shí)現對各子站監視與數據采集，通過(guò)TCP/IP協(xié)議組成高速以太網(wǎng)和企業(yè)內部網(wǎng)絡(luò )連接，實(shí)現數據資源的內部共享。系統結構參見(jiàn)圖1。
(1) 指揮中心計算機系統功能
數據采集：對各子站數據點(diǎn)進(jìn)行監測。
報表打?。簩Ψ治龀龅臍v史數據及實(shí)時(shí)數據進(jìn)行定時(shí)和實(shí)時(shí)打印。
故障報警：故障及事件報警通過(guò)畫(huà)面，聲音報警等向值班人人員報警。
(2) 現場(chǎng)測控單元功能
采集數據預處理：對采集上來(lái)的信號濾波和有效性分析。
數據的采集、存儲和傳輸：系統可以檢測模擬和數字信號，并對數據存儲在存儲器內，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將各種信息數據傳輸到上位機。高、低電平信號、各模擬輸入信號掃描速度應滿(mǎn)足掃描時(shí)間要求。測控現場(chǎng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊的方式同上位機交換數據。
報警：數據設定上下限報警功能，數據若超過(guò)上下限，則系統會(huì )產(chǎn)生報警。
記錄：數據有實(shí)時(shí)數據記錄和歷史記錄功能。
圖1 系統結構圖
2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方案分析
(1) 設計思想
通信系統作為SCADA系統安全、高效運行的基礎支撐平臺，其穩定性、可靠性將是影響SCADA系統至關(guān)重要的因素。通信系統設計應包括良好的網(wǎng)絡(luò )規劃、合理的系統結構設計、足夠的信息帶寬估計、安全經(jīng)濟的信道冗余、設備選型、通信軟件設計等多方面工作。
通信技術(shù)作為IT技術(shù)的前沿，發(fā)展非常迅速，其應用已經(jīng)滲透到社會(huì )生活的每一個(gè)角落。為了選擇合理、經(jīng)濟的通信方案，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設計選型的重要因素。通信系統方案設計上，應充分考慮到系統信道能否真正暢通，確保SCADA系統安全、高效運行。
在使用數傳電臺的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，本著(zhù)以下的原則設計解決方案：
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 盡量減少中繼轉發(fā)的級數，減少通訊失敗的損失。
③ 在子站距離中心站過(guò)遠而無(wú)法與中心站直接建立連接時(shí)，需要架設中繼站，并保證其與中心站之間可視。
④ 在子站群所處地理位置復雜，無(wú)法保證中心站與其穩定通訊時(shí)，需要在子站群的至高點(diǎn)架設中繼站，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(shí)，需要在子站群的至高點(diǎn)架設中繼站，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(méi)有相互交叉的情況。
(2) 指揮中心通信系統方案
根據上述分析和實(shí)踐應用經(jīng)驗，筆者設計了以指揮中心熱備數傳電臺為核心進(jìn)行通訊的熱備的無(wú)線(xiàn)通信系統。指揮中心如圖2所示。
圖2 指揮中心示意圖
(3) 中繼方案簡(jiǎn)介
如果無(wú)線(xiàn)數據或話(huà)音通訊系統中某一點(diǎn)或幾點(diǎn)因為通訊距離太遠或高山、建筑物阻隔等原因而需要通過(guò)中繼臺才能與中心站通訊。需要中繼的分站通過(guò)中繼臺與中心站通訊，其他分站直接與中心站通訊，此時(shí)，中心站及中繼臺應采用全向高增益天線(xiàn)及損耗很低的饋線(xiàn)，分站采用定向天線(xiàn)，需要中繼的分站的定向天線(xiàn)對準中繼臺，其他不需要中繼的分站天線(xiàn)直接對準中心站。
(4) 數傳電臺發(fā)射功率與通訊距離的關(guān)系
很多用戶(hù),特別是初次使用數傳電臺的用戶(hù)為了最經(jīng)濟、最合理地進(jìn)行設備選型,會(huì )特別關(guān)心發(fā)射功率與通訊距離的關(guān)系。其實(shí)這是個(gè)比較復雜的問(wèn)題，不能一概而論。一般說(shuō)來(lái)，數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解調靈敏度、數據傳輸速率、天線(xiàn)架設高度、天線(xiàn)增益、饋線(xiàn)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(méi)有任何干擾的情況下，在理想的水平大地上，根據平面大地經(jīng)驗模式進(jìn)行粗略計算的結果，所有數據僅供用戶(hù)在設備選型時(shí)作參考，而并不能作為產(chǎn)品標準來(lái)衡量所購產(chǎn)品合格與否。
表1 數傳電臺發(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(xiàn)的高度與增益、采用損耗更低的饋線(xiàn)等方法，若還是不能滿(mǎn)足通信距離的要求，則應考慮架設中繼臺，從理論上講，通過(guò)不斷的架設中繼臺，通訊距離可以無(wú)限延伸。
3 供電系統方案分析
考慮到用戶(hù)提出RTU可能會(huì )用在地形較為復雜的山區，沒(méi)有電源是會(huì )經(jīng)常遇到的問(wèn)題，所以這里采用太陽(yáng)能供電的方式對該問(wèn)題加以解決。
(1) 太陽(yáng)能供電系統工作原理
太陽(yáng)能供電系統工作原理：白天把光能轉變?yōu)殡娔?，并通過(guò)太陽(yáng)能電源過(guò)充放電控制器將電能存儲在蓄電池中，根據需要再供給各種直流負載使用，如果配以逆變器，則可以向交流負載提供交流電力。
(2) 特點(diǎn)
① 不必拉設電線(xiàn)、安裝使用方便；
② 太陽(yáng)能系統一次性投資、經(jīng)濟實(shí)用、長(cháng)期受益、環(huán)保節能、造福后代；
③ 性能穩定、可靠性高、使用壽命長(cháng)；
④ 免維護、無(wú)噪聲、無(wú)任何污染。
SuperE RTU為用戶(hù)提供了一個(gè)12VDC的蓄電池接口，可以通過(guò)他方便的連接后備蓄電池和太陽(yáng)能電池板。
(3) 基本組成
一套基本的太陽(yáng)能供電系統由太陽(yáng)能電池板、過(guò)充放電控制器和蓄電池構成。
① 太陽(yáng)能電池板的作用是將太陽(yáng)輻射能直接轉換成直流電，供負載使用或存貯于蓄電池內備用。一般根據用戶(hù)需要，將若干太陽(yáng)電池板按一定方式連接，組成太陽(yáng)能電池方陣，再配上適當的支架及接線(xiàn)盒組成。
② 過(guò)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、高效的為蓄電池充電，并在充電過(guò)程中減少損耗、盡量延長(cháng)蓄電池的使用壽命；同時(shí)保護蓄電池，避免過(guò)充電和過(guò)放電現象的發(fā)生。如果用戶(hù)使用直流負載，通過(guò)控制器還能為負載提供穩定的直流電（由于天氣的原因，太陽(yáng)能電池方陣發(fā)出的直流電壓和電流不是很穩定）。
③ 蓄電池組是將太陽(yáng)能電池直流電貯藏起來(lái)，供負載使用。白天太陽(yáng)能電池給蓄電池充電（同時(shí)太陽(yáng)能電池還給負載供電），晚上負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(yáng)能電池板與蓄電池容量的計算
在設計太陽(yáng)能供電系統時(shí)，應根據實(shí)際情況，選擇既經(jīng)濟又可靠的太陽(yáng)能電池板和蓄電池。既要防止太陽(yáng)能電池板和蓄電池在陰雨天容量不夠，達不到供電目的，又要避免容量過(guò)大，造成浪費。
在設計太陽(yáng)能供電系統時(shí)，首先要明確最終負載的輸入要求，如電壓、電流或者電功率及每日的持續工作時(shí)間。如有多個(gè)負載，則累計總的耗電量。假如負載有兩個(gè)，分別耗電為F1、F2，每天分別工作時(shí)間T1、T2，則一天消耗總能量為Q=F1*T1+F2*T2，其它計算，依此類(lèi)推。當確定了負載所需的總能量Q后，可分別根據下面公式計算太陽(yáng)能電池板容量和蓄電池容量。
① 太陽(yáng)能電池板容量的計算
太陽(yáng)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：1.1～1.5。
對于常用太陽(yáng)能供電系統，蓄電池常采用鉛酸蓄電池組，標稱(chēng)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 結語(yǔ)
通過(guò)計算機系統監控防區內的防空設備狀態(tài)，在國內還鮮有先例。該套系統的正式運行不但標志著(zhù)我國聯(lián)防工作又取得了重大進(jìn)展，也是現代化科技部對演練的必然結果。系統的良好運行使部隊節省了大量的人力物力對人防設備的維護和對現場(chǎng)實(shí)際情況的勘查，指揮中心統一調度，集中監測，保證了部隊的高速反應，更保證了轄區內人民生命財產(chǎn)的安全。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號