（第二屆“安控杯”SCADA/RTU技術(shù)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(xiě)，意即“監視控制和數據采集系統”，該系統被廣泛應用于供水、供電、燃氣、油田等行業(yè)，主要功能是完成數據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，多年來(lái)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系統中采用的數據通信可簡(jiǎn)單分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩大類(lèi)，其中有線(xiàn)通信主要包括架設光纜、電纜或租用電信電話(huà)線(xiàn)、X.25、DDN、ADSL等，而無(wú)線(xiàn)則包括超短波通信、擴頻通信、衛星通信、GSM 短信/GPRS通信等。在供水行業(yè)，由于各管網(wǎng)監控點(diǎn)分布范圍廣、數量多、距離遠，個(gè)別點(diǎn)還地處偏僻，因此架設光纜、鋪設電纜難度大、不切合實(shí)際，向電信部門(mén)租用專(zhuān)用電話(huà)線(xiàn)又要申請很多電話(huà)線(xiàn)，而且有些監控點(diǎn)線(xiàn)路難以到達，況且采用電話(huà)線(xiàn)路時(shí)需要等待漫長(cháng)的電話(huà)撥號過(guò)程，速度慢、運營(yíng)成本較高，總之SCADA系統采用有線(xiàn)通信方式建設周期長(cháng)、工作難度大、運行費用高，不便于大規模使用；與之相比，無(wú)線(xiàn)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(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。在SCADA系統中，無(wú)線(xiàn)通信方式主要包括：超短波（230MHz）無(wú)線(xiàn)數傳、擴頻（2.4G、5.8G）、衛星通信、GSM數字蜂窩通信系統等，其中衛星通信由于通信費用昂貴，只在一些特殊的領(lǐng)域下使用，未得以普及；而擴頻通信技術(shù)雖然速率高，但只能在視距范圍內傳輸，應用也受到限制。因此目前國內SCADA系統較普遍采用 230MHz頻段的數傳電臺作為傳輸信道。

    采用超短波數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(diǎn)，但由于系統工作于230MHz且多采用普通間接調制的數傳電臺，這就造成系統易受外界干擾、通信速率低、誤碼率高、數據傳送量不大、信號覆蓋范圍小等先天不足，這在該公司第二水廠(chǎng)生產(chǎn)數據上傳到公司調度室時(shí)得到體現，目前已改為DDN專(zhuān)線(xiàn)傳輸方式。隨著(zhù)城市現代化、工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，傳統的超短波通信方式正面臨著(zhù)越來(lái)越大的挑戰，而GSM網(wǎng)絡(luò )經(jīng)過(guò)移動(dòng)通信部門(mén)的多年建設，覆蓋范圍不斷擴大，已成為成熟、穩定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò )，特別是近年來(lái)推出的短消息(SMS)、GPRS等新業(yè)務(wù)，這使得SCADA系統采用GSM網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行數據傳輸成為可能。

2  GPRS技術(shù)的應用及分析

    應用GSM網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸從理論分析和實(shí)際應用都是切實(shí)可行的。就目前移動(dòng)通信部門(mén)提供的服務(wù)而言，可分為兩種方式：① 短消息（SMS），通過(guò)撥打終端號碼而獲取數據資料短消息；② GPRS技術(shù)，核心是通過(guò)IP轉換技術(shù)進(jìn)行數據傳輸。相比之下，采用GPRS技術(shù)更具優(yōu)點(diǎn)和前瞻性，符合未來(lái)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(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)General Packet Radio Service的英文簡(jiǎn)稱(chēng)，是在現有GSM系統基礎上發(fā)展出來(lái)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(hù)可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，同一個(gè)無(wú)線(xiàn)信道又可以由多個(gè)用戶(hù)共享，實(shí)現資源有效的利用，從而實(shí)現高速率數據傳輸。GPRS支持基于標準數據通信協(xié)議的應用，可以實(shí)現與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(xiàn)，只有在收發(fā)數據時(shí)才占用系統資源，計費方式以數據傳輸量為準等特點(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)現端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接，以實(shí)現某種特定功能。

    具備GPRS功能的移動(dòng)電話(huà)或終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式與GSM基站進(jìn)行通信，隨即登陸上GSM網(wǎng)絡(luò )，但與電路交換式數據呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到GPRS服務(wù)支持節點(diǎn)（SGSN），而不是通過(guò)移動(dòng)交換中心（MSC）連接到語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò )上。SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節點(diǎn)（GGSN）進(jìn)行通信；GGSN對分組數據進(jìn)行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò )，如因特網(wǎng)或X.25網(wǎng)絡(luò )。

    來(lái)自因特網(wǎng)標識有移動(dòng)電話(huà)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(dòng)電話(huà)或終端上，如圖1所示。

圖1  GPRS網(wǎng)絡(luò )構成示意圖

    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(hù)只有在發(fā)送或接收數據期間才占用資源，這意味著(zhù)多個(gè)用戶(hù)可高效率地共享同一無(wú)線(xiàn)信道，從而提高了資源的利用率。GPRS用戶(hù)的計費以通信的數據量為主要依據，體現了“得到多少、支付多少”的原則。實(shí)際上，GPRS用戶(hù)的連接時(shí)間可能長(cháng)達數小時(shí)，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(hù)能和ISDN用戶(hù)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(dòng)多媒體應用成為可能。

    (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，可大幅度提高遠程監控等工作的效率。

    (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(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(wú)線(xiàn)接入。

2.2  利用GPRS來(lái)實(shí)現數據傳輸
    基于GPRS技術(shù)的SCADA系統是以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)現高速、永遠在線(xiàn)、透明數據傳輸的數據通信網(wǎng)絡(luò )系統。網(wǎng)絡(luò )系統構成如圖2所示。

    該系統目前已投入運行階段，運行效果良好，數據發(fā)送接收穩定、快速、可靠，完全能滿(mǎn)足實(shí)際工作要求，是SCADA系統較理想的組網(wǎng)選擇。相信隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步、數據通信業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)IP通信技術(shù)業(yè)務(wù)會(huì )越漸成熟,越顯優(yōu)勢，會(huì )得到廣泛的普及和應用。