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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，主要功能是完成數據的采集控制和遠程傳輸。南海發展股份有限公司在1994年建立了供水調度SCADA系統，多年來在保障安全可靠供水、協調合理調度、保證公司利益等多方面發揮了重要的作用。
目前SCADA系統中采用的數據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、衛星通信、GSM 短信/GPRS通信等。在供水行業，由于各管網監控點分布范圍廣、數量多、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、性價比高等優點。在SCADA系統中，無線通信方式主要包括：超短波（230MHz）無線數傳、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靈活、擴展容易、維修方便、運行費用低等優點，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生產數據上傳到公司調度室時得到體現，目前已改為DDN專線傳輸方式。隨著城市現代化、工業化進程的發展，傳統的超短波通信方式正面臨著越來越大的挑戰，而GSM網絡經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、穩定、可靠的通信網絡，特別是近年來推出的短消息(SMS)、GPRS等新業務，這使得SCADA系統采用GSM網絡來進行數據傳輸成為可能。
2 GPRS技術的應用及分析
應用GSM網絡進行數據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據資料短消息；② GPRS技術，核心是通過IP轉換技術進行數據傳輸。相比之下，采用GPRS技術更具優點和前瞻性，符合未來的通信發展方向。
2.1 GPRS原理及技術特點
GPRS是通用分組無線業務General Packet Radio Service的英文簡稱，是在現有GSM系統基礎上發展出來的一種新的網絡業務。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，實現資源有效的利用，從而實現高速率數據傳輸。GPRS支持基于標準數據通信協議的應用，可以實現與IP網、X.25網互聯互通。GPRS具有全雙工運作，間隙收發，永遠在線，只有在收發數據時才占用系統資源，計費方式以數據傳輸量為準等特點，由于GPRS的核心層采用IP技術，底層可使用多種傳輸技術，這使得它較易實現端到端的、廣域的無線IP連接，以實現某種特定功能。
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網絡，但與電路交換式數據呼叫不同，GPRS分組是從基站發送到GPRS服務支持節點（SGSN），而不是通過移動交換中心（MSC）連接到語音網絡上。SGSN與GPRS網關支持節點（GGSN）進行通信；GGSN對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如因特網或X.25網絡。
來自因特網標識有移動電話或終端地址的IP包，由GGSN接收，再轉發到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，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，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據量為主要依據，體現了“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控等工作的效率。
(4) 支持IP協議和X.25協議 GPRS支持因特網上應用最廣泛的IP協議和X.25協議。而且由于GSM網絡覆蓋面廣，使得GPRS能提供Internet和其它分組網絡的全球性無線接入。
2.2 利用GPRS來實現數據傳輸
基于GPRS技術的SCADA系統是以GSM為網絡平臺，充分利用了GPRS的技術特點和優勢，實現高速、永遠在線、透明數據傳輸的數據通信網絡系統。網絡系統構成如圖2所示。
圖2 系統構成示意圖
(1) 基本工作原理
在GPRS模塊上實現TCP/IP協議，在應用程序端安裝數據中心軟件，數據中心擁有固定的IP地址(或域名)，GPRS模塊登陸上GSM網絡后，自動連接到數據中心，向數據中心報告其IP地址，并保持和維護鏈路的連接，GPRS模塊監測鏈路的連接情況，一旦發生異常，GPRS模塊自動重新建立鏈路，數據中心和GPRS模塊之間就可以通過IP地址用TCP/IP協議進行雙向通信，實現透明的、可靠的數據傳輸。
(2) 數據通信過程
① 現場監控點通過數據采集模塊將數據存儲到內存，當接收到命令數據時，通過接口電路，將帶時間標簽的數據發送到已登陸網絡并具有IP地址的GPRS模塊，后通過數據編碼并由指向地發送到GSM網絡。
② 數據經GSM網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，最終傳送到公網中用戶服務器IP地址。
③ 服務器接受到數據后，通過公司內部網將數據傳送到SCADA系統，后通過系統軟件對數據進行還原顯示，同時將數據存儲到數據庫中。
2.3 系統應用GPRS技術的優勢
(1) 永遠在線 GPRS 模塊一開機就能自動附著到GPRS網絡上，并與數據中心建立通信鏈路，隨時收發用戶數據設備的數據，具有很高的實時性。
(2) 按流量計費 GPRS 模塊一直在線，按照接收和發送數據包的數量來收取費用，沒有數據流量的傳遞時不收費用。
(3) 高速傳輸、誤碼率低 GPRS網絡的傳輸速度最快將達到160Kbps，速率的高低取決于移動運營商的網絡設置，根據中國移動的網絡情況，目前可提供20~40Kbps的穩定數據傳輸。
(4) 組網簡單、迅速、靈活 系統可以通過Internet網絡隨時隨地的構建覆蓋全中國的虛擬移動數據通信專用網絡，接入便利，節省接入投資。
(5) 通信鏈路由專業運營商維護 由于采用中國移動的GPRS 數據業務，因此鏈路維護也由中國移動負責，免除通信鏈路維護的后顧之憂。
2.4 系統應用GPRS技術的不足
(1) 對移動通信部門有依賴性
因為系統建設運行需借助GSM網絡，這就造成SCADA系統的數據通信受到移動通信部門的制約，目前GSM網絡發展的比較成熟，但有時亦存在網絡繁忙堵塞或意想不到的事情發生，這會對系統數據造成中斷，影響系統的數據分析處理。而采用超短波通訊組建自身網絡系統，當系統發生故障時，可利用自身技術力量對網絡進行修復而不需借助第三方，在工作中處于主動。
(2) 運行成本相對較高
鑒于目前資費標準，該系統的運營成本在端站數量較少時略微偏高。
3 結語
該系統目前已投入運行階段，運行效果良好，數據發送接收穩定、快速、可靠，完全能滿足實際工作要求，是SCADA系統較理想的組網選擇。相信隨著時代的發展、科技的進步、數據通信業務的高速發展，無線IP通信技術業務會越漸成熟,越顯優勢，會得到廣泛的普及和應用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號