GSM網絡通信在SCADA系統中的應用

2019-11-03 09:13:02

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供稿：網友

鐘福宏　曾慶樣　崔志斌

南海發展股份有限公司

　　摘要本文對目前供水調度SCADA系統中可用的幾種通信方式進行簡要的比較，并就SCADA系統中采用GPRS作為傳輸信道的技術特點、技術原理、系統優缺點、運營費用等方面進行論述。

　　關鍵詞 SCADA 數傳擴頻通信 GSM短信 GPRS

1 概述

　　SCADA（Supervisory Control and Data Acquis -tion）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。本公司在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。

　　目前供水調度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、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，所以，目前國內SCADA系統普遍采用230MHz頻段的數傳電臺作為傳輸信道，本公司的SCADA供水調度系統也是采用了這種通信方式。

　　采用超短波數傳電臺作為傳輸信道的是組網靈活、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，這在本公司第二水廠生產數據上傳到公司調度室時得到驗證，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，超短波通信方式正面臨著越來越大的挑戰，而GSM網絡經過電信部門的多年建設，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業務（SMS）、GPRS等新業務，使SCADA系統采用GSM網絡來進行數據傳輸成為可能。

2 GSM網絡在SCADA系統中的應用

　　這里講的GSM網絡指的是①GSM網絡（包括目前中國移動和中國聯通），②GPRS網絡，③CDMA網絡。其中GPRS網絡和CDMA網絡原理類似，均采用ip通信技術，而借助GSM網絡則采用短信服務。相比之下，采用GPRS和CDMA網絡則更具優點和前瞻性，下面就以GPRS網絡為例作一說明。

2.1 GPRS原理及技術特點

　　GPRS（General Packet Radio Service）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。

2.2 利用GPRS來實現SCADA系統的數據傳輸

　　由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，因此，在SCADA系統的主站應該具有一臺具備固定IP地址的主機，各個端站的GPRS模塊和該主機進行通信。

　　具體來說， GPRS數據通信過程如下：

　　（1）現場監控點通過數據采集模塊將如壓力、流量等數據存儲到內存，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錄網絡并具有IP地址的GPRS模塊，后通過數據編碼并有指向地發送到GSM網絡。

　?。?）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IP地址。

　?。?）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 應用GPRS網絡的優勢

　　1. 信號覆蓋范圍廣

　　GSM網絡經過多年的建設，目前網絡信號可說是無孔不入，基本不存在盲區，理論上只要有信號的地方，就可以實現SCADA監控，與之相比的超短波則只有方圓30多公里。

　　2. 數據傳送速率高

　　GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，實際應用時可能會偏低些，而目前一般的超短波數傳電臺傳送速率多為2.4kbit/s或更低。

　　3. 通信質量可靠，誤碼率低

　　利用GSM成熟網絡，數據傳送的可靠性和穩定性得到有力的保證，同時隨著其業務的發展，相信其在質量上會做得更好。

　　4. 建設周期短

　　利用現有GSM網絡，我們只需安裝好設備就可以，不用考慮其他因素，采用超短波通信時要充分考慮現場和附近環境，同時其附屬設備要跟得上。

　　5. 安裝調試簡單方便

　　利用現有成熟GSM網絡，系統投入運行時基本不需要調試（只要技術可行，網絡暢通），而且安裝簡捷。采用超短波通信時安裝調試工作量大，要有選擇地選址，測試現場信號，架設天線鐵架，調試天線角度方向等諸多工作。

2.4 應用GPRS網絡的不足

　　1. 對電信部門有依賴性

　　因為系統建設運行需借助GSM網絡，這就造成我們SCADA系統的數據通信受到電信部門的制約，雖說目前GSM網絡發展得比較成熟，但有時也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。而采用超短波通信組建自身網絡系統，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

　　鑒于目前電信部門的資費，該系統的運營成本在端站數量較少時略微偏高。

2.5 系統運營成本分析

　　構成系統運行成本主要有兩方面（參考本地資費）：

　?。?）系統服務器端的靜態IP地址租用費；

　　（2）系統收發數據的流量。租用靜態IP目前而言是比較高，約800~1500元/月，而系統流量費用目前有包月制和按數據量兩種收費方式，按流量計算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系統的實際數據量，估計日后其費用會逐步降低。

3 結束語

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通信技術業務變得越漸成熟,會越顯優勢，會得到廣泛普及和應用。

----《中國數據通信》