1 概述
SCADA是英文Supervisory Control and Data Acquistion的縮寫,意即“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、燃氣、油田等行業(yè),主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集控制和遠程傳輸。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)控點分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠、個別點還地處偏僻,因此架設(shè)光纜、鋪設(shè)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(jiān)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(tǒng)采用有線通信方式建設(shè)周期長、工作難度大、運行費用高,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、運行維護簡單、性價比高等優(yōu)點。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、擴頻(2.4G、5.8G)、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(nèi)傳輸,應(yīng)用也受到限制。因此目前國內(nèi)SCADA系統(tǒng)較普遍采用 230MHZ頻段的數(shù)傳電臺作為傳輸信道。
采用超短波數(shù)傳電臺作為傳輸信道的是組網(wǎng)靈活、擴展容易、維修方便、運行費用低等優(yōu)點,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)度室時得到驗證,目前已改為DDN專線傳輸方式。隨著城市現(xiàn)代化、工業(yè)化進程的發(fā)展,傳統(tǒng)的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)過移動通信部門的多年建設(shè),覆蓋范圍不斷擴大,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(SMS)、GPRS等新業(yè)務(wù),這使得SCADA系統(tǒng)采用GSM網(wǎng)絡(luò)來進行數(shù)據(jù)傳輸成為可能。
2 GPRS技術(shù)的應(yīng)用及分析
應(yīng)用GSM網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸從理論分析和實際應(yīng)用都是切實可行的。就目前移動通信部門提供的服務(wù)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(shù)據(jù)資料短消息;②GPRS技術(shù),核心是通過IP轉(zhuǎn)換技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。相比較下,采用GPRS技術(shù)更具優(yōu)點和前瞻性,符合未來的通信發(fā)展方向。下面就以GPRS技術(shù)為例作說明:
2.1 GPRS原理及技術(shù)特點
GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)general packet radio service的英文簡稱,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(xiàn)資源有效的利用,從而實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。GPRS支持基于標準數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用,可以實現(xiàn)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,只有在收發(fā)數(shù)據(jù)才占用系統(tǒng)資源,計費方式以數(shù)據(jù)傳輸量為準等特點,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),這使得它較易實現(xiàn)端到端的、廣域的無線IP連接,以實現(xiàn)某種特定功能。
圖(一)、GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成示意圖
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(wǎng)絡(luò),但與電路交換式數(shù)據(jù)呼叫不同,GPRS分組是從基站發(fā)送到GPRS服務(wù)支持節(jié)點(SGSN),而不是通過移動交換中心(MSC)連接到語音網(wǎng)絡(luò)上。SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(GGSN)進行通信;GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應(yīng)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)。
來自因特網(wǎng)標識有移動電話或終端地址的IP包,由GGSN接收,再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN,繼而傳送到指定的移動電話或終端上。
2.1.1 GPRS的技術(shù)特點
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(fā)送或接收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量為主要依據(jù),體現(xiàn)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(shù)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115kbit/s的傳輸速率(最高值為171.2kbit/s)。這使得GPRS終端用戶能和ISDN用戶一樣快速地上網(wǎng)瀏覽,同時也使一些對傳輸速率敏感的移動多媒體應(yīng)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(jiān)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(yīng)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)的全球性無線接入。
2.2 利用GPRS來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸
基于GPRS技術(shù)的SCADA系統(tǒng)是以GSM為網(wǎng)絡(luò)平臺,充分利用了GPRS的技術(shù)特點和優(yōu)勢,實現(xiàn)高速、永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
圖(二)、系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
2.2.1 基本工作原理:
在GPRS模塊上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議,在應(yīng)用程序端安裝數(shù)據(jù)中心軟件,數(shù)據(jù)中心擁有固定的IP地址(或域名),GPRS模塊登陸上GSM網(wǎng)絡(luò)后,自動連接到數(shù)據(jù)中心,向數(shù)據(jù)中心報告其IP地址,并保持和維護鏈路的連接,GPRS模塊監(jiān)測鏈路的連接情況,一旦發(fā)生異常,GPRS模塊自動重新建立鏈路,數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊之間就可以通過IP地址用TCP/IP協(xié)議進行雙向通信,實現(xiàn)透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
2.2.2 數(shù)據(jù)通信過程如下:
1) 現(xiàn)場監(jiān)控點通過數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存,當接收到命令數(shù)據(jù)時,通過接口電路,將帶時間標簽的數(shù)據(jù)發(fā)送到已登陸網(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)。
2) 數(shù)據(jù)經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進行解碼處理,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)中用戶服務(wù)器IP地址。
3) 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)進行還原顯示,同時將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。
2.3 系統(tǒng)應(yīng)用GPRS技術(shù)的優(yōu)勢
1) 永遠在線: GPRS 模塊一開機就能自動附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上,并與您的數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路,隨時收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù),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(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用,沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時不收費用。
3) 高速傳輸、誤碼率低:GPRS網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)設(shè)置,根據(jù)中國移動的網(wǎng)絡(luò)情況,目前可提供20~40Kbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。
4) 組網(wǎng)簡單、迅速、靈活:系統(tǒng)可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)隨時隨地的構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò),提供接入便利,節(jié)省接入投資。
5) 通信鏈路由專業(yè)運營商維護:由于采用中國移動的GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),因此鏈路維護也由中國移動負責(zé),免除通信鏈路維護的后顧之憂。
2.4 系統(tǒng)應(yīng)用GPRS技術(shù)的不足
1) 對移動通信部門有依賴性
因為系統(tǒng)建設(shè)運行需借助GSM網(wǎng)絡(luò),這就造成我們SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信受到移動通信部門的制約,須說目前GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的比較成熟,但有時亦存在網(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。而采用超短波通訊組建自身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),當系統(tǒng)發(fā)生故障時,可利用自身技術(shù)力量對網(wǎng)絡(luò)進行修復(fù)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(tǒng)的運營成本在端站數(shù)量較少時略微偏高。
2.5 系統(tǒng)運營成本分析
構(gòu)成系統(tǒng)運行成本主要有兩方面(參考本地資費):①系統(tǒng)服務(wù)器端的靜態(tài)IP地址租用費。該項目目前資費較高,約占總運行成本的95%;②系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量費用。收費標準目前有包月制和按數(shù)據(jù)量兩種收費方式,按流量計算0.03元/kBytes,而包月制20元/月有1024 kBytes流量,該費用取決于流量的多少。相信隨著技術(shù)的升級,業(yè)務(wù)應(yīng)用的普及,其資費標準會逐步降低。
3 結(jié)束語
該系統(tǒng)目前已投入運行階段,運行效果良好,數(shù)據(jù)發(fā)送接受穩(wěn)定快速可靠,完全能滿足實際工作要求,是SCADA系統(tǒng)較理想的組網(wǎng)選擇。相信隨著時代的發(fā)展,科技的進步,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,會得到廣泛的普及和應(yīng)用。