GSM网络通信在SCADA系统中的应用

2019-11-03 09:13:02

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供稿：网友

钟福宏　曾庆样　崔志斌

南海发展股份有限公司

　　摘要本文对目前供水调度SCADA系统中可用的几种通信方式进行简要的比较，并就SCADA系统中采用GPRS作为传输信道的技术特点、技术原理、系统优缺点、运营费用等方面进行论述。

　　关键词 SCADA 数传扩频通信 GSM短信 GPRS

1 概述

　　SCADA（Supervisory Control and Data Acquis -tion）即“监视控制和数据采集系统”，该系统被广泛应用于供水、供电、燃气、油田等行业，主要功能是完成数据的采集控制和远程传输。本公司在1994年建立了供水调度SCADA系统，多年来在保障安全可靠供水、协调合理调度、保证公司利益等多方面发挥了重要的作用。

　　目前供水调度SCADA系统中采用的数据通信可简单分为有线和无线两大类，其中有线通信主要包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、X.25、DDN、ADSL等，而无线则包括超短波通信、扩频通信、卫星通信、GSM 短信/GPRS通信等。在供水行业，由于各管网监控点分布范围广、数量多、距离远，个别点还地处偏僻，因此架设光缆、铺设电缆难度大、不切合实际，向电信部门租用专用电话线又要申请很多电话线，而且有些监控点线路难以到达，况且采用电话线路时需要等待漫长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高，总之SCADA系统采用有线通信方式建设周期长、工作难度大、运行费用高，不便于大规模使用；与之相比，无线通信方式则显得非常灵活，它具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。在SCADA系统中，无线通信方式主要包括：超短波（230MHz）无线数传、扩频、卫星通信、GSM数字蜂窝通信系统等，其中卫星通信由于通信费用昂贵，只在一些特殊的领域下使用，未得以普及；而扩频通信技术虽然速率高，但只能在视距范围内传输，应用也受到限制，所以，目前国内SCADA系统普遍采用230MHz频段的数传电台作为传输信道，本公司的SCADA供水调度系统也是采用了这种通信方式。

　　采用超短波数传电台作为传输信道的是组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点，但由于系统工作于230MHz且多采用普通间接调制的数传电台，这就造成系统易受外界干扰、通信速率低、误码率高、数据传送量不大、信号覆盖范围小等先天不足，这在本公司第二水厂生产数据上传到公司调度室时得到验证，目前已改为DDN专线传输方式。随着城市现代化、工业化进程的发展，超短波通信方式正面临着越来越大的挑战，而GSM网络经过电信部门的多年建设，覆盖范围不断扩大，已成为成熟、稳定、可靠的通信网络，特别是近年来推出的短消息业务（SMS）、GPRS等新业务，使SCADA系统采用GSM网络来进行数据传输成为可能。

2 GSM网络在SCADA系统中的应用

　　这里讲的GSM网络指的是①GSM网络（包括目前中国移动和中国联通），②GPRS网络，③CDMA网络。其中GPRS网络和CDMA网络原理类似，均采用ip通信技术，而借助GSM网络则采用短信服务。相比之下，采用GPRS和CDMA网络则更具优点和前瞻性，下面就以GPRS网络为例作一说明。

2.1 GPRS原理及技术特点

　　GPRS（General Packet Radio Service）是在现有GSM系统基础上发展出来的一种新的网络业务。GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一个无线信道又可以由多个用户共享，实现资源有效的利用，从而实现高速率数据传输。GPRS支持基于标准数据通信协议的应用，可以实现与IP网、X.25网互联互通。GPRS具有全双工运作，间隙收发，永远在线，只有在收发数据才占用系统资源，计费方式以数据传输量为准等特点，由于GPRS的核心层采用IP技术，底层可使用多种传输技术，这使得它较易实现端到端的、广域的无线IP连接，以实现某种特定功能。

2.2 利用GPRS来实现SCADA系统的数据传输

　　由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络，因此，在SCADA系统的主站应该具有一台具备固定IP地址的主机，各个端站的GPRS模块和该主机进行通信。

　　具体来说， GPRS数据通信过程如下：

　　（1）现场监控点通过数据采集模块将如压力、流量等数据存储到内存，当接收到命令数据时，通过接口电路，将带时间标签的数据发送到已登录网络并具有IP地址的GPRS模块，后通过数据编码并有指向地发送到GSM网络。

　　（2）数据经GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，最终传送到公网中用户IP地址。

　　（3）服务器接受到数据后，通过公司内部网将数据传送到SCADA系统，后通过系统软件对数据进行还原显示，同时将数据存储到数据库中。

2.3 应用GPRS网络的优势

　　1. 信号覆盖范围广

　　GSM网络经过多年的建设，目前网络信号可说是无孔不入，基本不存在盲区，理论上只要有信号的地方，就可以实现SCADA监控，与之相比的超短波则只有方圆30多公里。

　　2. 数据传送速率高

　　GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s，实际应用时可能会偏低些，而目前一般的超短波数传电台传送速率多为2.4kbit/s或更低。

　　3. 通信质量可靠，误码率低

　　利用GSM成熟网络，数据传送的可靠性和稳定性得到有力的保证，同时随着其业务的发展，相信其在质量上会做得更好。

　　4. 建设周期短

　　利用现有GSM网络，我们只需安装好设备就可以，不用考虑其他因素，采用超短波通信时要充分考虑现场和附近环境，同时其附属设备要跟得上。

　　5. 安装调试简单方便

　　利用现有成熟GSM网络，系统投入运行时基本不需要调试（只要技术可行，网络畅通），而且安装简捷。采用超短波通信时安装调试工作量大，要有选择地选址，测试现场信号，架设天线铁架，调试天线角度方向等诸多工作。

2.4 应用GPRS网络的不足

　　1. 对电信部门有依赖性

　　因为系统建设运行需借助GSM网络，这就造成我们SCADA系统的数据通信受到电信部门的制约，虽说目前GSM网络发展得比较成熟，但有时也存在网络繁忙堵塞或意想不到的事情发生，这会对系统数据造成中断，影响系统的数据分析处理。而采用超短波通信组建自身网络系统，当系统发生故障时，可利用自身技术力量对网络进行修复而不需借助第三方，在工作中处于主动。

　　2. 运行成本相对较高

　　鉴于目前电信部门的资费，该系统的运营成本在端站数量较少时略微偏高。

2.5 系统运营成本分析

　　构成系统运行成本主要有两方面（参考本地资费）：

　　（1）系统服务器端的静态IP地址租用费；

　　（2）系统收发数据的流量。租用静态IP目前而言是比较高，约800~1500元/月，而系统流量费用目前有包月制和按数据量两种收费方式，按流量计算0.03元/kbyte，而包月制20元/月有1024 kBytes流量，已满足本公司目前SCADA系统的实际数据量，估计日后其费用会逐步降低。

3 结束语

随着时代的发展，科技的进步，数据通信业务的高速发展，无线IP通信技术业务变得越渐成熟,会越显优势，会得到广泛普及和应用。

----《中国数据通信》