GPRS技術(shù)在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

SCADA是英文Supervisory Control and Data Acquistion的縮寫(xiě)，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?xì)狻⒂吞锏刃袠I(yè)，主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集控制和遠(yuǎn)程傳輸。本公司在1994年建立了供水調(diào)度SCADA系統(tǒng)，多年來(lái)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(jiǎn)單分為有線和無(wú)線兩大類(lèi)，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(wú)線則包括超短波通信、擴(kuò)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(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)、個(gè)別點(diǎn)還地處偏僻，因此架設(shè)光纜、鋪設(shè)電纜難度大、不切合實(shí)際，向電信部門(mén)租用專(zhuān)用電話線又要申請(qǐng)很多電話線，而且有些監(jiān)控點(diǎn)線路難以到達(dá)，況且采用電話線路時(shí)需要等待漫長(zhǎng)的電話撥號(hào)過(guò)程，速度慢，運(yùn)營(yíng)成本較高，總之SCADA系統(tǒng)采用有線通信方式建設(shè)周期長(zhǎng)、工作難度大、運(yùn)行費(fèi)用高，不便于大規(guī)模使用；與之相比，無(wú)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(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。在SCADA系統(tǒng)中，無(wú)線通信方式主要包括：超短波（230MHZ）無(wú)線數(shù)傳、擴(kuò)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(fèi)用昂貴，只在一些特殊的領(lǐng)域下使用，未得以普及；而擴(kuò)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(guó)內(nèi)SCADA系統(tǒng)較普遍采用 230MHZ頻段的數(shù)傳電臺(tái)作為傳輸信道。

采用超短波數(shù)傳電臺(tái)作為傳輸信道的是組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、維修方便、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，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(tái)，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(hào)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(shí)得到驗(yàn)證，目前已改為DDN專(zhuān)線傳輸方式。隨著城市現(xiàn)代化、工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，傳統(tǒng)的超短波通信方式正面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，而GSM網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)移動(dòng)通信部門(mén)的多年建設(shè)，覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，已成為成熟、穩(wěn)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(tǒng)采用GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸從理論分析和實(shí)際應(yīng)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(hào)碼而獲取數(shù)據(jù)資料短消息；②GPRS技術(shù)，核心是通過(guò)IP轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。相比較下，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。下面就以GPRS技術(shù)為例作說(shuō)明：
　　
2.1 GPRS原理及技術(shù)特點(diǎn)

GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)general packet radio service的英文簡(jiǎn)稱(chēng)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)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)線信道，同一個(gè)無(wú)線信道又可以由多個(gè)用戶(hù)共享，實(shí)現(xiàn)資源有效的利用，從而實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸。GPRS支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)與IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通。GPRS具有全雙工運(yùn)作，間隙收發(fā)，永遠(yuǎn)在線，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)才占用系統(tǒng)資源，計(jì)費(fèi)方式以數(shù)據(jù)傳輸量為準(zhǔn)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(xiàn)端到端的、廣域的無(wú)線IP連接，以實(shí)現(xiàn)某種特定功能。

具備GPRS功能的移動(dòng)電話或終端通過(guò)無(wú)線方式與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(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(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(jié)點(diǎn)（GGSN）進(jìn)行通信；GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)自因特網(wǎng)標(biāo)識(shí)有移動(dòng)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(dòng)電話或終端上。
　　
2.1.1 GPRS的技術(shù)特點(diǎn)

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(shù)據(jù)期間才占用資源，這意味著多個(gè)用戶(hù)可高效率地共享同一無(wú)線信道，從而提高了資源的利用率。GPRS用戶(hù)的計(jì)費(fèi)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(shí)際上，GPRS用戶(hù)的連接時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，卻只需支付相對(duì)低廉的連接費(fèi)用。

2）傳輸速率高 ：GPRS可提供高達(dá)115kbit/s的傳輸速率（最高值為171.2kbit/s）。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(duì)傳輸速率敏感的移動(dòng)多媒體應(yīng)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(yuǎn)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(wú)線接入。
　　
2.2 利用GPRS來(lái)實(shí)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(tái)，充分利用了GPRS的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
　　

在GPRS模塊上實(shí)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(dòng)連接到數(shù)據(jù)中心，向數(shù)據(jù)中心報(bào)告其IP地址，并保持和維護(hù)鏈路的連接，GPRS模塊監(jiān)測(cè)鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動(dòng)重新建立鏈路，數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊之間就可以通過(guò)IP地址用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
　　
2.2.2 數(shù)據(jù)通信過(guò)程如下：

1） 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存，當(dāng)接收到命令數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)接口電路，將帶時(shí)間標(biāo)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(guò)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(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(hù)服務(wù)器IP地址。

3） 服務(wù)器接受到數(shù)據(jù)后，通過(guò)公司內(nèi)部網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到SCADA系統(tǒng)，后通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
　　
2.3 系統(tǒng)應(yīng)用GPRS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1） 永遠(yuǎn)在線： GPRS 模塊一開(kāi)機(jī)就能自動(dòng)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(shí)收發(fā)用戶(hù)數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)，具有很高的實(shí)時(shí)性。

2） 按流量計(jì)費(fèi)：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(lái)收取費(fèi)用，沒(méi)有數(shù)據(jù)流量的傳遞時(shí)不收費(fèi)用。

3） 高速傳輸、誤碼率低：GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度最快將達(dá)到160Kbps，速率的高低取決于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，根據(jù)中國(guó)移動(dòng)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(jiǎn)單、迅速、靈活：系統(tǒng)可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的構(gòu)建覆蓋全中國(guó)的虛擬移動(dòng)數(shù)據(jù)通信專(zhuān)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(zhuān)業(yè)運(yùn)營(yíng)商維護(hù)：由于采用中國(guó)移動(dòng)的GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此鏈路維護(hù)也由中國(guó)移動(dòng)負(fù)責(zé)，免除通信鏈路維護(hù)的后顧之憂。
　　
2.4 系統(tǒng)應(yīng)用GPRS技術(shù)的不足

1） 對(duì)移動(dòng)通信部門(mén)有依賴(lài)性

因?yàn)橄到y(tǒng)建設(shè)運(yùn)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(dòng)通信部門(mén)的制約，須說(shuō)目前GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的比較成熟，但有時(shí)亦存在網(wǎng)絡(luò)繁忙堵塞或意想不到的事情發(fā)生，這會(huì)對(duì)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可利用自身技術(shù)力量對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修復(fù)而不需借助第三方，在工作中處于主動(dòng)。

2） 運(yùn)行成本相對(duì)較高

鑒于目前資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本在端站數(shù)量較少時(shí)略微偏高。
　　
2.5 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本分析

構(gòu)成系統(tǒng)運(yùn)行成本主要有兩方面（參考本地資費(fèi)）：①系統(tǒng)服務(wù)器端的靜態(tài)IP地址租用費(fèi)。該項(xiàng)目目前資費(fèi)較高，約占總運(yùn)行成本的95%；②系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量費(fèi)用。收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)目前有包月制和按數(shù)據(jù)量?jī)煞N收費(fèi)方式，按流量計(jì)算0.03元/kBytes，而包月制20元/月有1024 kBytes流量，該費(fèi)用取決于流量的多少。相信隨著技術(shù)的升級(jí)，業(yè)務(wù)應(yīng)用的普及，其資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)逐步降低。
　　
3 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)目前已投入運(yùn)行階段，運(yùn)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(shí)際工作要求，是SCADA系統(tǒng)較理想的組網(wǎng)選擇。相信隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，無(wú)線IP通信技術(shù)業(yè)務(wù)變得越漸成熟,會(huì)越顯優(yōu)勢(shì)，會(huì)得到廣泛的普及和應(yīng)用。