GPRS网络通信在SCADA系统中的应用

摘要：介绍了以可编程控制器（PLC）为核心，基于GPRS网络通信在城市供水、污水调度SCADA系统中的应用。分析了目前几种可用通信方式的比较。 一、 引言 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。在该系统中，常常需要将距主控制中心几千米甚至是数百千米以外的下位机（系统中多使用PLC）采集到的在线数据实时传输到上位主控制中心，使主控制中心通过这些数据对其终端设备进行实时控制。因此，远程监控和实时传输便是此类自动化系统能否发挥其功能的重要因素。 二、 现有的远程监控方案 目前，很多PLC厂家都相继推出了配套的串口/以太网口通信模块，以实现PLC的集中控制和数据交流。利用现有的通信模块可实现监控中心与控制设备相距较近的网络的实时监控，但在各监控点过于分散、传输距离相对较远的分布式数据采集与监控系统中，串口或以太网通信方式就难以实现了。 为了实现远程监控，现行的通信方法可简单的分为有线和无线两大类（见图1）。 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、等。在水行业，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。采用电话拨号方式，通信双方各接一个接入设备——调制解调器(MODEM)，将采集终端（PLC）送来的数字信号调制成模拟信号在电话线上传输，并在接收端将模拟信号还原成数字信号。此方式的优点是接入设备价格低廉、组网技术简单，同时缺点也较为明显，其一，按在线时间计费，费用高昂；其二，在部分远程监控环境中电话线路难以铺设，维护困难。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。 图1 传统的PLC远程监控组网方案 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。 随着城市现代化、工业化进程的发展，传统的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GPRS网络，使SCADA系统采用GPRS网络来进行数据传输成为可能。 三、 GPRS网络浅析 作为迈向第三代无线通信的重要里程碑，世纪之初开启的通用分组数据业务GPRS，使移动通信与数据网络合二为一。GSM是当前全球使用最为广泛的移动电话系统，以GSM为基础的GPRS是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供分组数据接入服务。GPRS主要是在移动用户和远程的数据网络（如支持TCP/IP、X.25等网络）之间提供一种连接，从而给用户提供高速无线IP和无线X.25业务。 GPRS采用分组交换技术，可以多个用户共享固定的信道资源。如果把空中接口上的TDMA帧中的8个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达171kbit/s。在GSM网络中，GPRS首先引入了分组交换传输模式，使原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本的变化。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“使用多少，支付多少”的原则。实际上，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。GPRS可提供高达115kbit/s的传输速率（最高值为171.2kbit/s，不包括FEC）。这意味着数年内GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网浏览。分组交换接入时间缩短少于1秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务的效率。GPRS支持Internet上应用最广泛的IP协议和X.25协议。而且由于GSM网络覆盖面广，所以也使得GPRS能提供Internet和其它分组网络的全球性无线接入。 四、 基于GPRS网络的远程监控方案 综合上述考虑，为解决目前工业远程监控系统中存在的问题，深圳市知能科技有限公司结合中国移动的GPRS网络所具有的特点：1、更高的覆盖率；2、更优良的网络性能；3、更低廉的通讯费用，自主研发生产了P3000系列PLC无线通信模块。它利用中国移动的GPRS网络将下位PLC控制元件与上位主控制中心通过透明传输使其达到实时监控的目的。 该产品通过串口（RS232/RS485）或以太网口与下位PLC连接，将串口或以太网口上的数据转化为GPRS网络支持的IP数据包，通过GPRS网络向上位主控制中心传输。上位主控制中心可以通过DDN/ISDN/ADSL等方式连接到Internet，P3000通过IP地址访问上位机，双方即可进行数据通信。 系统组网图如下： 图2 基于GPRS网络的PLC远程监控组网方案 方案特点如下： 1、基于中国移动公司成熟的GPRS无线网络 –通信质量可靠，误码率低 –通信费用低廉 –信号覆盖范围广，上位机与PLC间的距离可达数千公里 2、没有网络建设与维护费用 3、建设周期短，施工方便 –即插即用 –无需固定线路支持 –天线很小降低安装成本 应用本方案，很好的解决了目前工业控制中分布式数据采集、远程监控系统中存在的通信问题。 五、 P3000产品特性 1、 将串口、以太网口信息通过GPRS透明传输 2、 通过协议保证数据准确传递 3、 GPRS断线自动重拨 4、 采集信息本地存储 5、 支持UART、RS-232、RS485、以太网、USB等接口 6、 支持PPP / IP / TCP / UDP / telnet / ftp / NAT / SNMP协议 7、 GPRS速率：CLASS10，最高可达57.6Kbps 8、 供电：5VDC～36VDC或220VAC 六、 方案实施难点 1. 上位机需要固定IP地址。 为了远端PLC数据能通过INTERNET送达上位机，上位机需要一个固定IP地址。随着IP地址资源日渐枯竭，申请固定IP地址的费用都十分高昂，部分地区年使用费接近万元。 2. 通信设备状态、网络状态缺乏监控 对于分布式系统，PLC距离上位机都较远，市面上许多GPRS通信模块只是简单的透传，不具备任何网管能力，一旦通信设备自身故障或GPRS网络中断，管理人员维护工作量很大。因而需要无线模块具备自身状态、网络状态监控能力，并可通过短信等方式上报上位机或管理员。 深圳知能的P3000设备很好的解决了上述问题。 七、 应用实例 城市的排污系统中各种雨水、污水泵站就多达几十甚至上百个，并且分散于城市的每个角落。为确保污水处理过程的出水水质符合标准，提高污水泵站的自动化水平，实现上位的主控制中心对各站点下位控制单元的实时监控将是非常有必要的。 在深圳的实施方案中，各污水泵站即下位控制点使用三菱Q系列PLC，通过以太网模块/串口模块与P3000产品相连进行数据采集。该数据包在P3000产品中进行协议转换后经GPRS网络与上位主控制中心实时相连。一台P3000产品连接2台PLC终端。在此系统中主控制中心安装有iFix工控组态软件，软件中原有的监控程序不需做任何更改。 考虑到目前企业申请固定IP地址的难度，为了给企业节省更多的通信成本，上位主控制中心可以通过有线拨号/ADSL/专线等多种方式连接到Internet，当其IP地址发生变化时，我们安装在上位机中的IP地址监测软件可以将上位机IP地址的变更自动通知系统中所有的终端P3000，让系统中的P3000及时更新目的IP地址。 在江苏、四川、辽宁等地的实际应用中，P3000分别与SIEMEN S7系列、OMRON、Rockwell A-B等多个系列产品进行对接，经过长时间的运行，系统兼容性好，稳定可靠。 八、 结论 通过上述方案的测试与实施，说明应用GPRS网络进行远程数据通讯的结构是合理的，系统总体方案是可行的。基于P3000的GPRS无线网络远程监控系统，具有施工快捷、可靠性好、建设使用成本低，以及系统管理方便等特点，经长时间实际使用，达到系统设计的预期目标。 姓名：王兴旺 单位：深圳市知能科技有限公司 职称：电气工程师 现从事的工作为：无线数据通信行业的技术开发 地址：深圳市南山区科技园南区思创大厦三楼西 邮编：518057 电话：0755-26013818 手机：13590424091 电子邮箱：wangxw@gsmmodem.com.cn