（检测技术与自动化装置专业论文）基于gprs网络的供水管网scada系统的应用研究.pdf

基于g p r s 网络的供水管网s c a d a 系统的应用研究 摘要 随着城市规模的不断扩大，传统的以人工协调操作为主的供水管 网管理运行方式已无法满足现行系统的需求，加强供水管网的远程数 据采集和监控能力对整个城市的发展有着深远的意义。为了进一步改 善城市供水质量、提高供水系统运行效率，应用基于计算机技术的城 市供水管网监控系统成为必然的发展趋势。课题针对供水管网管理运 行特点，提出了利用g p r s 无线终端建立基于g p r s 网络和互联网技 术的远程数据采集和传输系统。 本文首先分析了g p r s 无线通信技术的特点及其在s c a d a 系统 中的应用，并结合供水管网监测的特点，提出了系统的总体方案，系 统分为控制中心、远程终端和数据通信三部分。控制中心监控所有供 水站测量点，维护运行档案；远程终端监测站内实时参数，及时诊断 异常故障；数据通信负责远程终端与控制中心的数据传输。文章详细 阐述了g p r s 远程终端的功能设计以及数据通信的原理和应用。 远程终端采用嵌入式处理器的开放式可扩展结构，应用l i n u x 操 作系统，进一步增强了系统的实时性和稳定性。终端采集现场智能设 备的h a r t 信号、4 - 2 0 m a 模拟信号、脉冲计数量和r s 2 3 2 信号， 存储并传输采集的数据，供控制中心远程查询和显示。同时终端内嵌 i 北京化工大学硕士学位论文 册服务器，提供标准的浏览器界面，可实现对终端的远程网络配 置。控制中心可以随时访问远程终端，利用p p p 协议建立基于g p r s 的无线网络连接，利用s o c k e t 网络编程接口开发监测系统的远程数 据通信。 目前系统已投入使用，能够满足当地供水站监测的需求。研究开 发适用于供水站控制和调节的先进算法和功能，是分布式供水站监控 系统的发展方向。 关键词：数据采集，g p r s 网络，水资源，t c p i p ，h a r t i i 垄塞垡三查兰堡主兰竺堡奎 r e s e a r c ho f e rp i p e l 【n e ss c a d a s y 咖mb a s e do ng p r sn e t w o r k a b s t r a c t a st h ec o n t i n u o u sg r o w t ho fu r b a na r e a ，t h et r a d i t i o n a lo p e r a t i o no f t h ep i p e l i n en e t w o r k sf o rw a t e rs u p p l yw h i c hc o n t r o l l e dm a i n l yb y m a n u a lc o o r d i n a t i o ni sn ol o n g e rt om e e tt h en e e do ft h ec u r r e n tw a t e r s u p p l y s y s t e m t h e r e f o r e ，t oi n t e n s i f yt h ec a p a b i l i t yo fr e m o t ed a t a a c q u i s i t i o na n dm o n i t o ri nt h eu r b a np i p e l i n en e t w o r k si s ag r e a ta n d f a r r e a c h i n gs i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to faw h o l ec i t y i no r d e rt o i m p r o v et h eq u a l i t yo f w a t e rs u p p l yi nac i t ya n dr a i s et h ee f f i c i e n c yo f t h eo p e r a t i o no fw a t e rs u p p l ys y s t e m ，u s et h ec o m p u t e r - b a s e dm o n i t o r a n dc o n t r o ls y s t e mf o ru r b a nw a t e rs u p p l yn e t w o r k si sa ni n e v i t a b l et r e n d f o rt h ed e v e l o p m e n t t a k ei n t oa c c o u n tt h em a n a g e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so f w a t e rp i p e l i n en e t w o r k s ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt oe s t a b l i s has y s t e mb y u s i n g g p r sw i r e l e s st e r m i n a lf o rr e m o t ed a t a a c q u i s i t i o n a n d t r a n s m i s s i o nb a s e do ng p r sn e t w o r k sa n di n t e r n e tt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ef i r s t l y , m a k e sa na n a l y s i so i lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg p r s w i r e l e s ss y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o ni ns c a d a s y s t e m ，a n dt h e ni to f f e r s a no v e r a l ls c h e m ei nc o m b i n a t i o nw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o n i t o ra n d c o n t r o ls y s t e mf o rt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k s t h es c h e m ei n c l u d e st h r e e p a r t s ：c o n t r o lc e n t e r , r e m o t et e r m i n a la n dr e m o t ed a t ac o m m u n i c a t i o n 1 1 1 ! ! 室垡三盔堂堡兰三兰些堡奎 一 t h ec o n t r o lc e n t e rm o n i t o r sa n dc o n t r o l sa l lm e a s u r i n gp o i n t so faw a t e r s u p p l ys t a t i o n ，m a i n t a i n s t h e o p e r a t i o nf i l e s t h e r e m o t et e r m i n a l m o n i t o r sa n dm e a s u r e sr e a lt i m ed a t aw i t h i nt h es t a t i o n t h ed a t a c o m m u n i c a t i o ni sf o rd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h er e m o t et e r m i n a la n d t h ec o n t r o lc e n t e r t h i sp a p e re x p o u n d si nd e t a i lt h ef u n c t i o na n dd e s i g n o fg p r sr e m o t et e r m i n a l ，p r i n c i p l ea n d a p p l i c a t i o n o ft h ed a t a c o m m u n i c a t i o n t h er e m o t et e r m i n a lu s e st h eo p e ne x p a n d a b l es t r u c t u r eo ft h e e m b e d d e d p r o c e s s o r a p p l i e s l i n u x o p e r a t i o ns y s t e m ，t h e s e f u r t h e r e n h a n c et h er e a lt i m ea b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h er e m o t e t e r m i n a la c q u i r e sh a r t s i g n a l 、4 - 2 0 i n as i g n a l 、p u l s ec o u n ta n dr s 2 3 2 s i g n a l i nt h ei n t e l l i g e n t e q u i p m e n t o ns i t e ，s t o r e sa n dt r a n s f e r st h e a c q u i r e dd a t a ，w h i c h a t eu s e df o rr e m o t ei n q u i r ea n dd i s p l a yb yt h e c o n t r o lc e n t e r i na d d i t i o n a 1 1 t 1 1 ps e v e ri se m b e d d e di nt h et e r m i n a la n d i t p r o v i d e s as t a n d a r db r o w s e ri n t e r f a c e ，e n a b l e sr e m o t en e t w o r k s c o n f i g u r a t i o nf o r t h et e r m i n a l t h ec o n t r o lc e n t e rc a na c c e s st ot h e t e r m i n a la ta n y t i m e ，u s ep p pp r o t o c o lt oe s t a b l i s hg p r s b a s e dw i r e l e s s n e t w o r k sc o n n e c t i o n ，u s es o c k e tn e t w o r k sp r o g r a m m i n gi n t e r f a c et o e s t a b l i s hr e m o t ed a t at e l e c o m m u n i c a t i o nf o rt h em o n i t o ra n dm e a s u r e s y s t e m t h i ss y s t e mi su s e da t p r e s e n t a n di tc a nm e e tt h en e e d sf o r m o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n gi nt h el o c a lw a t e rs u p p l ys t a t i o n t or e s e a r c h 北京化工大学硕士学位论文 t h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e da r i t h m e t i ca n df u n c t i o ns u i t a b l ef o r t h e c o n t r o la n dr e g u l a t i o ni naw a t e rs u p p l ys t a t i o ni sat r e n df o rt h em o n i t o r a n dm e a s u r es y s t e mi nad i s t r i b u t e dw a t e rs u p p l ys t a t i o n k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，g p r sn e t w o r k s ，w a t e rr e s o l l l c e ， t c p i p , h a r t v 北京化工大学硬士学位论文 g p r s s c a d a o s i r t u t c p ，i p h a r t p p p 符号说明 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 数据采集与监控系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 开放系统互联参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c e m o d e l ) 远程终端单元( r e m o t ct e r m i n a lu n i t ) 传输控制协议网络协议( t r a n s f e rc o n t r o i np r o t o c o l i n t e m e t p r o t o c 0 1 ) 可寻址远程高速通道开放通信协议( h i g h w a ya d d r c s s a b k r e m o t et r a n s d u c e o 点对点协议( p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) v i l l 北京化工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：l 絮分健 z d 0 6 年中月彤日 北京化工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 供水管网监测系统概要 1 1 ，1 供水管网监测简介 水是生命之源，与人类生活和社会发展息息相关。城市供水是人们为了生 活和生产的需要，由天然水体取水，经适当处理后，通过管网供人们生活和生 产使用然后排回天然水体，这个人为的循环过程就是水的社会循环。人们生 活用水、工业用水和农业用水，都对用水的水量和水质有相应的要求。随着经 济建设的大规模开展，我国城市供水工程建设也得到了飞速发展。在我国现有 的6 6 9 个城市中，建设系统内已有水厂2 0 3 2 个( 全社会为4 0 0 0 个) ，综合供水 能力为1 0 6 1 7 1 0 4 m 3 d ( 全社会供水能力为1 9 9 9 4 4 6 1 0 4 m 3 d ) ，供水普及率达 到9 4 9 9 ，人均用水量为2 0 8 0 2u d 掣我国城市供水事业取得了巨大的成绩， 供水面积、水处理能力、监测设备和运行管理等诸方面都得到了空前的发展。 供水系统是保证城市居民生活用水、工业生产用水和市政消防用水的设施， 通常由取水构筑物、泵站、输水管道、水处理构筑物、配水管网、调节机构等 设施组成。供水系统的任务是从水源取水，按照用户对水质的要求进行处理， 然后通过管道传输到各个供水站，再由供水站调节到适当的压力和流量后向附 近的用户配水。 城市供水调度系统一般包括供水控制中心、多个水厂分控中心、多个水厂 监控分站、多个水源井监控站、多个管网加压站等。供水管网监控系统的主要 任务是为供水管网管理人员提供集中供水系统的运行状况，帮助选择最佳的运 行工况，进而调整和保持供水参数，使其达到供水装置安全和经济运行所必需 的给定值，保证供水并节约能源。 在整个供水系统中，由于各个环节所处位置和高度不同，为了保证供水区 域之间的压力平衡和供水安全，需要测量水厂和各个监测站的进出口流量、管 网压力、液位等信息，并及时把这些信息反馈给控制中心，从而快速有效的调 整管网上泵站的运行和阀门开度，保证供水压力平衡。图1 - 1 表示以地表水为水 源的供水工程系统。 北京化工大学硕士学位论文 图1 1 供水系统示意图 以管网上压力监测为例，它分为服务压力和控制压力，服务压力是指用户 水表前管道中的水压，它应保证用户随时能从水嘴取到水。控制点的压力则是 具有代表性的关健部位的管道中的水压，与城市管网的服务压力有很好的相关 性。只要控制点的压力符合要求，全管网的水压就能得到一定的保证【2 l 。 除了保证供水系统的正常运行，随着人们环保意识的提高，对用水水质的 要求也越来越高。水质是水及其所含杂质共同表现出来的物理的、化学的和生 物学的综合特性。某一水质特性，可通过水质指标来表达。常用的水质指标有 以下几种：p h 值、浊度、余氯等。 供水系统是一个多参数测量系统( 压力、流量、液位、水质分析等) ，通常 在一个供水系统内，所采用的仪表比较完整的配置如表1 - 1 所示： i 仪表类型压力变送器流量仪表 液位仪表水分析仪表温度变送器 l 百分比 约4 0 约2 5 约1 5 约1 5 约5 1 1 2 供水管网及水质监测的意义 设立供水管网监测点，进行管网压力、流量和水质等数据的动态采集与监 测，并对水资源进行合理的调度与控制，具有重大的意义【3 】【4 1 。随着人口增长、 经济发展及城市化的加快，供水管网的服务面越来越广。为了更加科学合理地 保证供水系统安全、掌握供水动态，现代供水技术要求在供水管网的特定位置 必须设立供水管网监测点。 北京化工太学硕士学位论文 以管网水压力这一重要参数为例，中华人民共和国建设部发行的行业标准 中有许多与自来水管网的水压力相关，甚至做了严格的规定。这里列举建筑 给水排水设计规范( g b j l 5 8 8 ( 公告6 ) ) 中与水压力相关的部分条例，如下： 第2 1 4 条生活用水定额、水压及用水条件，应按工艺要求确定。 第2 2 4 条生活饮用水管道不得与非饮用水管道连接。在特殊情况下，必 须以饮用水作为工业备用水源时，两种管道的连接处，应采取防止水质污染的 措施。在连接处，生活饮用水的水压必须经常大于其他水管的水压。 第2 3 3 条生活、生产、消防给水系统中的管道、配件和附件所承受的水 压，均不得大于产品标准规定的允许工作压力。 第2 3 4 条高层建筑生活给水系统的竖向分区，应根据使用要求、材料设 备性能、维修管理、建筑物层数等条件，结合利用室外给水管网的水压合理确 定。分区最低卫生器具配水点处的静水压，住宅、旅馆、医院宜为3 0 0 3 5 0 k p a ； 办公楼宣为3 5 0 4 5 0 k p a 。 由于水的不可替代性，决定了城市供水系统在城市基础设施中占有极其重 要的位置。城市的供水状况，不仅对市民的生活质量和生活水平起着决定性作 用，也直接制约着城市经济发展和城市建设。 随着我国社会和经济的高速发展，环境问题日益突出，尤其是城市水环境 的恶化，加剧了水资源的短缺，造成我国城市缺水现象很严重。由于供水不足， 城市工业每年的经济损失达2 3 0 0 亿元。同时给城市居民生活造成许多困难和不 便，成为城市社会中的一种隐忧【5 1 。随着环境保护、节约能源等关系到国家可持 续发展的问题日益得到了广泛重视与关注，对城市供水和排放管网的要求不再 是简单的输送和排放的过程，现在更多的要考虑供水管网的泄漏监测、水质监 测以及污水治理等方面。因此城市供水管网必须在确保用户供水品质的前提下， 提高供水管网系统的技术含量和管理水平，降低供水运行成本。技术含量愈高， 节能的效果愈明显。进一步扩展供水管网区域和规模，并改进和提高城市供水 管网管理运营水平成为当前很重要的课题。 面对城市建设的快速发展，对城市供配水管网系统必须采用现代化的管理 手段，进行高效地管理，使管理由经验型管理向科学型管理转变，大力节约水 资源。供水管网和水质监测系统是创建节水型城市必要的工具之一。 供水管网及水质监测是自来水产品质量管理的一个非常重要的关键环节， 关系到每一个人的身体健康。城市供水公司要把管网水质管理纳入企业管理的 范畴，每天向分管领导提供报表，随时掌握水质动态，为水厂采取新工艺、新 1 一 北京化工大学硕士学位论文 技术提供了直接依据，同时提高了供水公司的社会效益，促进企业的全面发展。 实现“为市民提供更好的服务，确保提高供水质量、水量、压力；科学优化成 本；提高服务质量；提高自身的市场竞争力”的目标。 1 1 3 供水及水质监测系统应用现状 在许多城市里，供水管网和水质监测站分布在城区的各个地点，过去主要 采取人工抄表、电话报数、现场检测、手动操作调试的原始调度方法。位于控 制中心( 管理若干个地理位置比较集中的站点) 的管理人员很难及时了解现场 的运行状况，因此每个监测站点必须配备值站员对站内运行情况就地监测、记 录、调节，并定期向其所属的控制中心报告当前的运行数据。由于供水管网地 理位置分散，处理构筑物较多，采集、控制功能要求稳定，安全性要求较高， 需要进行实时检测的项目指标多而复杂，如要对这些指标逐一实时检测，无疑 会耗费大量的人力物力，给整个供水系统运行管理增加了相当大的难度。并且 利用人工现场采集的方法收集信息数量少、处理慢、传递迟，调度处于低级阶 段，以保证不缺水和维持正常运行为主，谈不上优化调度。遇上爆漏及其他事 故，不能及时地诊断报警，影响供水管网系统的可靠运行。 随着我国工业化进程的迅速发展，自动监控系统渐渐应用到城市和地区供 水系统的监测过程当中，并且取得了相当好的效果，既节省了人力资源又节约 了能源，有着广阔的发展前景。近年来，各地相继投资建立了具有自动监测能 力的供水调度系统，将先进的监测和通信设备引入到监控系统中，在提高工艺 和设备技术水平的同时，监控系统和管理水平也有了很大的提高。但同时我们 也看到，在供水监测站计算机监控技术和通信技术的应用方面与发达国家相比 还有差距。 在过去很长一个阶段，受技术条件的限制，大多采用短波无线数传电台的 方式来解决通信问题，这一方式的存在着十分显著的弊端： 1 ) 专用的无线电频段的占用，要向专门的无线电管理机构申请，手续麻 烦。 2 ) 需架设较高的铁塔天线，来满足远距离短波信号发射、接收的要求， 工程造价高。 3 ) 信号易衰减，通信质量不稳定，容易受中间阻挡障碍物的影响。 4 ) 室外天线易招致雷击，需安装专门的防雷设备。 北京化工大学硕士学位论文 5 ) 通信基于点对点轮询机制的限制，在电台数目较多时轮询周期长，数 据刷新速度慢，实时性差。 6 ) 短波信号在空中以广播形式发送，系统安全性不佳。 目前，自来水供水调度监控系统中采用的数据通信分为有线和无线两大类， 有线通信主要包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、x 2 5 、d d n 、a d s l 等， 而无线则包括超短波通信、扩频通信、卫星通信、g s m 短信、g p r s 通信等【“。 在城市供水调度监控系统中，由于各管网监控点分布范围广、数量多、距 离远，个别监测点还地处偏僻地区，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，总之监控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。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。采用超短波数传电台 作为传输信道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点，但如 前所述，由于系统工作于2 3 0 m h z 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、通信速率低等一系列缺点。近年来，随着通信和网络技 术的发展，尤其是g s m 网络和i n t e r a c t 的发展，在越来越多的工业领域中，开 始借助于公用的无线网络资源传送数据。g p r s 就是这其中被越来越多的行业所 看好并采用的一项技术。 供水管网的数据采集、抄送，是一个十分典型的分布式数据采集系统，由 于各个用户单位所覆盏的地域范围较广( 凡公里到几十公里不等) ，且数量会随 着时间的推移而发生变化，因而采用无线通信手段完成数据采集已得到业内普 遍的认同。 1 2 课题任务 某工业园区水务集团公司管理所希望在现有条件下，以较低的成本投入研 制一套供水站监测系统，实现对供水站工艺状况的监测自动化，初步掌握供水 站监控系统中相关软硬件技术，为从监测系统向g p r s 城市供水调度监控系统 北京化工大学硕士学位论文 过渡打下基础，推动供水站监控系统的应用。本课题的任务是研究管网监测点 相关参数的采集，为自动控制和调度提供科学依据，从而解决目前供水站监控 系统开发、应用过程中存在的种种问题。 该管网s c a d a 监测系统要能够对分散的管网测点进行数据采集，并可以 进行数据处理，完成历史数据存储、数据显示、报警管理、报表生成等功能。 整个系统分为两级控制，由一个s c a d a 系统中心控制室及多个分布于管网各 个测点的远程终端站组成。第一级是管理所的控制中心，设有供水站监测系统 的服务器、操作站和相应的通信网络设备，主要监测管网内各供水站数据，为 管理人员提供一个供水管网信息管理平台；第二级是由分布在园区各处的供水 站内安装的远程终端设备组成，直接监测供水站内的工艺状况。两级之间由 g p r s 无线通信网络连接，远程终端也可以独立于控制中心运行，成为智能型终 端。系统的结构示意图参见图l - 2 。 倒1 - 2 系统结构示意图 供水站监测系统要实现的具体功能如下： 1 实时监测 远程终端能够实时、准确地采集供水站各运行参数：压力变送器测量值、 流量计测量值、水质分析相关测量值等数据，共计约8 0 个测量点；诊断运行故 障、异常情况；存储运行历史数据，以便于量化管理、故障排查。 2 配置组态： 控制中心通过通信网络将配置组态信息传输到远程终端，远程终端的运行 系统根据这些配置组态信息更新测点信息、校准时间、采集周期、测量量程等 6 北京化工大学硕士学位论文 等设定值。 3 数据查询 控制中心通过通信网络定时巡检各个供水站，采集现场运行历史数据和报 警历史数据。控制中心也可以随时抽检各供水站的实时数据，及时获知供永站 现场运行情况。 4 数据库信息管理 控制中心维护一个数据库，存储所有供水站的组态信息、运行历史数据、 报警历史数据等，并可以根据要求生成各种统计报表，从而达到对供水站运行 的科学管理。 1 3论文内容 本文研究了在w i n d o w s 操作系统下，基于i m e m e t 技术和g p r s 网络建立 的一种无线数据采集与传输的通用方案，并研究了该方案在城市供水管网监测 系统中的应用。本课题初步研制成功一套利用现有g p r s 网络为通信介质的供 水站分布式计算机监测系统，该系统基本达到了供水站监测系统的各项预期目 标，实现了远程配置组态、实时监测、远程数据查询、数据管理等功能，并且 具有很好的扩展潜力。 7 北京化工大学硕士学位论文 第二章s c a d a 供水监测系统 本章首先介绍了s c a d a 系统及现代工业测控系统的组织结构方面的内容。 针对本课题研究内容，主要研究了将g p r s 技术应用于s c a d a 系统的设计与实 现方法。同时，分析了该技术广泛的应用前景以及优缺点。 2 1 s c a d a 系统概述 s c a d a 系统是英文s u p e r v i s i o nc o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n 的简称，即监 控和数据采集系统。s c a d a 系统又称计算机四遥( 遥调、遥控、遥测、遥信) 系统，它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场 的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以 及各类信号报警等功能。s c a d a 系统的应用领域很广，可应用于电力、石油、 化工等领域的数据采集、监视控制及过程控制。在给排水行业s c a d a 系统也已 经得到了广泛的应用，取得了良好的经济效益和社会效益，其应用价值已经得 到了全行业的广泛认可。 s c a d a 技术是建立在3 c + s 的基础上的，即计算机技术( c o m p u t e r ) 、通讯 技术( c o m m u n i c a t i o n ) 、控制技术( c o n t r 0 1 ) 和传感技术( s e n s o r ) ，这四项技术在近 年来的快速发展为s c a d a 技术的产业化应用提供了良好的硬件和软件平台，使 s c a d a 系统呈现出更优更新和易用性更强的功能特点。s c a d a 系统的通信技 术是制约其应用范围的最主要的因素，在很多情况下，通信条件的好坏直接决 定s c a d a 系统的性能，而g p r s 网络技术的发展成熟为s c a d a 系统提供了一 种新的通信方式。从g p r s 技术的特点我们看出，它具有网络覆盖范围广，数 据带宽宽，适应性强的优点，可以大大地提高s c a d a 系统的应用范围。 2 1 1s c a d a 系统模型 为适应信息技术、网络技术与自动化技术的发展，把计算机技术应用到工 业自动化当中去，要求建立新一代工业控制系统方案的模型。现场总线技术的 出现，把系统集成的思想引入到了自动化领域，突破了d c s 系统中依靠专用网 络进行通信的局限性。但现场总线领域的竞争非常激烈，至今还未形成统一的 技术标准，其开放程度也不够。当现场智能设备将现场信息通过通信网络传送 r 北京化工大学硕士学位论文 至监控计算机后，又存在着信息共享与交互的问题。监控计算机内部应用程序 需要对现场信息进行处理，企业生产管理层也需要与监控计算机进行信息沟通。 所有这一系列的问题放在一起，构成了s c a d a 系统的基本模型川。典型的结构 图如图2 - 1 所示。 图2 1s c a d a 系统结构示意图 2 1 ，2s c a d a 系统层次结构 典型的s c a d a 系统包括以下四个部分： 1 ) 现场管理( f i e l dm a n a g e m e n t ) ：完成现场仪表设备之间的信息通信，并 为上层信息系统提供访问接口。底层设备通常有p l c 、离散智能i o 、d c s 系统、 f c s 系统，操作人员可以通过操作站软件方便地对控制器进行组态和下载程序。 最终实现实时数据采集、上下限报警、控制算法、现场存储和显示等。 2 ) 通讯网络( c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) ：为现场和控制中心搭建一个通讯 桥梁，通过有线或者无线方式把现场各种信息有效地传递到控制中心。 3 ) 控制中心( p r o c e s sm a n a g e m e n t ) ：提供各种人机接i ：1 ，根据现场管理平 台的设备提供的信息进行监视、控制和逻辑处理，一般有典型的组态软件嘲对其 进行处理，比如：i n f i x ，姗u c h ，m c g s 等。 4 ) 商业管理( b u s i n e s sm a n a g e m e n t ) ：服务于企业级的信息共享，完成信 息商业逻辑处理，进行商业决策，典型的系统有：e r p 、c r m 、m i s 等。 北京化工大学硕士学位论文 2 2s c a d a 系统的通信方式 s c a d a 系统的通信方式主要分为两大类：有线通信方式和无线通信方式。 有线通信包括架设光缆、电缆，或利用p s t n 、d d n 、a d s l 等，而无线通信一 般可选择卫星、扩频、超短波、微波和g s m 的短消息服务等通信方式i 。有线 通信对于地域广，测量点分散的应用场合并不适用，铺设电缆、架设光缆难度 大，不方便：采用p s t n 速度慢，易受到干扰，而且成本较高等等。相比之下， 无线通信方式则有许多自身的优点，如组网灵活，投资较少，维护简单等。但 无线通信方式中的卫星通信由于使用成本较高，在数据传输量不大的系统使用 会造成资源浪费，所以只用于一些特殊领域。扩频通信技术抗干扰能力强，保 密性好，但一般要可视距离。超短波和微波通信是利用电磁波进行的无线电通 信，目前应用比较多，但频点申请困难、易受外界干扰、速率低、信号覆盖范 围小、一次性建设费用较高。g s m 短消息方式也有很多应用，但实时性不强， 数据量小，传输速率低。 2 2 1 供水管网监测常用通信方式 目前，城市供水、供气管网一般采用p s t n 、超短波等通信方法。随着城市 规模的扩大，现代化、工业化进程的加快，这些传统的远程数据采集和通信方 式面临着诸多问题。进入2 1 世纪以来，电信部门加大了对g s m 网络建设的投 入，使其覆盖范围不断扩大，技术更加成熟，特别是g s m 网络到g p r s 网络的 升级，使得在许多城市利用已经建成的g p r s 网络来组建可靠、高效、快速、 合理的远程数据通信平台已经成为可能，同时它也成为各个行业应用领域通信 方式的发展方向。 利用g p r s 无线移动通讯网络提供的广域无线口接入，来建立城市供水供 气管网监测系统，实现现场测量数据的无线传输具有可充分利用现有网络，缩 短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。 2 2 2 g p r s 网络的通讯特点 g p r s 技术是新兴的2 5 g 无线通信技术，技术本身有着无法比拟的先进性 和前沿性，中国移动e , 经t - 2 0 0 2 年5 月正式在北京开通了g p r s 业务。其中g p r s 技术具有以下主要特点： 北京化工大学硕士学位论文 1 、良好的实时响应与处理能力。与短消息服务比较，由于g p r s 具有实时 在线特性，系统无时延，系统能够同时实时地读取、处理多个监测点的各种数 据，无需轮巡就可以同步监测点的时钟，可很好的满足系统对数据采集和传输 实时性的要求： 2 、远程仪器设备控制。由于采用g p r s 双向传输系统，监控中心可以反向 实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能； 3 、安装调试简单，建设成本低，建设周期短。利用现有成熟的g s m 网络， 系统投入运行时基本不需要调试，安装简捷。采用超短波通信时安装调试工作 量大，要先进行现场信号测试，天线铁架架设，天线方向角度调试等工作。 4 、覆盖范围广。s c a d a 系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接 入地点无限制，g p r s 网络能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。理论上在无 线g s m g p r s 网络的覆盖范围之内，都可以实现监控。 6 、数据传输速率高。g p r s 网络支持中、高速率数据传输，传送速率理论 上可达1 7 1 ，2 k b i t s ，实际应用时数据传输速率在4 0 k b i t s 左右，而目前一般的超 短波数传电台传送速率多为2 4 k b i t s 或更低。 7 、系统的传输容量大。监控中心站要和每一个管网监控点实现实时连接。 由于管网监控点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而g p r s 技术能很好地满足传输突发性数据的需要。 8 、通信费用低。由于g p r s 采用包月计费的方式，运营维护成本低，月通 信费用将在2 0 0 元之内。 9 、g p r s 采用分组交换技术。高效传输高速或低速数据和信令，优化了对 网络资源和无线资源的利用。 1 1 、g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。g p r s 的核 心网络层采用口技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的 i p 网无缝连接。 1 2 、g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔 的大量数据的传输。它支持四种不同的o o s 级别。g p r s 能在0 5 1 秒之内恢复 数据的重新传输【。 i 方案通信建设运营监控 传输速度操作实时性 1 名称方式成本成本 范围方式 北京化工大学硕士学位论文 p 洲电话线高较低 窄 5 6 1 c a p s 轮询差 电话线拨号 s m ss m s较低较高较宽1 6 0 字节庖并行差，不稳 短消息定 g s mg s m较低很高较宽1 4 4 b o s并行差 g p r s g p r s g s m 较低较低较宽 2 1 牛8 5 6 k b p s 并行高 s m s 表2 1 给出了g p r s 无线业务与其他网络业务的性价比较，从上表可以看 出基于g p r s 的在线监控方式具有较高的综合性能价格比。 g p r s 网为移动数据用户主要提供突发性数据业务，能快速建立连接 g p r s ，提供p t p 点对点和p t m 点对多点数据业务外还能支持补充业务和短消 息业务，另外还能提供种类繁多功能强大的以g p r s 承载业务为基础的网络应 用业务。g p r s 特别适用于以下三种情况： ( 1 ) 非周期性突发数据业务； ( 2 ) 频繁传送少量数据，每分钟传送几次小于5 0 0 字节的短数据业务： ( 3 非频繁传送大量数据每小时传送几次几千字节的长数据业务。 由此可见g p r s 数据业务非常适用于s c a d a 系统的数据传输的需求。 2 3城市供水s c a d a 系统的建立 城市供水管网监控系统可以对远程现场的运行设备进行监视和控制，以实 现管道压力、水流量的数据采集及阀门开关的自动控制，降低了故障率和提高 了对系统的反应时间，减少停水次数。各供水监测点的数据采集终端可自动采 集管道压力、水流量的实对数据与开关状态，并把信息传输到自来水公司的监 控中心，监控中心通过对传输回的数据进行分析，可找到出故障的地点，从而 当一个远端出现故障时，能在最短的时间内解决问题，恢复供水，提高了整体 的服务水平，从而实现了城市供水的信息化、现代化f 1 】f 】2 】。 经过对几种常见的通信方式进行分析比较，我们选择中国移动的g p r s 网 络作为城市供水管网监控系统的数据通信平台。目前，g s m 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 是中国移动新推出的g p r s 数据业务可提供广域的无线i p 连接。在移动通信公 北京化工大学硕士学位论文 司的g p r s 业务平台上构建自来水供水管网监控系统，实现管网j i 矗控点的无线 数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点。 供水站监测系统分成控制中心和供水站现场两级，由一个控制中心和若干 供水站远程终端以及二者之间的通信网络组成，系统总体方案如图2 2 。远程终 端安装在供水站内，对供水站内现场运行情况进行监测。控制中心配置一台服 务器，通过g p r s 通信网络，与分布在园区各处供水站内的远程终端建立连接， 完成远程监测的功能。通信网络是开放式的结构，远程终端的加入和退出完全 自由，而不影响整个系统的运行。 图2 - 2 供水站分布式监测系统总体方案 当s c a d a 系统升级到自动化供水调度系统的时候【1 3 i ，最终的功能可以概 要的描述如下： 1 ) 数据采集功能：根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，要求系统 对自来水管网及各水厂能够数据采集以下信息：合理分布在自来水管网上的测 压信号( 管网压力) ，各水厂泵的运行参数、电源供电情况、耗电量、当前功率 因素、水厂进，出水量、原水浊度、出厂水浊度、余氯、p h 值等： 2 ) 数据传输功能：将现场采集到的数据，或直接或通过各生产调度分系统， 实时地传递到生产调度中心主系统； 3 ) 数据显示及分析功能：生产调度中心主系统将获得的各类信息及数据， 经过分析、加工直观地、动画地显示出来：供生产调度指挥人员使用； 4 ) 报警功能：系统可对各水厂机泵运行异常，如电压、电流的不足或过载 等，管网压力不足或超限进行及时报警； 1 3 ， 北京化工大学硕士学位论文 5 ) 历史数据的存储、检索、查询及分析功能：根据公司生产调度中心调度 生产指挥和检索、查询及分析历史数据的需求，系统应具备实现历史数据的存 储、检索、查询及分析功能； 6 ) 报表显示及打印功能：系统可自动生成各种生产情况的日月年报表，并 可随时打印； 7 ) 遥控功能：根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，系统操作人员 可在生产调度中心实现对有关水泵实现开停遥控； 8 ) 网络功能：将现场采集到的数据送到网络服务器上，供其他系统使用。 9 ) 利用管网监测获取的几类重要的管网参数( 如管网测压点压力、泵站出 口水压力、泵站出口水流量、水池水位及管网系统用水量等) ，以统计分析理论 为基础，来建立供水管网的宏观结构性模型和其数学表达式【1 4 l 。 根据课题初期的需求分析，控制中心要实现的功能包括管理配置供水站远 程终端，巡检供水站的实时、历史数据，数据库信息管理。控制中心系统要求 稳定安全，可以不间断工作，所以这里选择采用了p c 服务器。系统环境是 w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库系统。关于控制中心系统软件 的具体设计，论文不作进一步的分析，可以参考供水站监测系统控制中心软件 设计的有关文档。 2