1概述

城市燃气是城市基础设施的重要组成部分，对社会环境和现代化城市建设起着举足轻重的作用。为了保证天然气输配管网的安全运行和稳定供气，提高现代化的供气管理水平，北京市燃气集团现已完成了一个自动化水平较高、覆盖范围广泛的SCA—DA系统(监控及数据采集系统)。

目前SCADA系统中采用的数据通信可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，租用电信部门的电话线或x．25(分组交换网)、DDN(Digital Data Network，数字数据网)、ADSL r Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线路)等。无线通信主要为短波通信、扩频通信、卫星通信、GSM(Global System for Mobile Communi’ cations，全球移动通信系统)通信及GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务)通信等。在燃气行业中，由于各监控点地理位置的特殊性，存在着如监测点数量多、分布范围广且距离远甚至地处偏僻等问题。鉴于电信部门对各种通信方式的投入、租费及服务等因素，目前使用较多的通信方式主要有：稳定性、可靠性高但租金昂贵的DDN有线通信；稳定性、可靠性相对较差但租金便宜的ISDNf Integrated Services Digital Network，综合业务数字网)有线通信；400 MHz短波无线通信方式。随着通信技术的不断发展完善，组网灵活、造价较低、建设期短、运行维护简单、性价比较高的无线通信在SCADA系统中逐渐成为一种趋势。GSM网络经过移动通信部门的多年建设，近年来覆盖范围不断扩大，已成为成熟、稳定、可靠的通信网络，特别是近年来推出的GPRS新业务，十分符合SCADA系统的使用特点。这样，在SCADA系统中采用GPRS网络来进行数据传输成为可能。

2 GPRS技术简介

2．1 GPRS的定义

GPRS是一种基于GSM的新型分组数据承载业务，也是一种高效、经济型分组数据交换技术。这种技术是利用分组交换(Packet-Switched)的概念所发展出的一套无线传输方式。分组交换就是将数据封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹。采用包交换的好处是只有在有数据需要传送时才会占用带宽，而且可

以按传输的数据量来收费，这对用户来说是一种 较合理的计费方式。

2．2 GPRS的工作原理

GPRS是一种基于GSM，面向用户提供移动分组的IP(Intemet Protocol因特网规程)数据业务，是第二代移动通信向第三代过渡的技术。GPRS采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。GSM空中接口的信道资源既可以被语音占用，也可以被GPRS数据业务占用。在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道。

在GPRS模块上实现TCP／IP协议(传输控制协谢网问协议)，在应用程序端安装数据中心软件数据中心拥有固定的IP地址(或域名)。GPRS模块登陆上GSM网络后，自动连接到数据中心，向数据中心报告其IP地址，并保持和维护链路的连接。GPRS模块监测链路的连接情况，一旦发生异常, GPRS模块自动重新建立链路。数据中心和GPRS模块之间通过IP地址用TCP／IP协议进行双向通信，实现透明的、可靠的数据传输。

2．3 GPRS技术特点及优势

2．3．1 GPRS技术特点

GPRS是一种高效的无线系统，它允许移动用户以分组方式发送和接收数据，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，该技术具有如下特点。

①资源利用率高

GPRS引人了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。

②适用于远程数据监控

GPRS可提供高达115 kb／s的传输速率(最高 理论值为171．2 kb／s)，这使得实时传输监控数据成为可能。

③接入时间短

分组交换接人时间<1 s，能提供快速即时的连接，可大幅度提高远程监控等工作的效率。

④支持IP协议

GPRS支持Internet网络上应用最广泛的IP协议和x•25协议。由于GSM网络覆盖面广，使得 GPRS能提供Internet网络和其他分组网络的全球性无线接人。

2．3．2 GPRS技术优势

①永远在线

GPRS模块一开机就能自动附着到GPRS网络上，并与通信前置机建立通信链路，需监测的所有站点可以实时上传数据，并发传输不会发生冲突。

②节省费用

建设前期不需要架设天线；使用中按流量计费，即按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量时不收费用。

③传输质量高

GPRS网络的传输速率理论上可达171．2 kb／s．根据北京移动通信有限责任公司(以下简称t。北京移动公司)的网络情况，目前可提供20。40 kb／s的稳定传输速率。

④组网简单、迅速、灵活

可以通过Internet网络随时随地构建覆盖全国的虚拟移动数据通信专用网络，接人便利，降低造价。

⑤维护简单

由于采用北京移动公司提供的GPRS数据业务，链路维护也由该公司负责，因此免除了通信链路维护的后顾之忧。

⑥传输不受距离限制

只要是GPRS数据网络覆盖的地方，就可以与中心站通信。

⑦扩容方便

扩容站点数量不受限制，不需架设天线，且站点增加不会影响巡检周期。‘

3 GPRS在SCADA系统中的应用

3．1 北京燃气SCADA系统概况

随着社会公用事业不断发展，燃气管网规模越来越大。管网监测点数据的采集和实时传输是管网稳定、可靠运行的安全保证，可靠保证与经济利益双赢是我们努力的目标，因此要求SCADA系统必须能够在较低费用的前提下提供及时、准确的信息。

目前北京燃气SCADA系统在结构上包括两个调度中心，互为冗余。在两个调度中心分别针对不同压力级制的管线设置高中压管网监控和中低压管网监控系统。其中高中压管网监控系统在通信上采用DDN为主，短波通信为辅的方式；中低压监控系统主要采用短波通信的方式。

目前GPRS数据通信网络较为成熟，已在供水、配电、交通等领域广泛使用。我公司也多次成功进行了多个监测站点的GPRS传输试验，而且在SCA． DA系统扩容时，我们对新增站点采用了GPRS的通信方式。这些新增的GPRS站点可无缝接人现有SCADA系统，其他功能均保持不变，目前系统运行稳定。

3．2利用GPRS实现数据传输

3．2．1 通信流程

RTU(远程终端控制单元)采集现场有效数据存储在DTU(数据采集传输单元)中，DTU通过北京移动公司GPRS网络传送到调度中心以太网，经GPRS通信前置机接收处理，存储到数据库服务器并最终体现在工作站服务器中。同时各种指令经工作站服务器通过GPRS通信前置机处理，由北京移动公司GPRS网络传送到DTU，再由DTU控制RTU进行相应操作。

3．2．2基本工作原理

在每个远程监测终端站配置一个GPRS的DTU与RTU的通信口相连，每个DTU模块中设有唯一的ID号、授权的用户名和密码、移动数据服务中心的地址、主调度中心通信前置机的地址。DTU会通过GPRS网绔自动找到通信前置机并与其建立连接，向前置机报告其IP地址(动态／静态)，用TCP／IP协议进行双向通信，实现透明的、可靠的数据传输，并一直保持和维护链路的连接。DTU会监测链路的连揍晴况，一旦发生异常会自动重新建立链路，通信前置机和DTU之间就可以重新通过IP地址 (动态／静态)进行数据通信。

3．2．3数据通信实现过程

我们租用一条2 Mb／s的DDN专线作为燃气调度中心与北京移动数据中心之间的数据专线，完成调度中心与GPRS网络的接人。为保障通信系统稳定运行，系统专门设置管理GPRS通信的通信前置机。通过这台通信前置机、RTU、DTU与北京移动公司GPRS网络的协调工作，实现系统的数据采集传输，具体实现过程如下。

①远程终端站将采集的数据存储到其DTU寄存器中。

②通信前置机以一定的时间间隔(可设置)轮巡各远程监测终端站点，当各站点接收到轮巡命令后，则将寄存器中带有时间标签的数据、状态信息通过GPRS网络上传至通信前置机。同时各远程终端站在突发事件发生时(如参数超过报警限值、外接电源停电等)，数据主动“举手”自报，实时上传 (带时间标签)。

（3）通信前置机通过GPRS解析处理软件和通信数据处理软件将接收到的数据及通信成功率等参数，通过调度中心内部以太网传送到SCADA系统，在iFLX (SCADA自动化监控组态软件)工作站将这些数据以多种形式(图形、图表、曲线等)呈现，同时将数据存储到数据库中。

3．3 GPRS系统组成及功能

3．3．1通信前置机

通信前置机是整个系统的核心，肩负着数据传输枢纽的重任，它实时接收由远程监控终端发送过来的各种数据，并进行存储、转发、解析或显示；同时也接收中心工作站发送过来的监测、控制等各种指令，并将这些指令转发给相应的远程监控终端。其功能主要有：

①通过移动的AL)N(Access Point Name，业务接人点)专用GSM／GPRS网络对DTU的GPRS模块提供各种数据通信服务，包括呼叫、数据通信及合法性检查等。

②数据库操作：将通信记录转发给数据库服务器并存入相应数据信息库。

(3)接收各远程监控终端的报警，并做相应的处理。

通信前置机的特殊作用决定了其既要和企业内部的各个工作站、服务器联网，又要和外部的北京移动公司GPRS网络联网。内部的联网通过交换机组成一个计算机网络相对简单。通信前置机与外部GPRS网络的联网采用通信前置机与专线连接的联网方式。使用这种联网方式，通过专线(2 Mb／s的DDN)接人北京移动公司的路由器，北京移动公司为我们提供私有的IP地址及1个专用的APN。这样的联网数据安全性好，稳定可靠，传输延迟小。由于要租用DDN专线、APN及私有IP地址，租金相对较高。

3．3．2数据库服务器

数据库服务器基于SQL SEVER 2000平台，负责储存所有监控站点的各种采集数据、历史数据、状态参数等，并向通信前置机和中心工作站服务器提供数据服务。

3．3．3监控中心工作站服务器

位于调度中心内，基于WINDOWS操作平台，通过简单、方便的操作实现各种查询、处理功能。

3．3．4数据采集传输单元(DTU)

DTU采用国际先进的微功耗大规模集成电路，它由无线通信单元、电源、控制板、LED(半导体发光二极管)显示及阀门组成。内嵌TCP／IP协议栈、标准RS232串行数据接口、掉电数据保护及内置看门狗。

DTU利用GSM无线公网中的数据传输功能 (即GPRS无线网络方式)来实现对监控现场各种数据的远距离无线传输。DTU内置GPRS模块，并配有一张开通GPRS服务的SIM卡(Subscriber IdentityModule，用户标识模块)。它的功能是接收从通信前置机发送过来的各种指令，并将这些指令传送到与其相连的RTU中；同时它也负责接收RTU发送过来的各种数据并反馈到通信前置机。

DTU内还储存前置机的IP地址，DTU一旦加电便自动运行，搜索GPRS网络，向前置机注册并连接。若没有数据传输时便进入休眠状态，一旦有数据要传送或收到指令则重新登陆到前置机进行数据传输。DTU具有自报功能和永远在线功能.各终端站在参数超过报警量程或重要开关量发生变化时，终端站主动实时上传参数数据，所有上传的参数数据带有时间标签。也可以人为定义定时自报功能，各终端站定时自报数据到调度中心，所有终端站自报不会产生冲突。

各远程终端站自动定时(可设置)检测GPRS通信信道，当检测到断线时，自动完成GPRS链路的重新建立，从而保证了各终端站的永远在线功能。

3．3．5远程终端控制单元(RTU)

远程终端控制单元一般为无人值守站，分布在全市范围内。RTU采集站内各仪表分层值(如进口压力、出口压力、温度、环境温度等)、实际值(如瞬时流量、累积流量等)和各种开关量、异常信息等，经RS232接口并利用MODBUS协议和DTU进行数据传输；同时接收并执行经DTU传送过来的各种指令。

3．4系统管理软件功能

通信前置机的GPRS解析处理软件和通信数据处理软件实时巡检和接收终端站的数据，完成调度中心对终端站数据的采集。GPRS解析处理软件和通信数据处理软件合二为一，24 h实时运行，通过友好直观的界面设置，实现以下功能。

①GPRS解析功能

各监控终端站通过GPRS网络上传数据，通信前置机通过对数据的解析处理，将各种类型的数值转换为需要的参数数据。通信前置机同时将系统巡检命令解析后下发给相应的监控终端站。

②巡检功能

通信前置机通过对各终端站的巡检，实时读取现场终端站的数据。对终端站巡检周期的设置可在通信前置机内方便操作。由于调度中心的GPRS采用数据专线接人，巡检周期不受站点数量的限制。可以通过分组轮巡的方式将终端站分成多组，按照我们的要求设置巡检周期。

③时钟同步功能

通信前置机定时向各远程终端站发送时钟同步命令，完成系统时钟同步功能。

④通信状态显示功能

通信前置机通过直观的界面显示系统的通信情况，包括站信息、巡检队列、校时队列、上报参数显示、巡检实时显示、GPRS相关信息显示、服务控制信息、校时信息等。

⑤远程设置参数量程及报警量程功能

通信前置机可以远程下发设置参数量程及报警量程给相应的监控终端。

3．5系统安全性

系统安全性是SCADA系统必须考虑的问题。无线网络没有固定网络安全，这是因为任何人都可以在不影响运营设备的同时，侦听和发射无线电波。为了保证用户传输信息的保密性，GPRS采用了多种措施：移动终端鉴别、接入控制、用户信息加密等。同时我公司采用专线接入GPRS方式保证了专线专用，避免了恶意侵入的发生。

3．6系统运行成本

①系统中心IP地址的租用费。此IP地址可以是静态IP也可为动态IP。静态IP仅供内部使用，链路稳定性更高且便于管理，但租用资费较高；动态IP地址由移动通信公司随机分配，适应于一般管理，租用资费较低。

②系统数据流量费用。收费标准有包月制和按数据量两种收费方式，选用时可按监控终端实际情况而定。

随着技术的升级和应用业务的不断普及，其资费标准会逐步降低。

4 GPRS的不足

GPRS的不足主要是对移动通信部门有依赖性。由于系统建设运行需借助GSM网络，这就造成SCADA系统的数据通信受到移动通信部门的制约。虽然目前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情况发生，这会造成系统数据中断，影响系统的数据分析处理。相比之下采用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，在工作中处于主动地位。

此外, GPRS技术本身也有一定的局限性。它采用分组交换连接，这比电路交换连接的可靠性要逊色一些，在网络拥塞的情况下，使用GPRS可能会发生一些丢包现象，分组交换传输时延也不可避免。

5结语

部分远程监控站自采用GPRS通信方式后，系统运行良好且与原SCADA系统兼容良好。合并后的SCADA系统能够整体掌控各监测站点的数据，对各种数据进行综合分析、判断和决策，及时对气源、储存、输配、供应进行平衡合理调度，不仅提高了管网科学化管理水平，也增强了办公自动化能力，具有显著的社会效益和经济效益。