水处理SCADA系统无线通讯的探索研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.67MB 67 页 15积分
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摘 要
以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化SCADA系统，有着广泛的应用
领域。水处理SCADA系统正是其应用领域之一，分为污水处理和自来水生产工艺
及管网供水监测两大主要部分。在水处理数据通讯网络中，远程终端设备 (RTU，
Remote Terminal Unit)与主控制中心站(MCC，Main Control Center)的实时数据交换
尤为关键。因此，通讯技术就成为制约水处理SCADA系统的关键要素，通讯技术
与设备的选择是构建SCADA系统最丰富多彩的部分，SCADA系统设计是否合理，
通讯技术的选择十分重要。
SCADA系统中采用的数据通信方式可简单地分为有线和无线两大类。本文的
主要工作就是详细分析超短波无线数传电台、
GSM短消息业务及GPRS网络等几种
常用无线通信方式在水处理SCADA系统中的应用，比较了这几种无线通信方式工
作的特点及优缺点，并结合具体实例分别给出这几种无线通信方式在具体应用中
新的突破尝试之处。
在文章最后，作者根据在实际工作中的体会，总结了论文写作过程中的主要
收获和论文的不足，指出了在今后的研究工作中要继续深入的环节。
关键词：污水处理 SCADA 系统 数传电台 GSM 短消息业务
GPRS
ABSTRACT
SCADA, which is production process control and scheduling automation based on
computer, has a wide range of applications. Water treatment is one of the applications,
and sewage treatment, the technics of water production and supply monitoring are its
two main parts. The real-time data exchange is especially critical between RTU and
MCC in the data communication network of water treatment. As a result,
communication technology has become the key element to constraint water treatment
SCADA, and the choice of it and equipment is the most colorful part to build SCADA,
which is very important whether the SCADA design is reasonable or not.
It can be simply divided into two major categories about the data communication
used in SCADA, wired and wireless. The main work is a detailed analysis of some
wireless communications applied in water treatment SCADA, such as FM wireless data
transformation station、GSM short message service and GPRS network, a compare
about their features, advantages and disadvantages, new attempt to break through used
in specific applications about such wireless communications, combined specific
examples.
According to the actual work, this thesis gives the main fruits and the shortages,
and points out the orientation of research for the future.
Key Word：Sewage treatment, SCADA, Data transformation station,
GSM, Short message service, GPRS
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................................................................... 1
§1.1 课题的提出及意义 .......................................................................................... 1
§1.2 国内外研究现状 .............................................................................................. 2
§1.2.1 国外研究现状 ............................................................................................ 3
§1.2.2 国内研究现状 ............................................................................................ 3
§1.3 论文的主要工作及内容安排 .......................................................................... 4
第二章 水处理 SCADA 系统总体结构 ....................................................................6
§2.1 水处理行业生产工艺 ...................................................................................... 6
§2.1.1 污水处理工艺泵站输送系统简介 ............................................................ 6
§2.1.2 自来水厂生产工艺 .................................................................................... 7
§2.2 SCADA 系统总体结构 .....................................................................................8
§2.2.1 远程控制终端 RTU ....................................................................................9
§2.2.2 控制中心 MCC .......................................................................................... 9
§2.2.3 通讯网络 .................................................................................................. 10
§2.3 无线通讯的几种常用模式 ............................................................................ 12
§2.3.1 有线系统 .................................................................................................. 12
§2.3.2 无线系统 .................................................................................................. 13
第三章 超短波数传电台无线通讯 ........................................................................... 14
§3.1 数传原理及网络结构 .................................................................................... 14
§3.2 数传电台传输性能优势及其影响因素 ........................................................ 16
§3.2.1 数传电台传输性能优势 .......................................................................... 16
§3.2.2 影响数传电台传输的主要因素 .............................................................. 17
§3.3 数传电台信道设计、接口编程及协议 ........................................................ 17
§3.3.1 信道设计 .................................................................................................. 17
§3.3.2 串口通信 .................................................................................................. 18
§3.3.3 通讯协议 .................................................................................................. 20
§3.4 典型应用实例解析 ........................................................................................ 21
§3.4.1 松江北部污水厂 ...................................................................................... 21
§3.4.2 松江自来水公司 ...................................................................................... 24
§3.5 结语 ................................................................................................................ 27
第四章 GSM 短消息业务通讯 ..................................................................................28
§4.1 短消息服务业务及其数据格式 .................................................................... 28
§4.2 GSM/SMS 技术 .............................................................................................. 30
§4.2.1 SMS 原理 .................................................................................................. 30
§4.2.2 SMS 特点及应用 ...................................................................................... 31
§4.3 GSM 短信处理机制 ........................................................................................31
§4.4 典型应用实例解析 ........................................................................................ 32
§4.4.1 松江东部污水厂 ...................................................................................... 32
§4.5 结语 ................................................................................................................ 37
第五章 GPRS 移动通讯 ............................................................................................ 38
§5.1 GPRS 原理及技术特点 .................................................................................. 38
§5.2 GPRS SCADA 系统结构及其数据传输方式 ................................................39
§5.2.1 采用 GPRS 技术的 SCADA 系统结构 ...................................................39
§5.2.2 采用 GPRS 技术的数据传输方式 .......................................................... 39
§5.3 GPRS 移动通讯的优缺点 .............................................................................. 40
§5.3.1 应用 GPRS 技术的优势 .......................................................................... 40
§5.3.2 应用 GPRS 技术的不足 .......................................................................... 41
§5.4 典型应用实例解析 ........................................................................................ 41
§5.4.1 松江污水处理厂 ...................................................................................... 41
§5.5 结语 ................................................................................................................ 46
第六章 结论与展望 ................................................................................................... 48
§6.1 全文总结 ......................................................................................................... 48
§6.2 进一步工作 ..................................................................................................... 48
附录 1系统实现主要源代码 .................................................................................... 50
附录 2论文录用证明 ................................................................................................ 63
参考文献 ..................................................................................................................... 63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 65
致 谢 ......................................................................................................................... 66
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的提出及意义
水是人类生存的基本条件，是国民经济的生命线。日益严重的水资源短缺和
水环境污染不但严重困扰着国计民生，而且已经成为制约社会经济可持续发展的
主要因素。随着水污染的出现和水体质量日趋恶化，水环境已不能满足人们生活
及生产用水质量的要求，水处理便应运而生，并随着人们的认识和实践活动而逐
步发展起来。
随着生产过程自动化程度的提高，人们希望能够对生产过程，特别是处于分
散状态的生产过程实现集中监视，控制和统一管理，于是将控制器与广域网相结
合的 SCADA 系统应运而生。SCADA 系统可以通过广域网(WAN)对现场运行的设
备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节及各类信号报
警和各项功能。由于起传输媒介采用广域网传输数据，所以特别适合在水利、石
油、热网、交通等通信距离较远，不便铺设电缆的场合或数据采集站点位置不固
定的行业中应用。
计算机自动化SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) 技术又称计
算机四遥（遥测、遥控、遥信、遥调）技术，在给排水行业得到广泛的应用，取
得了良好的经济效益与社会效益，已形成了造福社会的产业规模[1]。其中，通讯系
统是整个系统数据远程传输的重要环节，目前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(2.4G、5.8G)、卫星通信、GSM数字蜂窝
通信系统等。
本课题结合上海松江几个污水处理厂以及自来水公司的实际，针对各污水提
水处理 SCADA 系统无线通讯的探索研究
2
升泵站与污水厂区中控室之间的数据传输特点以及自来水测压点、水厂与自来水
公司调度室之间的数据传输特点，从数据的传输量大小、定时或非定时及实时发
送、传输的距离长短、以及造价成本和使用成本等方面，分析比较了几种常用无
线通讯传输方式的优缺点，为生活实际中的SCADA系统提供通讯选型依据；并且
具体实现了几种不同的通讯方式，为SCADA系统提供通讯实例。
SCADA系统，它集中了PLC系统的现场测控功能和DCS系统的信息共享和组
网通信能力的两大优点,将先进的计算机技术、工业控制技术、通信技术有机地结
合在一起，既具有强大的现场测控功能，又具有极强的组网通信能力，实现远程
遥测和遥控功能，它为实现远程自动化数据采集和远程控制提供了最基本的平台。
该课题在PLC端及计算机端都要求实现传统无线数传、短消息方式GSM网络通讯
以及移动GPRS网络通讯。
综上所述，水处理SCADA系统无线通讯的探索对于提高水处理行业自动化生
产水平，提高值守人员工作效率，具有深远的现实意义：
第一，大大提高工作效率：相比于原先的外围泵站或测压点人工手动抄写数
据，再通过电话等形式将数据告知控制中心或者控制中心也通过电话的形式将泵
站的启停命令传达到外围泵站，使用无线通讯 SCADA 系统实时性更强，中控室
能够更快速地接收到外围泵站或测压点数据以及传达命令。同时应对突发情况，
也能够更及时地作出相应。
第二，大大节省人力物力资源：由于使用 SCADA 系统无线通讯，省去了人
工抄写数据等繁琐程序，甚至在外围泵站能够实现无人值守，这样就大大节省了
人力物力资源。而且无线通讯 SCADA 系统建设周期短，投资费用相对合理，真
正做到了一劳永逸。
第三，系统维护方便，扩展性优：SCADA 系统无线通讯一经建好，就可立
即投入生产活动当中，出现问题时，只需在 RTU 及MCC 两端排查，简单方便就
可找出问题所在，而且可暂时使用人工代替通讯从而不会影响生产运行情况。另
外，当工程需要增加外围泵站或测压点时，系统升级操作程序就会比有线通讯时
要另外再铺线路简单，只需修改软件中程序就可完成。
§1.2 国内外研究现状
随着生产过程自动化程度的提高，SCADA 系统越来越多地被人们所关注，
其通讯方式也广泛地引起了人们的研究，并不断涌现出新的通讯模式以进一步丰
富自动化领域水平。当前国际上一些权威期刊如 IC(International Correspondence)、
第一章 绪论
3
IJIA(International Journal of Information Acquisition) 和重要的学术会议如
IFITA(International Forum on Information Technology and Applications) 等都将
SCADA 系统的无线通讯作为主题内容之一，为该领域的研究人员提供了更多的
交流机会。
§1.2.1 国外研究现状
在国外，SCADA 系统的无线通讯应用除了一些传统的方式，如短波微波通
讯、GSM 网络移动通讯、卫星通讯之外，结合高速发展的计算机科技水平，不断
研究开创出新的通讯模式，例如 Zigbee、蓝牙、WiFi 及IEEE 802.11 等都是当今
新兴的研究技术。蜂窝网络概念的引进，也推出了一系列新的技术，如 CDPD 技
术、Mobitex 通信技术等。特别是 3G 时代的到来，GPRS、CDMA 也是当今人们
研究的热点领域。
3G 是第三代移动通信技术，是下一代移动通信系统的通称。标准主要有
GSM/GPRS/WCDMA /EDGE/ TD-SCDMA。3G 系统致力于为用户提供更好的语
音、文本和数据服务。与现有的技术相比较而言， 3G 技术的主要优点是能极大
地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利用在不同网络间的无缝
漫游技术，可将无线通信系统和 Internet 连接起来，从而可对移动终端用户提供
更多更高级的服务。
3G 技术的标准：国际电信联盟(ITU)早在 2000 年5月即确定
了W-CDMA、CDMA2000 和TD-SCDMA 三个主流 3G 标准。
目前，无线通信的发展向两个方向进行，一是向更高的频率更宽的频带发展,
如公网的移动通信另一个方向是用更好的技术、更新的技术思想去发展VHF/UHF
的窄带(25kHz)通信，提高频带利用率，在25kHz的带宽内实现更高的数据传输速
率，目前已实现了64kbps的数据速率。
§1.2.2 国内研究现状
在国内，由于工控行业起步相对较晚，无线通讯领域大多参照国外的标准。
但随着应用的不断深入推广，各种无线通讯方式也都得到了丰富的应用空间。同
时，中国也致力于该行业标准的完善，例如 TD-SCDMA 正是中国电信百年来第
一个完整的通信技术标准。TD-SCDMA 全名是 Time Division-Synchronous Code
Division Multiple Access
（时分同步的码分多址技术）是 ITU 正式发布的第三代移
动通信空间接口技术规范之一，它得到了 CWTS 及3GPP 的全面支持，是可替代
UTRA--FDD 的方案，是集 CDMA、TDMA、FDMA 技术优势于一体、系统容量
摘要：

摘要以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化SCADA系统，有着广泛的应用领域。水处理SCADA系统正是其应用领域之一，分为污水处理和自来水生产工艺及管网供水监测两大主要部分。在水处理数据通讯网络中，远程终端设备(RTU，RemoteTerminalUnit)与主控制中心站(MCC，MainControlCenter)的实时数据交换尤为关键。因此，通讯技术就成为制约水处理SCADA系统的关键要素，通讯技术与设备的选择是构建SCADA系统最丰富多彩的部分，SCADA系统设计是否合理，通讯技术的选择十分重要。SCADA系统中采用的数据通信方式可简单地分为有线和无线两大类。本文的主要工作就是详细分析...

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