新型CDMA环境自动化网络监控系统

【摘要】 SCADA技术建立在3C+S(Computer、Communication、Control、Sensor)基础上。以上四种技术近来发展很快，不断推出新技术、新产品，同时很多旧技术和产品也无情地遭受被淘汰的命运。
1．中国联通新时空

   CDMA具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。CDMA移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，容量和质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使 CDMA比其它系统有非常重要的优势。
   a、系统容量大。理论上使用相同频率资源的情况下，CDMA移动网比模拟网容量大20倍，实际使用中比模拟网大10倍，比GSM要大4－5倍。
   b、系统容量的配置灵活。在CDMA系统中，用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。但对用户数并无限制，操作者可在容量和话音质量之间折衷考虑。另外，多小区之间可根据话务量和干扰情况自动均衡。
   c、通话质量更佳。CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。另外，CDMA系统"掉话"的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，"先连接再断开"，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。
   d、频率规划简单。用户按不同的序列码区分，所以不相同CDMA载波可在相邻的小区内使用，网络规划灵活，扩展简单。
   e、延长手机电池寿命采用功率控制和可变速率声码器，手机电池使用寿命延长。
   f、建网成本低。CDMA网络覆盖范围大，系统容量高，所需基站少，降低了建网成本。
由于CDMA网络有以上诸多优势，所以在SCADA系统使用时有一下特点：
1)实时的透明传输，数据传输迅速准确；
2)更合理地按流量计算费用，使运行费用更加低廉；
3)网络覆盖范围广，布点方便，扩容简单；
4)系统兼容性强，组网简单而迅速；
5)安全性高，维护费用低廉。

2．SuperE RTU介绍

北京安控科技发展有限公司针对自来水企业的生产特点，开发出了适合于不同场合应用的RTU产品。以SuperE为代表的通用一体化RTU系列产品，可广泛地应用于城市企业自动化SCADA系统中。
SuperE RTU特点：

一体化设计，结构合理，可直接应用于工业现场。
1)自带电源，可直接用220VAC供电，也可使用24VDC供电。
2)具有省电模式，可用太阳能电池供电，并具备电池充电和后备功能。
3)提供隔离的24V电源输出，可用于现场仪表供电。
4)自带显示和按键，用于现场操作。
5)可直接壁挂式安装，并采用多层接线端子，现场安装和接线非常方便。

配置合理，具有很强的现场适应能力。
1)具有AI、DI、AO、DO、PI等多种类型的输入、输出信号。
2)可检测液位、压力、流量、启停状态等不同类型的信号。
3)可满足开关、报警、连续调节等不同类型的控制要求。

强大的软件功能，可以满足各种灵活控制、复杂运算的要求。
1)支持逻辑梯形图语言、C语言编程及屏幕组态功能。
2)支持实时多任务、PID算法和各种气体流量算法。
3)提供多种专用的检测、控制软件包。

具有RTU和PLC的双重优势，应用灵活。
1)无须编程，通过简单的屏幕组态和参数组态就可实现一般的检测及控制。
2)使用梯形图语言、C语言和屏幕组态可进行二次开发。
3)可脱离系统独立工作，也可联网工作。

灵活的通讯方式，标准的通讯协议，可方便地组成SCADA系统。
1)提供两路对外串行接口。
2)可配接多种通讯设备，实现有线、无线通讯。
3)支持标准的MODBUS RTU/ASCII通讯协议，也可自定义通讯协议。

现场监控和远程监控兼备，为系统操作、诊断、维护和升级提供了方便。
1)通过现场显示、按键或远程计算机可对现场设备进行监控。
2)程序可现场下载或远程下载。
3)可实现现场或远程诊断、维护、升级。

工业标准设计，能够工作于各种恶劣环境。
1)内部器件均选用优秀的工业级产品。
2)使用温度可达-40℃~70℃，存储温度达-50℃~80℃。
3)不需要特殊的加热器或冷却装置。

充分的可靠性设计，严格的质量检验，为用户提供了可靠的保证。
1)电源、信号入出口均有保护措施，并与主控电路隔离。
2)具有看门狗及数据掉电保护功能。
3)产品的研制、生产、检验严格按照ISO9001质量体系标准进行。

3．CDMA DTU介绍


   CDMA无线数据通信系统为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。

   CDMA DTU有如下特点：

1) 透明数据传输  CDMA DTU直接提供RS-232/422/485接口，为用户的数据设备提供透明传输通道。
2) 无需后台计算机支持 普通CDMA Modem通常需要在PC机上进行虚拟拨号上网，利用PC机的资源进行数据收发和协议转换， CDMA DTU内置自动网络连接和协议处理模块，无需后台计算机支持。
3) 点对点、点对多点、对等、实时数据传输  CDMA DTU可以实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输，传输时延一般小于1秒。
4) 永远在线  CDMA DTU一开机就能自动 登录到CDMA网络上，并与您的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据。
5) 按流量计费  CDMA DTU一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，不收费用。
6) 高速传输 CDMA 1X网络传输速度最快将达到300Kbps，速率的高低取决于运营商的网络设置，根据中国联通的网络情况，目前可提供80~100Kbps的稳定数据传输。
7) 组网简单、迅速、灵活 H7000无线数据通信系统可以不依赖于运营商交换中心的数据接口设备，通过Internet网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟无线数据通信专用网络。

二． 基于CDMA环境的网络控制系统
1. 系统组成

   系统现场设备由SuperE RTU和DTU构成。RTU采集现场设备的状态、控制信号，依据要求完成设备的监视和控制。RTU可以实现如下功能：
检测功能
1)压力、液位、电压、电流、热电阻、热电偶等信号检测（模拟AI量检测）。
2)电机启停、阀门开关、位置开关状态等信号检测（数字DI量检测）。
3)液体、气体流量的瞬时检测（模拟AI量或脉冲PI量瞬时检测）。
4)液体、气体流量的累积检测（模拟AI量或脉冲PI量累积检测）。

控制功能
1)变频器、PID调节、回路调节、气动阀调节等控制（模拟AO量输出控制）。
2)电动阀位、电机启停、定时开关等控制（数字DO量输出控制）。
3)报警指示、报警电铃、紧急关断等控制（数字DO量输出控制）。

远程通讯功能
远程监控、远程操作、远程诊断、远程维护、远程升级。

现场操作功能
1)自带显示屏及按键，具有在线显示对比度及背光调节功能。
2)现场监控、现场操作、现场诊断、现场维护、现场升级。

参数组态功能
通过现场或远程参数组态，可实现不同的检测、控制功能。

二次开发功能
1)使用计算机及相应软件工具，用户可自行开发，赋予其新的功能。
2)梯形图编程、C语言编程、屏幕显示组态、参数组态。

数据保护功能
程序、参数、历史数据掉电保护，保持时间达十年以上。

自检功能
1)通过自检功能，可检查其硬件故障。
   DTU完成RTU到数据服务中心的通讯。CDMA 1X理论带宽可达300Kb/s，目前的实际应用带宽大约在100Kb/s左右(双向对称传输)，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。
   数据中心的数据接入采用计算机网络接入，网络的接入服务器有固定IP，经端口映射至数据中心服务器，参见下图：

2．SCADA系统机构
多层结构
   对各系统需要实现的功能进行层次划分，然后按层实现各项功能；系统具体分层体系结构为：用户服务层，数据管理层，数据采集层；
   用户服务层，向用户提供可视界面，用户通过浏览器向数据管理层发出服务请求，获得信息服务。
   数据管理层，接受用户服务层的请求，向用户服务层返回结果；向数据采集层发出请求，接受返回结果，并进行加工、处理和维护。
   数据采集层，与各装置的控制系统互联，进行数据采集；向数据管理层发送数据。
   基于此多层体系结构，开发出一种符合需求的生产过程实时信息集成系统---这是基于B/S/C（Browse/Sever/Collection）模型的Web发布应用体系结构。很好解决了与企业Intranet的有效集成。
分布控制
   系统对各具体设备的控制实行分布式控制系统，具体的数据采集和控制实现由分布在各设备的远程控制单元RTU完成；远程控制单元RTU完成设备工艺要求的逻辑控制，和系统需求的数据采集，并接收控制中心的控制命令和向数据采集系统传送其采集到的实时数据。
集中调度
   系统将将建立监控调度中心，实现整个系统的集中监控调度；监控调度中心包括对天然气中心自动控制系统出现的警告进行记录和报警；整个控制系统对运行数据进行采集和存储；实现其他对系统数据的访问和对其他系统控制请求进行处理。
统一管理
   统一管理是对整个系统的管理软件以及管理模式实行集中统一的管理协调，以利于整个系统协调高效的运行，和对系统集中监控调度进行有力的支持；
3 . CDMA网络通讯上的优势
    传统通讯方式一般采用串口通讯方式，通讯方式一般采用RS232、RS485、租用专线、电话网、无线电台、卫星等，该方式一般采用轮询方式或者主发协议，利用串口方式利用串口资源进行通讯，这样系统工作效率非常低下，同时由于串口的速率很低，所以串口的瓶颈在于大数据量的数据采集与传输。
    而CDMA网络通讯系统是利用以太网及Internet方式进行通讯，而以太网方式为点对点或多点。TCP/IP协议的基本传输单位是数据包(datagram),TCP协议负责把数据分成若干个数据包，并给每个数据包加上包头(就像给一封信加上信封)，包头上有相应的编号，以保证在数据接收端能将数据还原为原来的格式，IP协议在每个包头上再加上接收端主机地址，这样数据找到自己要去的地方(就像信封上要写明地址一样)，如果传输过程中出现数据丢失、数据失真等情况，TCP协议会自动要求数据重新传输，并重新组包。总之，IP协议保证数据的传输，TCP协议保证数据传输的质量。此种可以大大提高通讯方式的效率，这样在系统子站多的情况之下，系统通讯效率成十倍数的提高。
三． 多行业推广应用
   此控制系统适合于在有很大的应用范围，几乎所有低中高速率的数据传输业务都可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、煤气管道自动化、商业POS机、INTERNET接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等 ，此外还可以传输动态视频图像。
1．城市集中供热、换热系统
   本系统应用于城市集中供热，主要解决市区集中供热锅炉、城市供热交换站及热网运行状态监测，及时有效地获取城市供热、输热、管网末端运行数据，为供热管网的质调和量调提供科学的依据。该系统由城市供热监控 RTU、CDMA无线DTU、管网控制中心三部分组成。用户供热监控 RTU分别采集用户端的温度、压力、流量、热量等现场热工参数并经过CPU处理后，完成对供热交换站的控制，并通过 CDMA DTU实时发送到CDMA网络，该数据经由网络传递到Internet，再通过ADSL传送到用户的管网控制中心。中心软件运行在WINDOWS 2000/NT操作平台上，采用过程控制软件设计开发而成，系统通信可靠，稳定性好，并且降低了成本。界面采用我们熟悉的Windows风格界面，窗口菜单的形式。界面友好，操作简单方便，可实现强大的通讯功能、计算功能、查询功能、打印功能，真正实现了高效率和办公自动化。系统强大的网络功能使多点连接、实现网络化管理变得简单易行。

2．城市管网数据远程监测系统
   随着社会的发展，各种管网(热、水、电、油、煤气等)越来越多，管网测点数据的采集和及时传输是管网稳定、可靠运行的保证，要求计算机管网监测系统必须能够在较低费用的前提下提供及时、准确的信息。然而，在使用的过程中，传统有线、无线的管网监测系统的不足之处逐渐凸现出来。采用电话线传输数据，不能保证实时性；采用无线电台，解决误码率和波特率的矛盾尤其抗干扰是一个令人头疼的问题；采用专线电路，不可能对所有大面积分散的数据采集子站进行专线铺设，更不能承担高昂的运行费用。
   针对这些问题，开发人员，在多年的网络测控经验的基础上，采用目前世界上最先进的数据通信技术开发管网数据远程监测系统，管网数据远程监测系统采用先进成熟的CDMA DTU模块为远程数传模块，依托稳定、可靠的CDMA网络，系统运行可靠，数据采集实时性强。该系统有效的解决了其他通信方式存在的各种问题。在保证数据传输的及时、准确的前提下，将系统运行费用也降低到了最低；同时，通信链路由专业的运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通信线路等问题；节约了用户的初期建设投资和运行维护费用。

3. 路灯无线监控系统
   “路灯无线监控系统”，是针对我国城市路灯系统的管理现状，运用最新的测控技术结合CDMA公用通信网技术，实现对城市和园区路灯系统进行远程的遥控、遥测、遥信和遥视，进而使城市和园区的路灯系统维护管理现代化、科学化。
   “路灯无线监控系统”工程设一个监控中心，若干个分控点监控终端，实现监控系统覆盖全区，建成国内技术先进、功能符合要求、运行可靠的路灯监控系统。监控中心通过CDMA网络向全区各路灯分控点监控终端发送测控指令。各路灯分控点监控终端根据测控指令，执行相应的路灯参数检测或开关动作，并将检测参数或指令执行结果向监控中心报告。在监控中心实现对各分控点自动、手动的遥控、遥测和遥信功能及对主要路口、广场的遥视功能，实时监控分控点状态和运行参数，接收故障报警信息，通过终端智能RTU下达测控命令，并具有分级报警功能、操作权限控制功能、统计报表打印功能和远程报警功能。

4.城市天然气监控系统
   城市天然气系统作为城市天然气供给、使用、计量的系统。系统包括城市天然气高压入口门站、城市供气管网。
   SCADA系统主要是实现对城市天然气高压入口门站、城市供气管网和供气管网上的天然气调压箱等现场设备进行数据采集、工况监控。天然气SCADA系统分为三层结构网络。第一层是控制中心，第二层是天然气RTU门站站控系统，第三层是工业专用调压箱RTU 。系统通讯网络采用CDMA网络环境实行对整个城市的天然气供给实施高效、及时的监控。

5．水文水利监测系统
   水情测报系统系统特点比较分散、控制相对简单，由水文信息采集站、通信系统、信息接收处理软件及辅助系统组成。水文信息采集站可分为水位站、雨量站，由相应传感器及安装工程组成，实时并准确地采集相关水位、雨量数据。通讯系统根据水文信息采集站与调度控制中心距离的远近选用无限或有线通讯方式。信息接收处理软件运行于调度控制中心内，控制接收实时水文数据，并对数据进行检查、整理、计算、显示并存储于数据库内，供控制中心或更高一级防洪调度辅助决策系统使用。
   系统具有特点： (1)系统安全性可靠性高(2)系统及时准确分析数据(3)带液晶显示，方便就地操作(4)多种通讯方式，通讯稳定(5)现场故障信息，易维护(6)系统具有太阳能供电、后备电池充电功能。

6．城市工业废水监测系统构成
   我国很多工业城市的废水排放量较大，已造成城市地表水的严重污染。各城市的环境监测中心站肩负着对城市地表环境水质及污染源排放废水的监测工作，很多城市相继形成了以市站为网头，与区站、行业站构成一体的废水监测网。但目前各城市对污染源和城市排污河渠的水质监测仍停留在手工监测阶段，时间覆盖率低，样品缺乏科学性和代表性，难以反映企业及城市污水排放连续变化的情况。建立废水在线监测系统，提高水质监测能力，势在必行。
   系统建成一个由污水排放监测子站、监测中心站和管理中心（城市环保局）组成的城市废水监测网络系统。该系统可实现对企业废水和城市污水的自动采样、流量的在线监测和主要污染因子的在线监测；实时掌握企业及城市污水排放情况及污染物排放总量，实现监测数据自动传输；由监测中心站的计算机控制中心进行数据汇总、整理和综合分析；监测信息传至城市环保局，由城市环保局对企业进行监督管理。

四．总结
   CDMA通讯方式的出现可以说是SCADA监控系统通讯方式上的一种创新与革命，其克服了传统无线电台速度低、受地形限制、受天气影响严重等缺陷，随着用户了解的不断深入，该系统值得在应用上大范围推广。