大型城市污水輸送SCADA系統通信網絡設計與實現

張皓孫

(上海市城市排水有限公司 竹園第一污水輸送分公司，上海 200070)

大型城市污水輸送SCADA系統通信網絡設計與實現

張皓孫

(上海市城市排水有限公司 竹園第一污水輸送分公司，上海 200070)

通過對數個通信技術的分析，依照城市污水輸送SCADA系統完善污水泵站無人值守運行要求，應用MPLS-VPN技術對運行24年的上海合流污水治理(一期)工程中央監控系統的通信網絡實施升級改造。以MPLS-VPN技術所提供的高可靠性、高安全性、易擴展性及良好的經濟性，完成整合泵站設備運行數據、泵站安防信息數據，以及泵站設備運行及泵站安防視頻圖像的城市污水輸送SCADA系統數據的穩定傳輸，給穩定運行二十多年的大型城市排水傳統SCADA系統注入了新的活力。

污水輸送; SCADA; 通信網絡; MPLS-VPN; 無人值守

0 引 言

上海市合流污水治理(一期)工程中央監控系統是我國第一個大型城市排水SCADA系統，已穩定運行二十多年。系統由一個中央監控中心和45個轄屬泵站的RTU及通信網絡組成。系統20世紀90年代初建設時，我國的電信資源十分匱乏，合流污水治理(一期)工程中央監控系統的通信網絡僅有200 M民用頻段自建數據通信網絡方式和租借電信電話線路組成專網方式可供選擇，又由于上海200 M民用頻段可用的頻點已分配完畢，合流污水治理(一期)工程中央監控系統的通信網絡只有租用電信電話線，通過采用當時先進的專線MODEM和串口服務器構成SCADA系統的通信網絡。由于電信電話線存在的眾多不足，形成了SCADA系統穩定運行最大隱患，在一定程度上造成了泵站運行信息的缺失。21世紀初，結合上海排水信息系統的建設，對合流污水治理(一期)工程中央監控系統的通信網絡進行了改造，采用上海電信有限公司無線數據通信網CDPD通信方式實施了合流污水治理(一期)工程中央監控系統通信網絡的更新，在運行了近十年，CDPD技術退出市場時，采用中國電信的CDMA-1X技術對合流污水治理(一期)工程中央監控系統的通信網絡進行了更新升級。隨著城市建設的發展，對城市市政管理的要求不斷提高，城市污水輸送泵站無人值守也漸漸成為污水輸送泵站控制、管理的首要目標，原通信網絡2G技術已不能勝任，鑒于此，合流污水治理(一期)工程中央監控系統的通信網絡應有適應新要求的升級改造。

1 污水輸送泵站無人值守對通信網絡的需求

污水輸送泵站的無人值守是一個建立在可遠程監控基礎上，結合眾多技術系統的中央監控系統的遠程終端，其RTU系統不只是采集污水輸送泵站設備運行數據和接收中央監控系統監控中心下發的控制命令，而是有所拓展，要實現污水輸送泵站的遠程可見，即視頻監控，同時還需將污水輸送泵站的安防系統納入其中，確保泵站在無人狀態下的安全運行。要實現污水輸送泵站的無人值守，合流污水(一期)工程中央監控系統除采集泵站設備運行數據，還需接收泵站設備運行的視頻信息以及泵站安防系統的數據和視頻信息，通常泵站運行信息和安防系統信息所占的帶寬約0.3～0.5 M，而視頻信息所占的帶寬需不小于2 M[1]。污水輸送泵站的無人值守需要通信網絡的必須具有足夠的數據傳輸帶寬、系統穩定性高、易維護、擴展性強以及有較強的安全性，以保證數據在網絡中傳輸的過程，信息不被竊聽或截獲，有完善的用戶安全機制及可防御來自內部和外部的惡意攻擊。

2 通信方式的優選

從污水輸送泵站無人值守對通信網絡的要求可見，就當今數據傳輸技術，有著眾多的選擇。如何在這些選擇中找到既滿足合流污水(一期)工程中央監控系統通信網絡的要求，又要有著良好的經濟性，在眾多技術方案中，對無線4G技術組網方案、VPN虛擬專網技術組網方案、ADSL寬帶撥號技術組網方案以及電信專網上公網(EPON)技術組網方案進行分析比較，進而確定合流污水(一期)工程中央監控系統通信網絡方案[2-4]。

2. 1 無線4G技術組網方案

4G指第四代移動電話行動通信標準。該技術包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式。集3G及WLAN于一體，能夠快速傳輸數據、高質量、音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100 Mbps以上的速度下載，能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求，4G有著不可比擬的優越性。

若本系統組網以4G的通信方式進行組網，如采用4G網絡覆蓋相對完善的上海電信4G網絡。按上海電信的4G運營資費進行計算，要滿足污水輸送泵站數據、視頻傳輸24 h實時監測、監控需求，以包月制的算法，費用極高。對僅傳輸數據，且每月數據流量在一個限值內的污水輸送泵站，無線4G技術組網方案是一個可選方案。采用4G技術組網方案如圖1所示。

圖1 無線4G組網方案

4G通信均在公網上進行數據傳輸，前端A泵站、B泵站RTU的數據、視頻數據通過4G路由器上傳至互聯網，再從互聯網傳傳輸至中央監控中心服務器，前端兩個泵站4G路由器可設定中心固定IP地址來實現指向。其優勢是安裝便捷，無需布線，即裝即用。劣勢則是通信的速率常會受到周邊用戶數及覆蓋情況等因素而發生變化，不夠穩定；另數據均在公網上進行傳輸數據，在安全性方面需要進行一定的安全保護措施，防止系統受攻擊、數據受破壞。

2. 2 VPN虛擬專網技術組網方案

所謂虛擬專網是建立在公共基礎網絡上，在一定范圍內提供可控的連接建立和訪問能力的通信結構。VPN虛擬專網是建立在公共基礎網絡上的專用網絡。就目前技術而言，從TCP/IP協議的分層結構來看，主要是網絡層VPN和鏈路層VPN，網絡層VPN則有可控路由表泄漏、隧道機制(如PPTP)和網絡層加密(如IPSec)等方法；鏈路層VPN則有ATM和幀中繼(F.R)虛鏈路、MPOA和MPLS方法。

目前上海電信主推的VPN是應用MPLS技術所構成的VPN，MPLS-VPN(Multi Protocol Label Switching Virtual Private Network)是基于上海寬帶城域網(IP MAN)，以專線接入方式提供VPN服務的虛擬專網業務，是一個代表當今IP尖端技術的網絡，是上海電信IP核心業務的一個具有世界級電信網絡，可實現數據、語音、圖像多業務寬帶連接,提供原有VPN 網絡所有功能的同時,提供強有力的QoS能力,具有可靠性高、安全性高、擴展能力強、控制策略靈活及管理能力強大等特點。若本系統通信網絡組網以MPLS-VPN方式進行組網，按上海電信的MPLS-VPN運營資費，要滿足污水輸送泵站數據、視頻傳輸24 h實時監測、監控需求，其性價比是非常高的。采用MPLS-VPN技術的組網方案如圖2所示。

圖2 MPLS-VPN組網方案

MPLS-VPN技術組網中A泵站、B泵站及監控中心三點均采用光纖通信接入，總頭位于監控中心，每個點可以提供幾個RJ45網口，供污水輸送泵站RTU系統，視頻視頻、工控機網絡等使用。MPLS VPN組網的優勢在于光纖通信，上下行速率對稱；類似內部局域網，安全性較高；無需撥號，實時在線。由于污水輸送泵站往往地處偏僻，電信光纖資源可能不足，需要實施光纜敷設工程，存在不確定因素，這是MPLS VPN組網的劣勢所在。

2. 3 寬帶ADSL技術及電信專網上公網(EPON)技術方案

ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Loop)技術即非對稱數字用戶環路技術，就是利用現有的一對電話銅線，為用戶提供上、下行非對稱的傳輸速率(帶寬)，上行(從用戶到網絡)為低速的傳輸，可達640 kbps；下行(從網絡到用戶)為高速傳輸，可達7 Mbps。它最初主要是針對視頻點播業務開發的，隨著技術的發展，逐步成為了一種較方便的寬帶接入技術。ADSL是通過電信的公網實施污水輸送泵站與監控中心的互聯，通常電信公司提供給客戶的是動態IP地址，為確保中央監控系統通信網絡的穩定運行，需申請固定IP地址。由于污水輸送泵站與監控中心是電信公網上的一個IP，雖可以采用安裝防火墻等手段，但其安全性難以保證，同時采用電話線路，數據傳輸的帶寬有限且不夠穩定。資費與VPN相比，無優勢可言。

EPON采用無源光纖傳輸方式，成本低、維護簡單、容易擴展、易于升級。語音、數據實現同步接收，高帶寬接入。提供1-13固定普通IP地址及精品網地址。對網絡協議透明、模塊化程度高。數據傳送安全可靠。大容量，廣覆蓋，在滿足污水輸送泵站無人值守要求的通信網絡帶寬條件下，EPON的性價比不高。若污水輸送泵站所在點無電信光纖資源，需實施光纜敷設工程，更是該方案的劣勢。

2. 4 通信網絡組網方案的確定

通過對上述幾個方案的調研，以及結合其他污水輸送系統中央監控系統通信網絡的使用狀況，應用MPLS-VPN技術組成合流污水治理(一期)工程中央監控系統的通信網絡是合理、可行的，同時考慮到中央監控系統所轄的泵站未全面完成泵站無人值守的技術升級改造，而未改造的泵站僅傳輸泵站設備的運行信息，所用流量不大，仍暫時保留采用無線4G網絡組網的通信網絡。

3 工程實施

在合流污水治理(一期)工程中央監控系統轄屬的靜安組、楊浦組以及長二組泵站無人值守技術升級改造中，其通信網絡采用MPLS-VPN技術組網，各泵站與中央監控系統傳輸泵站設備運行數據、泵站安防信息數據以及泵站設備運行及泵站安防視頻圖像。在實現泵站運行數據顯示及控制指令下達的基礎上，以嵌入方式顯示設備運行視頻系統、泵站安防視頻系統、圍界系統、門禁系統、感煙報警系統、安全報警系統、緊急報警系統、智能照明系統等運行信息，實現泵站層各應用子系統的綜合顯示，聯動調用。圖3所示的是在合流(一期)中央監控中心所顯示污水泵運行監控狀態。圖3不僅顯示了污水泵的運行數據，同時嵌入顯示污水泵運行的視頻，改變呆板的數據顯示方式，輔以直觀的動態視頻影像，為中央監控中心的值班人員和管理人員提供可信的污水泵站設備運行狀態顯示，提升了對污水泵站的遠程監控能力。同時安防系統數據的上傳不僅僅監控污水泵站運行設備，而是對污水泵站全方位實施遠程監控，既做到污水輸送泵站設備可靠運行，還做到污水泵站安全運行，實現污水泵站的無人值守。工程實施的成功是得益于對合流污水治理(一期)工程中央監控系統通信網絡的升級改造，得益于MPLS-VPN技術所提供的高可靠性、高安全性、易擴展性以及良好的經濟性。

圖3 污水泵運行監控

4 結 語

通過對合流污水治理(一期)工程中央監控系統通信網絡升級改造，以及所轄班組污水泵站的無人值守技術方案的實施，應用MPLS-VPN虛擬局域網技術，實現城市污水泵站或雨水泵站運行數據、視頻圖像、安防信息的可靠、穩定和迅捷傳輸；使得原SCADA所具有的污水泵站無人值守功能得到充分發揮，為穩定運行24年的合流污水治理(一期)工程中央監控系統這一大型城市污水輸送SCADA系統注入新的活力。

[1] 李順意,朱偉鵬,賀思菱.利用城域網實現污水廠外泵站的遠程監控[J].世界儀表與自動化,2005,39(3): 58-59.

[2] 徐益挺,黃平捷,張光新,等.基于IP VPN的城市污水泵站遠程監控系統[J].中國給水排水,2012,28(10): 80-82.

[3] 何鵬,石盛平,戴勤書.基于MPLS的VPN技術[J].電信技術研究,2008(12): 26-33.

[4] 許莉,鄭紅梅,鞏娟霞.淺析基于MPLS的虛擬專網技術[J].電腦知識與技術,2009(9): 1594-1595.

[讀者群]

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Design and Realization of Communication Network of SCADA System in Metropolitan Sewage Transportion

ZHANG Haosun

(ZhuYuan No. 1 Sewage Transportion Branch, Shanghai Municipal Sewerage Company Ltd.,Shanghai 200070, China)

Through analysis of the several communication technology, according to SCADA system in the metropolitan sewage transportion, completely unattended operation in the sewage pumping station. Used MPLS-VPN technology to upgrade the communication network of the central monitoring system of the first stage of the Shanghai sewerage project that had run for 24 years. We complete integration stable transmission SCADA system in the metropolitan sewage transportion pumping station data and video image of the equipment running, Security precaution information according to the high reliability, high safety, scalability and good economical efficiency over the MPLS-VPN technology.It injection new vitality for the tradition of SCADA system in the metropolitan sewage transportion that had stable run for 20 years.

sewage transportion; SCADA; communication network; MPLS-VPN; unattended operation

張皓孫(1959—)，男，工程師，研究方向為自動化實時監控管理。

TU 992

A

1673-6540(2017)07- 0076- 04

2017 -06 -08