傳輸管道SCADA遠程通訊技術的實施

（中石化管道儲運公司管道技術作業分公司，江蘇 徐州 221008）蘇彩虹，師 潤

1 前言

SCADA系統（監控與數據采集supervisory control and data acquisition ）因其具有信息完整、高效、實時掌握系統運行狀態、快速決策、快速診斷故障等優點[3]，對提高輸油生產運行的可靠性、安全性與經濟效益具有不可替代的作用，而被長輸管道廣泛采用。

一般而言，長輸管道SCADA系統采用調度中心SCADA 系統、輸油站場PLC兩級控制方式。原油總調度中心SCADA 系統通過通訊（一般距離為數百公里或跨省）實現對遠程輸油站場的數據采集、實現對遠程輸油站場輸油泵閥功能進行現場或遠程控制、同時還要整合其它各輔助系統的運行信息和生產數據，并將這些數據提供給各級操作人員、管理者。因此，總調度中心SCADA系統如何實現與遠程若干輸油站場PLC之間的通訊并進行數據交換，成為關鍵所在。

以東臨線/東臨復線為例，總調度中心SCADA控制系統采用I/A系列SCADA監控系統。通常SCADA系統分為兩個層面，即客戶/服務器體系結構。服務器與硬件設備通信，進行數據處理和運算，而DNP 3.0規約不但是SCADA行業國際標準規約，而且它可以為SCADA提供低速(最高達64 kbit/s) 連接上高效和可靠的數據傳輸和控制功能，并能適應不同的拓撲結構。所以遠程輸油站場的PLC系統與SCADA的通訊實施策略最終采用DNP3.0協議的通訊模式。而其所選的PLC系統不支持DNP3.0協議，所以增加了Prolinx協議轉換器，通過此轉換器實現了SCADA系統遙測、遙信、遙調、遙控“四遙”功能[4]。

2 網絡通訊設計

設計時為了提高系統的可靠性和穩定性，因此，硬件設備及通訊網絡均采用冗余配置，從而降低了因設備和網絡故障造成的安全風險。另外，考慮到現場環境的實際狀況，周圍大功率設備較多，而系統又是通過遠程通訊方式遠程監控現場設備，為了增強系統的抗干擾能力，選用光纖作為通訊介質。

圖1 通訊結構圖

圖2 SCADA系統典型的硬件配置

3 通訊的硬件配置

3.1 站控PLC系統：140 NOE 77101

現場站控PLC系統140 NOE 771 01以太網模塊是Modicon Quantum 以太網TCP/IP模塊系列中的最新號之一，這種以太網模塊的電子部件包含在標準的Modicon Quantum單寬度外殼中，端口可傳送和接收封裝在 TCP/IP 協議中的Modbus命令。此模塊支持Modbus TCP/IP通訊協議。

3.2 SCADA監控系統

SCADA監控系統的硬件設備主要是RTU服務器和工作站、管理機等。SCADA控制系統基于雙機雙網冗余結構，即有兩臺RTU、兩個工作站和兩個以太網，兩個以太網和兩臺RTU服務器均可以自動切換，以保證系統的可靠運行。工業以太網采用光纖通信，能以100Mbps的速率進行傳輸。每臺計算機均配有兩個網卡，以配合雙網通訊。兩臺工作站計算機、優化決策機和RTU服務器，通過工業以太網進行通訊，將現場采集實時數據傳送到SCADA系統節點并進行處理，在本地實現流程圖顯示、趨勢曲線、歷史數據保存、歷史曲線查詢、參數調整、報警管理、報表管、智能優化等功能。

為了系統的通訊更穩定，快捷，通常SCADA系統通過走DNP3.0規約與遠程硬件設備通信，進行數據處理和運算。近年來又出現一個層面，通過Web發布在Internet上進行監控，可以認為這是一種“超遠程客戶”。

3.3 協議轉換模塊Prolinx：5201－MENT-DNPSNET

5201－MENT-DNPSNET通訊模塊是以Prolinx為通訊網關，用于通過MODBUS TCP通訊將PLC中數據送到協議轉換器內部數據庫再重新打成DNP3.0協議的包與徐州控制中心進行通訊。使一種PLC控制系統的通訊方式進行擴充，通過Prolinx－5201－MENT-DNPSNET網關可以把Modicon Quantum PLC（Unity pro）系統擴展的140 NOE 77111 modbus以太網通訊協議和SCADA控制系統的DNP3.0以太網通訊協議相聯接。

4 軟件組態設計

4.1 PLC系統140 NOE 77101以太網模塊組態

根據現場設備分散廣、周圍環境復雜的特點，本系統設計了由兩套冗余PLC控制系統，雙以太網模塊與其他的外部設備進行通訊。兩塊140NOE77101卡，組成A網和B網冗余以太網，正常情況下至少有一個是一直閃爍的。

圖3 140 NOE 77101以太網模塊軟件組態

4.2 協議轉換模塊Prolinx 軟件組態

Prolinx MNET-DNPSNET 的原理是只有一個端口，運行TCP IP 協議，但是在TCP IP 協議的上層，它走兩種應用層協議，一種是MODBUS TCP 另外一種是DNP TCP（從邏輯上講也相當于兩個口）。一邊通過這個口，Prolinx 與PLC 進行通訊（走MODBUS TCP協議），數據還是存在其內部數據庫中，另外一方面，Prolinx與徐州的SCADA 服務器進行通訊，運行的是DNP TCP 協議，將內部數據庫的數據與遠處的SCADA服務器進行交換。

以下以東營站A網的配置文件為例：

# Module Information

my_ip : 10.90.200.135

netmask : 255.255.255.224

gateway : 10.90.200.129

# Module Configuration

[Module]

Module Type : 5201-MNET-DNPSNET

Module Name : 5201-MNET-DNPSNET_A

[Module Comment]

# Put Comment Here

[MNet Servers]

Float Flag : No

Float Start : 7000

Float Offset : 1000

Output Offset : 0

Bit Input Offset : 0

Holding Register Offset : 0

Word Input Offset : 0

Connection Timeout : 600

[MNet Client 0]

Minimum Command Delay : 10

Response Timeout : 1000

Retry Count : 3

Float Flag : No

Float Start : 7000

Float Offset : 2000

ARP Timeout : 5

Command Error Delay : 0

[MNet Client 0 Commands]

START

# Enable Internal Address Poll Interval Reg Count Swap Code Node IP Address Serv Port SlaveAddress ModBus Function MB Address in Device Comment 1 1 0 0 15 0 10.90.200.133 502 1 3 1900 # DI 2 1 80 0 82 0 10.90.200.133 502 1 3 1500 # AI 3 1 162 0 40 0 10.90.200.133 502 1 3 540 # AI 4 1 202 0 32 0 10.90.200.133 502 1 3 1000 # AI 5 1 9280 0 105 0 10.90.200.133 502 1 15 1000 # DO 6 2 610 0 32 0 10.90.200.133 502 1 16 1000 # AO 7 1 1100 0 32 0 10.90.200.133 502 1 3 1000 #AO form PLC

END

[DNP ENET Slave]

Internal Slave ID : 5

Use IP List : No

DNP Database Offset : 0

Binary Inputs : 80

Analog Inputs : 500

Counters : 0

Binary Outputs : 30

Analog Outputs : 100

AI Deadband : 1

Select/Operate Arm Time : 2000

Write Time Interval : 60

Data Link Confirm Mode : Never

Data Link Confirm Tout : 1000

Data Link Max Retry : 2

App Layer Confirm Tout : 2000

Unsolicited Response : No

Class 1 Unsol Resp Min : 10

Class 2 Unsol Resp Min : 10

Class 3 Unsol Resp Min : 10

Unsol Resp Delay : 5000

UResp Master Address : 0

AI Events with time : Yes

Time Sync Before Events : Yes

Use Trip/Close Single Point : Yes

[DNP ENET IP ADDRESSES]

START

END

[DATA MAP]

START

# From Address To Address Register Count Swap Code Delay Preset Comment 1 1100 610 32 0 200 #

END

4.3 SCADA監控系統軟件組態

SCADA監控系統與現場進行通訊，采集各種實時數據、開關狀態、報警信息和記錄事件。SCADA監控系統與RTU服務器的通訊是核心部分，內部用DNP3.0 協議，外部通過TCP/IP協議封裝，通過以太網到達另一端。在TCP/IP編程接口中，用Socket來定義TCP/IP連接中的端點，每一個TCP/IP連接由兩個Socket構成，每一個Socket由IP地址和端口號來描述，都可以看做是一個網絡連接的端點。可以把Socket理解為通道，TCP/IP連接由連接通道來完成，連接通道由主機地址和通道號來標識。在實際編程中，Socket會自動根據TCP/IP協議對所發送的報文進行封裝，對所接收的報文自動解除封裝[2]。我們只需要根據DNP3.0協議的要求來發送和接受并解析報文。

DNP 3.0 規約是在國際電子電工協會(IEC)的TC57協議基礎上制定的通信規約，它支持ISO 的 OSI／EPA 模型，這種模型規定了物理層，數據鏈路層和應用層。然而，為了支持高級的RTU 功能和大于最大幀長的報文，DNP 3.0 的數據鏈路采用一個偽傳輸層去完成最短報文的組裝與分解。DNP 3.0 規約的文本共分4部分：數據鏈路層規約，傳輸功能，應用層規約及數據對象庫[1]。

圖4 對DNP地址進行分配圖

對SCADA監控系統軟件組態，首先配置DNP遠程設備，設備是遠程設備的名字。設備的物理地址是遠程設備的地址。

圖5 配置DNP遠程設備

圖6 每一個遠程控制站進行通訊配置

5 應用效果

綜合考慮原油輸送設備分布分散，管線較長、現場站控多等因素，為達到遠控監控的管理目標，采用冗余通訊系統，使PLC與SCADA通訊性能更穩定，技術可靠。東臨雙線自動化系統自投入使用以來已經在遠程監控、可靠性、可維護性等方面體現出明顯的優勢，已經成為當今自動化應用領域的發展方向。當然PLC與SCADA通訊的手段和策略有很多種，需要廣大的用戶不斷總結和探索。

[1] 李志明, 李鳴春. DNP3.0規約在廣州地區調度系統的應用[J]. 廣東電力,1999, 12(3): 28-30.

[2] 劉莉莉. 基于IEC 61850的風電場SCADA系統安全訪問控制模型設計[J].電網技術, 2008, 32(1).

[3] 孫明春, 金敏. SCADA系統及其應用[J].自動化博覽, 2000, (4): 12-14.

[4] 安艷萍, 申群太. “DNP3.0” 在基于RTU的綜合自動化系統中的實現[J].工業控制計算機, 2006, 19(8): 19-22.