SCADA中的通訊系統

達州職業技術學院 孫小智

SCADA是Supervisory ControI And Data AcquiSition System的縮寫，是一種對分布距離遠和生產單位分散的生產系統的數據采集、監視和控制系統。SCADA系統主要由三部分構成：主站端、通訊系統和遠程終端單元。

SCADA通訊系統是豐富多彩的，它包括音頻電纜、載波電纜、光纖、電力載波、網絡、電臺、衛星、微波等。一般可以分為兩類，即有線和無線 ，隨著通訊技術的發展，涌現出了各種網絡通訊方式，這種網絡通訊方式很難歸結在有線或無線的范疇，常常單獨作為一類來討論。

SCADA通信系統的基本模型如圖1所示。圖中由g(t)到s(t)為信道編碼，常用在有線和無線通信中，一般的調制方式有ASK、FSK、PSK、QAM、TCM等多種。隨著DSP（數字信號處理）計算能力的提高，以及DA/AD變換速度和精度的提高，如今信道編碼的能力已經越來越接近香農信息論的理論值（即64K）。此外SCADA的通訊過程中必然存在噪聲干擾，就有可能出現差錯，所以必須進行差錯控制。

圖1 SCADA通信系統的基本模型

錯控制的方法就叫編碼，然而在SCADA系統中經常用的差錯控制是檢錯，檢錯主要有和校驗和CRC校驗兩種方式。

1 SCADA的有線通信系統

有線通信方式比較多：同軸電纜、光纖、音頻電纜、架空明線、載波電纜、電力載波等。在有線上的信號傳輸可分為基帶傳輸和調制傳輸，其中基帶傳輸在介質上傳輸的是數字信號，因此信號要經過碼型變換，不經過調制，就可以直接送到信道傳輸；調制解調傳輸是要經過模擬數字變換后再進行調制的傳輸。很多介質既可以作為基帶傳輸也可以作為調制傳輸。我們這里的有線指的是要有介質連接而不經過網絡協議直接進行SCADA協議的通訊方式。

有線信道中，除了載波信道外，一般來看其傳輸的速度要高于無線信道，其誤碼率也低于無線信道，時延較小，可靠性也高于無線信道。其缺點是建設投資較大，建設周期長，而且在某些特殊場合根本無法建設有線的通訊方式。

有線通信中很多要用到調制解調設備，如電話線、音頻電纜、載波通道，其信道容量肯定小于香農信息論容量。電話線中的調制解調器可以達到33.6Kbps的速度，而載波通道有的只能到300bps的速度。在有線信道中有些是直接傳輸數字信號，如在雙絞線上傳送RS485/RS422信號，可以通過雙絞線上長線驅動設備進行傳輸，在光纖上直接傳輸的也都是數字信號。RS485可在100Kbps的速度上傳輸1.2km，長線驅動器可達到19.2Kbps的速度，光纖可達到幾百K甚至幾百兆的速度，傳輸距離可以在幾百米到幾十千米，其通信結構如圖2所示。

圖2 SCADA的光纖通信系統

2 SCADA的無線通信系統

SCADA的無線通信方式主要包括: 電臺、微波、衛星、光線、聲波等通信手段。

2.1 SCADA的無線電臺

SCADA的無線電臺是一個典型的半雙工輪詢系統，如果系統點數越多，輪詢一遍所花的時間就越長，可能會長達幾分鐘甚至更長。無線電臺由于受到帶寬的限制，其信道一般為25KHz，因此無線電管理委員會專門劃出幾個頻段用于無線數據傳輸，主要有：150MHz頻段、230MHz頻段和470MHz頻段。其調制傳輸速度目前可以做到600bps到19200bps不等。現在的無線電臺一般都是將調制解調器和無線電臺做在一起的數傳電臺。

如果采用無線電臺中心站則要復雜一些，為了使系統能夠更好的通訊，需要建設一個很高的全向天線，有的是建設專門的鐵塔，有的是安裝在樓頂。實施前要進行遮擋測試、場強測試、頻點干擾測試等。因無線電臺受到地形和建筑的影響十分嚴重，有時會出現本來通訊很好，在中間出現一個高層建筑就可能導致無法通訊的情況。因此無線電臺有時不適宜于城市應用，也不適宜于山區、高原、丘陵地帶使用，特別適合于平原農村和水面應用。此外必須區分無線電臺的空中速率和接口速率，這二者是獨立的沒有關系的兩個概念。接口速率是指電臺與RTU（遠程終端）設備的速率，這個速率只要不小于空中速率，它與通訊速度沒有太大關系。空中速率是指電臺在無線信道的實際數據速率，這個速度越快，說明電臺的性能越好，而且單位時間傳輸的數據量越大。

無線電臺還可能會受到干擾的影響，嚴重影響其通信性能，甚至完全無法使用。主要干擾有：同頻干擾、其它射頻設備、高壓輸電線路電暈干擾等。一般不受天文情況的影響，如太陽黑子、電離層、太陽磁暴等。

2.2 SCADA的微波通訊

微波是一種無線電波，微波的頻帶寬，通信容量很大，微波通訊會受到降水和霧的影響，其傳送的距離一般只有幾十千米。因此微波通信每隔幾十千米需要建一個微波中繼站。SCADA的微波通訊只有在特別重要的場合才實施，其投資很大，并且間隔大約50km就要建立一個中繼站，對于地形復雜的場合，可能很近就要有一個中繼站。因此一般的單位是沒有財力構建SCADA微波系統的，國內的電力企業有一套從各個大區到中央的微波通訊系統。

2.3 SCADA的衛星通訊

衛星通信是利用通信衛星作為中繼站在地面上兩個或多個地球站之間或移動體之間建立微波通信聯系。SCADA的衛星通訊是在萬不得已時才使用，首先其功率太大，一個小型的衛星基站需要上百瓦的功率，需要一個1M口徑的拋物天線和專門昂貴的設備，而且通訊費用非常高，一般只有海上、沙漠等實在無法借助其它通訊手段的時候才采用。衛星通訊相當可靠，除了太陽磁暴、太陽耀斑、暴雨等情況外，一般不會出現通訊中斷的現象。典型的衛星通信系統有Mobitex衛星通訊系統，M obitex是一種通過基站和衛星傳輸數據的網絡平臺，構建在蜂窩移動通信技術基礎上，采用分組交換的傳輸方式。該系統由網絡控制中心、交換機、基站、衛星等部分組成，如圖3所示。由于Mobitex通過基站與衛星進行數據傳輸，特別是Mobitex提供了對通訊系統的檢測和控制手段，因而使得通訊的可靠性和效率都有了很大的提高。

圖3 Mobitex衛星通訊系統

3 SCADA的網絡通信系統

SCADA的網絡通信方式是通訊系統架構在一個計算機網絡之上，比如幀中繼、ATM、IP網等，這種通訊方式既可能是有線的也可能是無線的，甚至多次跨越無線和有線。其性能也明顯與有線和無線系統不同。如不用考慮誤碼和報文的大小、不考慮系統的拓撲結構，但是網絡通信方式的時延可能比較大，通過GPRS網絡或CDMA傳輸SCADA系統數據就是典型的例子。

網絡通訊方式的優點在于借用現有的網絡資源，真正打破了地域的限制，可以構架分布全球的SCADA系統，對于很多全球生產的企業非常有利。網絡通訊在無線方式上常用的包括：GPRS/CDMA、ZIGBEE、無線以太網等；有線方式常用的包括以太網、ADSL、CABLE MODEM等。由于網絡構建于公共網絡之上，當出現突發事件時，要求SCADA系統在突發事件時立即進行應急處理，這時可能會因為公眾通訊的信息量大增，導致通訊設備癱瘓或者阻塞，因而出現無法應對的情況。這種通訊阻塞的情況是完全有可能出現的，因此在組建SCADA系統的時候，必須要評估這個風險，否則就是一個在緊急情況下不能正常使用的系統，這個系統也就沒有建設的必要。所以對于這種系統一定要采用生存能力強的獨立系統，例如無線電臺和專門的網絡。

在SCADA的網絡通訊上，由于GPRS/CDMA、ADSL等設備都是構建在PPP協議和PPPOE協議之上，其地址分配可以是動態的，也可以是靜態的。而主站的地址也可以是靜態的和動態的，所以二者可能存在互不知道IP地址的情況，因此如果沒有專門的機制是無法完成通訊的。為了保證RTU（遠程終端控制系統）和主站之間的通訊就需要做專門的技術處理。對于TCP/IP通訊而言，雙方必須知道對方IP地址和端口號才可能進行通信，一般主站作為服務器使用，一般的通訊模型是客戶機/服務器模型，因此主站系統不應放在防火墻的后面，如果需要放在防火期的后面，防火墻至少要開放幾個端口，并且必須把主機的IP地址通過NAT的方式映射到公網上，否則RTU是不可能和主站通訊的。假如主站地址是靜態的，RTU終端在設置時，把主站的IP地址設為主機IP地址。上電后，RTU的通訊設備DTU（數據傳輸單元）就可以根據設定的IP地址和端口號以及通訊方式（TCP/UDP）找到主站進行通訊。假如主站是動態地址（如采用電話撥號上網或ADSL撥號上網時），由于主機地址是動態的，因而RTU的通訊設備DTU的IP地址也是動態的，雙方是不可能直接找到對方的。這就需要申請一個動態的域名解析業務從而區別于靜態域名解析服務，如動態域名為QQQ.ZZZ.COM，在主站端安裝動態域名解析軟件，主站只要開機就登陸到動態域名服務器，如花生殼，注冊自己的IP地址，告知QQQ.ZZZ.COM的地址是XX.XX.XX.XX。RTU端的DTU設備設置時其通訊的主機不能設為IP地址，而應該設為QQQ.ZZZ.COM,在DTU設備上電后，首先向DNS服務器請求解析QQQ.ZZZ.COM的IP地址，DNS服務器根據動態域名解析軟件注冊的IP地址，告訴DTU，QQQ.ZZZ.COM的IP地址是XX.XX.XX.XX，DTU就知道了主站的IP地址和雙方約定的端口號和通訊方式(TCP/UDP)，這樣就可以通訊了。此外，由于通訊采用的是TCP/IP通訊，主站和RTU端的端口號和通訊方式（TCP/UDP）必須設成一致，如圖4所示。

GPRS/CDMA的應用屬于無線通訊，基本上沒有數傳電臺的缺點，其構建在無線通訊運營商的網絡之上，只要在手機能夠通話的地方就能夠工作。其缺點是按照流量收費，費用比較高，此外受到網絡通訊能力的限制，因而同時發起的認證連接數和維持的連接數是有限的，對于大規模的應用是一個很大的制約。一般來說CDMA的通訊速度要比GPRS高，但實際應用當中，SCADA網絡通訊系統的應用速度要遠遠低于其標稱速率。另外GPRS/CDMA還有一個網絡延時問題，從用戶發出一個報文到收到響應報文，可能需要3秒甚至更長的時間，對于有些要求較高的用戶是無法滿足的。

圖4 SCADA的網絡通訊系統

另外無線以太網也是一個非常有前途的通訊方式，其通訊價格越來越便宜，其帶寬很寬，最高可以達到54M，完全可以在上面承載圖形監控業務、語言業務和SCADA業務，是非常有發展潛力的。現在可以在無線以太網上構建MASH網（自組織網絡），這樣無論網絡是固定的還是移動的，都能保證正常通信；即使出現個別設備損壞的情況，也可以通過網絡的再組織功能，保證正常的通信。當無線以太網采用全向天線時，其通訊距離受到了很大的限制，只有幾百米左右，而采用定向高增益天線，距離則可以達到幾十公里左右。

ADSL/CABLE MODEM是大家熟悉的日常上網方式，ADSL和Cable M odem兩種技術組網都能夠提供多種業務，并且都能基本滿足目前寬帶業務的需要。ADSL在帶寬上要低于Cab le M odem，但是，利用Cable M odem和HFC（光纖同軸電纜混合網）進行組網在穩定性、可靠性、供電以及運行維護體制上都有一些問題。另外，由于該網絡線路帶寬是共享的，在用戶達到一定規模后實際上是無法提供寬帶數據業務，用戶分享到的帶寬是非常有限的。另外值得一提的是很少有RTU設備可以直接支持PPPOE協議，這就需要進行配置或增加網絡設備來實現。

4 結語

SCADA系統常常使用無線和有線的連接組合方式，也經常用于大型系統，如鐵路和發電站的SONET /SDH，通常具有遠程管理或監測SCADA系統的功能。SCADA網絡系統因其高效率被日益廣泛使用，然而它們也帶來了安全風險。 SCADA網絡系統實現了功能的最大化，但很少關注安全，使一些SCADA網絡易于受到服務破壞、過程重定向或運行數據干擾，導致公眾安全問題。因此，可靠性和保護也已成為SCADA網絡系統的重要問題。

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