SCADA系統與第三方設備通訊中斷分析

王式久，張 博，譚洪偉，范建全

中國石油管道公司中原輸油氣分公司，山東德州 253000

0 引言

通訊系統包括信號源、發送設備、信道（有干擾源會造成干擾）、接收設備、信宿。對于SCADA 系統與第三方設備通訊來講，信號源、發送設備就是第三方設備本身，信道包含了傳輸線、接口、轉換設備，信宿是接收設備本身。干擾源可以是因發熱、輻射、雷電等因素造成的電流、電壓、頻率突變，從而造成通訊中斷。我們按照信號傳輸通路，從前級向后推移，介紹類似問題的判斷、處理過程。

1 UPS 通訊中斷經過

2013 年8 月，山東省某地區遭遇幾十年不遇的強雷電襲擊，當地氣象臺連續發布了雷電橙色預警。某輸氣站外接10KV 外電線路于1 日、10 日、12 日受強雷電影響3 次停電，其中2次線路被雷擊斷，1 次線路出現相間短路。8 月1 日、10 日停電后，某輸氣站在10 分鐘之內啟動站內天然氣發電機組向站內設備供電，保障了正常生產運行；在12 日2 時30 外電中斷時雷擊十分嚴重，站內員工可以看見窗外雷電直擊地面，距離不到10m，值班員與調度的固定電話通話也出現中斷。根據當時的雷電情況，站內員工無法出門到發電機房啟動發電機，直至3 時左右雷電遠去才啟動發電機合閘供電。在12 日雷電造成站內停電后，1#UPS、2#UPS 與SCADA 系統的通訊中斷，上位機出現通訊中斷報警。

2 故障分析

對SCADA 系統與UPS 之間的通訊進行分析，這一通路的先后順序為UPS、通訊線纜及DB9 插頭、LSU 232_2 有源1 轉2接口、RCI、上位機。1）由于上位機顯示其它第三方設備通訊正常，維修人員排除了上位機、RCI 故障；2）LSU 232_2 的作用是將UPS 的數據傳送到兩臺冗余的RCI 通訊服務器，正常指示燈狀態如下：LSU 232_2 的“A on”燈對應A line，“B on”對應B line，這兩個燈亮則表明UPS 與對應的1#RCI 和2#RCI是正常通訊（其中有1 只燈亮就可以確認LSU 232_2 通訊正常）；“TxD”或“RxD”燈閃爍則表示目前UPS 正在與RCI 進行數據的發送或接收（兩燈均間斷閃爍為正常狀態）；如以上所有指示燈都不亮了，可以用萬用表檢測LSU 232_2 電源輸入端電壓，看看供電是否正常。如果電壓為0，則需檢查電源線路情況，以恢復供電；如果電壓正常（24VDC），且DB9 串口連接正常，則需判斷LSU 232_2 是否故障。可用調試筆記本接到來至UPS 的串口，通過在電腦上運行串口調試工具，來檢測是否能夠接收到UPS 的數據。（1）若可以接收到UPS 的數據，則將來至UPS 的串口接至C line 口，分別用筆記本電腦接A line和B line 口，檢測到是否可以接收到UPS 的數據。如果接收不到，則表明LSU 232_2 故障，需維修或更換；（2）接收不到UPS 的數據，則需查看來至UPS 的數據線路是否有斷路或設備本身存在故障。根據上述方法維修人員也排除了LSU 232_2 故障，故障在UPS 通訊板。

3 UPS 通訊板

3.1 工作過程

UPS 的通訊板相當于一臺計算機主機，顯示操作板相當于鍵盤和顯示器。微處理器工作時先從內存讀取指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲器中取出數據進行指定的運算和邏輯操作，完成數據采集、傳輸、顯示，主要實現了UPS電壓、電流、頻率、電池狀態、輸出功率及有關的故障、報警信息的數據采集和交換。

3.2 故障排除

1）RJ11A 來自UPS 主機，向通訊板供電，傳送數據。通訊板分別通過RJ11B 六針端口與操作顯示板通訊；通過RS232端口與上位機通訊。因為操作顯示面板的通訊、信息顯示均正常，說明通訊板數據采集、處理單元的元器件工作正常，故障范圍可以縮小到RS232 端口周邊的電路；2）232 端口電路包括MAX232N 芯片、限流電阻、三腳電容、Y 電容、儲能及濾波電容。將通訊板斷電后拆下，使用萬用表電阻檔測得電阻與色環標稱值一致，就能排除電阻問題；將電容拆下，使用指針萬用表10K 電阻檔，表筆接觸電容的兩管腳，電容充電表針右擺到一個最大阻值，隨著電容放電，阻值下降，表針慢慢左擺，擺動速度越慢，用此方法可以檢測電容的好壞；也可以用數字萬用表二極管檔在板卡上直接測量電容充電情況；3）MAX232N將5V 直流電壓升至串口傳輸用的10V 電壓，提供兩對數據收發端，是連接通訊板與LSU 232_2 的橋梁。根據原理圖，在通訊板正常工作情況下，用萬用表測量MAX232N 芯片的2、6 引腳對地電壓應在+8V、-8V 左右；16 引腳對地電壓應在+5V 左右；如果2、6 引腳電壓在3V 左右，基本可以判斷MAN232N 壞掉；可以用示波器分別測量第9、10 腳，應該有波形變化，進一步排除前級故障，確認232N 壞掉；4）用以上判斷方法，測得232 芯片及1 只1uF 電解電容故障，更換后通訊板故障排除。

3.3 延伸思考

1）由于4 塊通訊板的損毀均發生在強雷擊天氣之后，所以板卡極有可能為感應雷入侵信號線產生浪涌電壓所致。由于室外具有避雷網，同時UPS 進線端裝有浪涌保護器，基本排除從電源系統入侵；2）另外第三方設備中的低壓配電盤、流量計算機為485 接口，接口保護電路較好，并且接入 LSU 232_2之前先進入了ADAM-4520（485 轉232，具有3000 VDC 隔離保護）；發電機在停止狀態；UPS 通訊板故障較為突出就不奇怪了；3）筆者建議在UPS 通訊板232 接口前加裝1 只232 防雷器進行光電隔離，效果會好些。另外，由于MAX232N 芯片容易壞掉，在維修過程中增加了一只插座，方便了以后更換；4）經查詢232 系列芯片中232E 產品，具有ESD 自我保護功能，可以嘗試替換232N。

4 結論

正確處理SCADA 系統通訊中斷問題需要理清思路，逐級排查故障點。專業技術人員用以上方法共修復多塊通訊板，縮短了維修周期，降低了維修成本，問題的分析、判斷及處理過程對于其它第三方設備中斷的處理提供了思路，具有重要的借鑒意義。

[1]趙蘭濤，蘇彥華.Delphi 串口通信技術與工程實踐，2004(1).

[2]哈斯(原著)，傅正財(譯).低壓系統防雷保護.2版，2002.