對地鐵SCADA通訊中斷問題的分析

黃濤　苗因山

摘 要：SCADA通訊中斷主要由通訊網絡故障和設備參數配置錯誤兩個方面造成。該文從通訊網絡和設備參數的配置兩個方面對地鐵SCADA通訊中斷的問題進行了分析和闡述，并根據不同的通訊介質和通訊接口詳細介紹了通訊故障產生的原因和排查處理方法。通訊網絡故障方面文中根據通訊網絡傳輸介質的不同，主要介紹了光纖網絡和銅線網絡的通訊原理，影響通道的因素及分析排查的方法。設備參數配置錯誤方面，主要介紹了數據尋址的原理，以及影響以太網和串口通訊的有關參數的配置及參數對通訊的影響。

關鍵詞：地鐵 SCADA 通訊中斷 故障分析

中圖分類號：TN85 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0051-03

Abstract：SCADA communication interrupt is mainly caused by two aspects： communication network fault and equipment parameter configuration error. This paper analyzes and expounds the problem of the disruption of the SCADA communication from two aspects： communication network and equipment parameters，And according to the different communication medium and communication interface， the cause of the communication failure and the method of troubleshooting are introduced in detail. In the communication network， according to the different communication medium， the communication principle of the optical fiber network and the copper wire network is introduced， and the factors affecting the channel and the method of analyzing the network are introduced. In the aspect of equipment parameter configuration error， the principle of data addressing is mainly introduced， and the influence of the configuration and parameters of the configuration and parameters on the parameters of the Ethernet and serial communication are introduced.

Key Words：Subway；SCADA；Communication Interrupt；Failure Analysis

SCADA系統是數據采集與監視控制系統的簡稱，是以計算機通訊網絡為基礎設備，依托調度自動化軟件實現的調度監視控制平臺。隨著技術日漸完善，對調度生產起到的作用也越來越大。目前地鐵SCADA系統的作用是向控制中心上傳現場設備信息，如果SCADA與智能設備之間不能正常通訊，控制中心將無法對現場設備進行監控，會對安全生產埋下重大隱患。SCADA通訊中斷的原因主要有以下兩個方面：（1）通訊網絡故障。（2）設備參數配置錯誤。該文將從上述兩個方面對SCADA通訊故障進行分析。

1 通訊網絡故障原因分析及處理

根據傳輸介質，目前地鐵SCADA主要通訊網絡可分為光纖網和銅線網。

1.1 光纖網故障原因分析及處理

光纖通訊的原理是利用光調制器將電信號轉換成不同振幅、位相、頻率、偏振、波長的光信號，然后利用光的全反射特性使光在光纖內沿直線或曲線傳播，最后再利用光解調器將光信號解調成所需的電信息。

光纖通訊網絡一般由光調制器、光解調器、光纖和光纜、中繼器（光交換機）、耦合器五部分組成。圖1是光纖通訊的原理圖。

從原理圖可以看出變電所光通訊通道采取單向傳播方式，如果某一個環節出現問題就會導致通訊故障。通常導致光纖通訊故障的原因有：（1）光纖本身質量問題造成的通訊故障，一方面是光纖內部雜質含量過高引起光傳播途中散射增加以及雜質的吸收作用將傳輸的光能轉變為熱能導致光功率損失；另一方面光纖內部結構的缺陷導致入射角小于全反射角從而引起散射及反射增加。（2）光纖的彎曲半徑過小，在光纖彎曲處，入射角將減小，當光線入射到纖芯包層界面上的入射角小于全反射角時，部分光線將進入包層損失掉。（3）光線在光纖內的傳播距離過長而導致光功率衰減。（4）光纖連接及耦合器件損壞或裝配不達標導致光纖傳輸回路不連續，包括光纖對接時錯位、接口面傾斜、空隙等，將增加散射損耗，也會使一部分光反射回發送端使光功率減小。（5）單模/多模光纖接口、尾纖接混，因單模/多模材料折射率不同導致光功率反射損失。（6）光電調制解調器或中繼器損壞導致通訊故障[1]。

當發生光纖通訊故障時我們通常利用以下方法進行分析處理。（1）如果是線路長度較短的光纖回路，判斷回路是否接錯，可以使用光照法進行判斷，即從一頭將可見光射入，看另一頭有無光線射出，如果有說明回路暢通，如果沒有說明回路有斷點或線接錯。（2）通過光電調制解調器自環的方式來檢測光電調制解調器發送與接收功能是否正常，如不正常應更換光電轉換設備。（3）檢查單模/多模光纖接口、尾纖有沒有接混，如發現混接則立即更換對應尾纖。（4）檢查光纖接頭、耦合法蘭有無磨損裂紋，如有應立即進行更換。（5）檢測光調制器發出的光功率是否合格，如不合格應立即更換。

長光纜可使用光纜測試儀進行精確故障定位。光纜測試儀是利用光線在光纜故障處產生高反射和功率大幅下降這兩個特性對光纜故障點進行定位的儀器。圖2是使用光纜測試儀對光纜檢測的結果圖。

從圖2檢測結果中我們可以看出尖峰1表示光線有明顯的反射，但是光功率沒有明顯下降，判斷該處應有耦合器或固定接頭的位置。尖峰2處光線同樣有明顯的反射現象，同時伴隨光功率大幅的下降，表示在尖峰2處的光纜可能出現斷裂等故障，應立即進行檢查。其它尖峰，由于a、b、c、e、f的長度相等，故可以判斷尖峰3、4、6、7為2的光復反射影像，g和d的長度相等，可以判斷尖峰5為1的光復反射影像，應該在分析時排除。最后可以判斷出只有尖峰2處為真正的故障點。

1.2 銅線網故障原因分析及處理

銅線網工作原理是：通訊設備間通過通訊電纜相連接，依靠電位信號進行數據傳輸。銅纜通訊網絡的節點核心是交換機，服務器、工作站、智能單元通過屏蔽雙絞線與交換機相連接。

通常影響銅線網通訊的因素有：（1）連接故障，包括銅纜發生斷股造成通訊中斷、接頭壓制不好造成接頭與接口接觸不良、串口或以太網接頭與接口接錯。（2）受通訊距離影響大，通訊信號隨距離增加而衰減。（3）容易受到電磁波的干擾。（4）受傳輸頻帶的限制通訊容量較小，不適合大數據傳輸[2]。

當銅線通訊網絡發生故障時我們通常利用以下方法進行分析處理：（1）檢查網絡回路是否通暢，對于RJ45以太網可以采用ping IP地址的方法，對于RS485通訊電纜可以采用量線路通斷的方法。（2）檢查是否接錯接口，對于RS485串口線還需考慮到正負是否接反。（3）檢查網線接頭是否有壓接不良的情況。（4）更換通訊設備上的網絡插件或調換接口，檢查是否為網口或串口故障。（5）減小通訊距離對網絡的影響。例如100BASE-TX是一種使用5類數據級無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網技術。它的最大網段長度為100 m，如果連接距離超過100 m應加中繼器或使用光纖。對于RS485通訊，可以在開始端和結束端加終端電阻（一般120 Ω）。（6）為減小電磁波對網絡的影響，應盡量使用屏蔽型電纜，使用時屏蔽層一端需接地。（7）如果銅線網絡不能滿足大數據傳輸要求，應考慮設備分流或在條件允許的情況下改造成光纖網絡。

2 設備通訊參數配置及故障分析

在外部網絡接線正常的情況下如果通訊地址參數配置不正確也會導致通訊中斷。設備的尋址原理如圖3所示。

設備尋址原理是：設備接收網內的數據幀，并且根據數據幀上的地址判斷數據目標地址與本機地址是否匹配，如果匹配則會按照數據幀上的請求進行處理，如果不匹配則忽略該數據幀。目前變電所常用的通訊方式有以太網通訊方式和串口通訊方式[3]。

2.1 以太網通訊參數配置及故障分析

根據TCP/IP協議的需要，每臺設備都需要一個“IP地址”和一個“子網掩碼”，目前大多使用的協議版本為IPv4，其“IP地址”格式是四個用點號分開的數，如：192.168.30.1。并且規定計算機網絡中在同一物理層直接通訊的設備必須要運行在同一網段上。即，如果有多臺設備需要通訊，應滿足以下條件：①設置了不同的IP地址；②設置了相同的子網掩碼；③IP地址需要設置在同一網段上。同一網段是指設置的IP地址的四個數中，前三個數字相同，最后一個數字不同。例如兩臺互通設備的地址設置如表1所示。

因此，當通訊故障時，我們需要確認裝置的IP地址是否設置正確，子網掩碼設置是否相同。

一般來說IP地址的四個數中，最后一個數字默認為通訊規約中的裝置地址，但需注意有些廠家的設備除了需要設置IP地址，還需要另外設置裝置地址，這些地址也是唯一的。

2.2 串口通訊基本參數配置及故障分析

串口通訊的基本參數包括：裝置地址、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位。

裝置地址作為裝置的身份標識具有唯一性，每臺裝置都不能相同。

波特率規定了數據每秒傳輸的比特數，對于發送端，波特率表示每秒發送的比特數；對于接收端，波特率表示串口通信的采樣率。由于波特率和距離之間成反比，因此只有距離很近的設備間才能實現高波特率通信。

數據位是規定了信息數據位的參數，取決與所要傳輸的數據碼的范圍，如果要傳輸的是標準的ASCII碼，由于ASCII碼的范圍是0～127，因此使用7位數據位就能夠滿足數據傳輸需要。但如果要傳輸的是擴展ASCII碼，其范圍是0～255，就必須使用8位數據位。

停止位表示所發數據包數據結束，可以取1位、1.5位或2位。由于數據傳輸過程中有可能會出現不同步現象，因此停止位還可以提高對不同步的容忍度。停止位的位數越多，對不同步的容忍程度就越大，但同時數據傳輸率也越慢。

奇偶校驗位用于串口通信中的簡單檢錯，也可以不使用校驗。奇/偶校驗是通過統計數據中高位或低位的個數來實現校驗的。通過校驗可以判斷出數據是否存在干擾，以及接收是否存在不同步的現象[4]。

綜上，如果串口通訊出現中斷，可以嘗試以下處理方法：（1）裝置地址是否按要求配置，不能有重復的地址；（2）波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位是否相同；（3）如果通訊距離比較長可考慮降低波特率；（4）確定數據位是否滿足數據傳輸的要求；（5）增加停止位的位數，提高對傳輸不同步的容忍度；（6）更改奇偶校驗的方式。

3 結語

綜上所述，對SCADA通訊中斷故障的分析應從網絡通道和設備通訊參數配置兩個方面進行。由于上述包含的因素較多，因此需要根據所使用的通訊介質、通訊接口及使用的協議方式逐步進行篩選和排查。其中網絡通道受環境的影響較大，而軟件配置基本不受環境影響，但受軟件設備升級的影響較大。所以如果是初調項目，則網絡通道和通訊參數配置兩方面排查的優先級別相同；如果是既有項目，在沒有進行軟件升級或配置修改的情況下應優先考慮是否是網絡通道的問題，如果通訊中斷現象發生在軟件升級或配置修改之后則應考慮配置錯誤的可能性較大。

參考文獻

[1] 鄧大鵬.光纖通信原理[M].北京：人民郵電出版社，2009：5-37.

[2] 王士政.電力系統控制與調度自動化[M].北京：中國電力出版社，2007：101-106.

[3] 高志遠，黃海峰，姚建國，等.基于I/O空間分析的調度主站軟件系統檢測模型[J].電力系統自動化，2014（22）：91-96.

[4] 杜華.Linux編程技術詳解[M].北京：人民郵電出版社，2007：169-175.