传输管道SCADA远程通讯技术的实施

（中石化管道储运公司管道技术作业分公司，江苏 徐州 221008）苏彩虹，师 润

1 前言

SCADA系统（监控与数据采集supervisory control and data acquisition ）因其具有信息完整、高效、实时掌握系统运行状态、快速决策、快速诊断故障等优点[3]，对提高输油生产运行的可靠性、安全性与经济效益具有不可替代的作用，而被长输管道广泛采用。

一般而言，长输管道SCADA系统采用调度中心SCADA 系统、输油站场PLC两级控制方式。原油总调度中心SCADA 系统通过通讯（一般距离为数百公里或跨省）实现对远程输油站场的数据采集、实现对远程输油站场输油泵阀功能进行现场或远程控制、同时还要整合其它各辅助系统的运行信息和生产数据，并将这些数据提供给各级操作人员、管理者。因此，总调度中心SCADA系统如何实现与远程若干输油站场PLC之间的通讯并进行数据交换，成为关键所在。

以东临线/东临复线为例，总调度中心SCADA控制系统采用I/A系列SCADA监控系统。通常SCADA系统分为两个层面，即客户/服务器体系结构。服务器与硬件设备通信，进行数据处理和运算，而DNP 3.0规约不但是SCADA行业国际标准规约，而且它可以为SCADA提供低速(最高达64 kbit/s) 连接上高效和可靠的数据传输和控制功能，并能适应不同的拓扑结构。所以远程输油站场的PLC系统与SCADA的通讯实施策略最终采用DNP3.0协议的通讯模式。而其所选的PLC系统不支持DNP3.0协议，所以增加了Prolinx协议转换器，通过此转换器实现了SCADA系统遥测、遥信、遥调、遥控“四遥”功能[4]。

2 网络通讯设计

设计时为了提高系统的可靠性和稳定性，因此，硬件设备及通讯网络均采用冗余配置，从而降低了因设备和网络故障造成的安全风险。另外，考虑到现场环境的实际状况，周围大功率设备较多，而系统又是通过远程通讯方式远程监控现场设备，为了增强系统的抗干扰能力，选用光纤作为通讯介质。

图1 通讯结构图

图2 SCADA系统典型的硬件配置

3 通讯的硬件配置

3.1 站控PLC系统：140 NOE 77101

现场站控PLC系统140 NOE 771 01以太网模块是Modicon Quantum 以太网TCP/IP模块系列中的最新号之一，这种以太网模块的电子部件包含在标准的Modicon Quantum单宽度外壳中，端口可传送和接收封装在 TCP/IP 协议中的Modbus命令。此模块支持Modbus TCP/IP通讯协议。

3.2 SCADA监控系统

SCADA监控系统的硬件设备主要是RTU服务器和工作站、管理机等。SCADA控制系统基于双机双网冗余结构，即有两台RTU、两个工作站和两个以太网，两个以太网和两台RTU服务器均可以自动切换，以保证系统的可靠运行。工业以太网采用光纤通信，能以100Mbps的速率进行传输。每台计算机均配有两个网卡，以配合双网通讯。两台工作站计算机、优化决策机和RTU服务器，通过工业以太网进行通讯，将现场采集实时数据传送到SCADA系统节点并进行处理，在本地实现流程图显示、趋势曲线、历史数据保存、历史曲线查询、参数调整、报警管理、报表管、智能优化等功能。

为了系统的通讯更稳定，快捷，通常SCADA系统通过走DNP3.0规约与远程硬件设备通信，进行数据处理和运算。近年来又出现一个层面，通过Web发布在Internet上进行监控，可以认为这是一种“超远程客户”。

3.3 协议转换模块Prolinx：5201－MENT-DNPSNET

5201－MENT-DNPSNET通讯模块是以Prolinx为通讯网关，用于通过MODBUS TCP通讯将PLC中数据送到协议转换器内部数据库再重新打成DNP3.0协议的包与徐州控制中心进行通讯。使一种PLC控制系统的通讯方式进行扩充，通过Prolinx－5201－MENT-DNPSNET网关可以把Modicon Quantum PLC（Unity pro）系统扩展的140 NOE 77111 modbus以太网通讯协议和SCADA控制系统的DNP3.0以太网通讯协议相联接。

4 软件组态设计

4.1 PLC系统140 NOE 77101以太网模块组态

根据现场设备分散广、周围环境复杂的特点，本系统设计了由两套冗余PLC控制系统，双以太网模块与其他的外部设备进行通讯。两块140NOE77101卡，组成A网和B网冗余以太网，正常情况下至少有一个是一直闪烁的。

图3 140 NOE 77101以太网模块软件组态

4.2 协议转换模块Prolinx 软件组态

Prolinx MNET-DNPSNET 的原理是只有一个端口，运行TCP IP 协议，但是在TCP IP 协议的上层，它走两种应用层协议，一种是MODBUS TCP 另外一种是DNP TCP（从逻辑上讲也相当于两个口）。一边通过这个口，Prolinx 与PLC 进行通讯（走MODBUS TCP协议），数据还是存在其内部数据库中，另外一方面，Prolinx与徐州的SCADA 服务器进行通讯，运行的是DNP TCP 协议，将内部数据库的数据与远处的SCADA服务器进行交换。

以下以东营站A网的配置文件为例：

# 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监控系统软件组态

SCADA监控系统与现场进行通讯，采集各种实时数据、开关状态、报警信息和记录事件。SCADA监控系统与RTU服务器的通讯是核心部分，内部用DNP3.0 协议，外部通过TCP/IP协议封装，通过以太网到达另一端。在TCP/IP编程接口中，用Socket来定义TCP/IP连接中的端点，每一个TCP/IP连接由两个Socket构成，每一个Socket由IP地址和端口号来描述，都可以看做是一个网络连接的端点。可以把Socket理解为通道，TCP/IP连接由连接通道来完成，连接通道由主机地址和通道号来标识。在实际编程中，Socket会自动根据TCP/IP协议对所发送的报文进行封装，对所接收的报文自动解除封装[2]。我们只需要根据DNP3.0协议的要求来发送和接受并解析报文。

DNP 3.0 规约是在国际电子电工协会(IEC)的TC57协议基础上制定的通信规约，它支持ISO 的 OSI／EPA 模型，这种模型规定了物理层，数据链路层和应用层。然而，为了支持高级的RTU 功能和大于最大帧长的报文，DNP 3.0 的数据链路采用一个伪传输层去完成最短报文的组装与分解。DNP 3.0 规约的文本共分4部分：数据链路层规约，传输功能，应用层规约及数据对象库[1]。

图4 对DNP地址进行分配图

对SCADA监控系统软件组态，首先配置DNP远程设备，设备是远程设备的名字。设备的物理地址是远程设备的地址。

图5 配置DNP远程设备

图6 每一个远程控制站进行通讯配置

5 应用效果

综合考虑原油输送设备分布分散，管线较长、现场站控多等因素，为达到远控监控的管理目标，采用冗余通讯系统，使PLC与SCADA通讯性能更稳定，技术可靠。东临双线自动化系统自投入使用以来已经在远程监控、可靠性、可维护性等方面体现出明显的优势，已经成为当今自动化应用领域的发展方向。当然PLC与SCADA通讯的手段和策略有很多种，需要广大的用户不断总结和探索。

[1] 李志明, 李鸣春. DNP3.0规约在广州地区调度系统的应用[J]. 广东电力,1999, 12(3): 28-30.

[2] 刘莉莉. 基于IEC 61850的风电场SCADA系统安全访问控制模型设计[J].电网技术, 2008, 32(1).

[3] 孙明春, 金敏. SCADA系统及其应用[J].自动化博览, 2000, (4): 12-14.

[4] 安艳萍, 申群太. “DNP3.0” 在基于RTU的综合自动化系统中的实现[J].工业控制计算机, 2006, 19(8): 19-22.