基于DNP3协议的PLC系统数据补传方案

李志勉，蒙博宇，俞文光

（浙江中控技术股份有限公司，杭州310053）

在工控行业中，随着计算机技术的不断发展，对工业数据的二次分析与处理的需求变得越来越大。 通过对大量的不同的数据进行筛选、分析和预测等，可以判断在有限时间内设备的运行状态、生产批次相关数据等信息，为未知风险的预判和决策提供一定程度的支撑。 而所有这些均基于数据的一致性和持续性，尤其是中药生产环节中，现场单机设备繁多，网络情况复杂，容易出现数据孤岛、网络异常、服务器宕机等异常。 数据完整性是医药行业法律法规的强制要求，因此对从现场生产设备到现场通讯服务器，再到中心控制室数据库平台的断线续传功能的需求强烈。 然而，当前行业中仍处于空白状态，其他传统行业中的方案一般部署专门的断线续传服务，通过自定义协议续传，这与医药行业中对数据完整性要求仍有差距。 故在此提出了基于DNP3 开放协议的PLC 系统数据补传方案，其目标在于根据中药行业业务逻辑，实现断线续传功能，既要符合行业法律法规的要求，又实现用户断线续传数据完整的需求，达到一定程度的创新性。

1 数据补传技术分析

在医药行业应用场景里，因网络情况复杂，控制站和控制系统有时没有条件网线直拉，而要借助公共网络或者用户内部交换机网络进行数据传输。此时网络不稳定，会造成控制站读不到现场数据，造成数据丢失。

经研发人员分析，造成数据丢失原因有2 种。①网络不稳定，导致有效带宽减小，PLC 系统的实时数据传输协议如modbusTCP 无法适应这种小带宽网络环境，造成数据丢失；②网络不稳定至完全断开，现场控制器无历史数据存储功能，导致网络断开期间数据丢失。 因此，PLC 控制器需要有数据存储能力，能记录现场数据在本地，并能适应小带宽传输环境，将历史数据传输至数据中心。

2 数据补传方案设计

2.1 方案概述

数据补传方案是一个集现场设备、控制单元PLC、数据库、监控HMI 等于一体的解决方案。

为解决上述问题，在此设计了PLC 控制系统的数据补传方案。 PLC 控制器首先实现了一个小型本地数据库，将实时数据打上时间戳后存入数据库，然后通过DNP3 协议中的历史数据对象封装本地数据，回传给控制站。 该方案可使控制系统在不稳定网络环境里具备数据补传的能力，保证断网数据不丢失，在医药生产领域里有很好的应用价值。

2.2 数据补传设计

控制器首先实现一个基于Flash 的小型数据库，数据库支持K-V 型数据存储、访问。 考虑到了Flash 的擦写特性，数据库底层进行了备份和扇区滚动设计，防止擦写期间突然断电导致数据丢失和避免频繁擦写导致Flash 寿命下降。

该方案在传输协议部位选择DNP3 这种异构协议进行传输：①DNP3 协议的链路层、传输层设计包含数据分批校验、接收应答、超时重传和大数据包分包传输等特性，非常适合用于不稳定远距离网络数据传输； ②DNP3 协议的应用层使用了数据对象的概念，其中部分数据对象定义了为带时间标签的位号值（见表1），非常适合用于装载位号历史数据。

表1 历史数据位号对象定义Tab.1 Definition of historical data bit number object

当现场处于断网状态时，PLC 控制器在本地进行数据存储。 网络恢复后，上位机作为DNP3 主站，PLC 作为DNP3 从站，开始数据补传，其工作流程如图1所示。

图1 PLC 数据补传流程Fig.1 Flow chart of PLC data supplementary transmission

步骤1上位机下发下发读命令，对象为Class 1/2/3，索引方式为（06），表示读取全部历史数据；

步骤2PLC 控制器接收到命令后，开始检索自身历史数据，将历史数据取出并打包为如表1中的DNP3 数据对象格式，发回至上位机；

步骤3上位机接收到数据，解析正确并完成数据库补入后，向PLC 给出确认应答；

步骤4PLC 收到上位机的确认应答后，将该批历史数据从数据库清除。

3 数据补传方案应用

以国内某中药生产企业新建制剂车间应用所设计的数据补传方案为例。 该车间现场设备及工段包括称量投料、混合、制粒、袋内包装、瓶内包装、瓶外包装等。 经设计，现场数据采集通过浙江中控的GCS-3，上位机数据库使用浙江中控的VxHistorian大型数据库，监控软件使用VxSCADA 软件。该车间中药现场控制系统网络架构如图2所示。

通过该平台架构，形成了从控制设备到软件监控平台的断线续传方案，形成了现场通讯服务器到中心控制室数据库平台的断线续传方案，从而能够在网络通讯中断、通讯设备故障、通讯延时等恶劣条件产生的故障情况下，在控制设备端缓存一定量数据，待通讯恢复正常后，将数据在后台自动续传至现场通讯服务器和控制中心数据库中，并利用通讯协议及算法保障续传数据过程不会影响实时数据通讯。

图2 中药现场控制系统网络架构Fig.2 Network architecture of TCM field control system

4 结语

针对中药生产过程中恶劣环境造成的现场数据无法全面采集，无法满足医药行业数据完整的需求，系统性的分析了数据补传方案的设计方法，并设计了基于DNP3 协议的PLC 系统数据补传解决方案；在某中药制剂车间项目开展了应用，取得相应成果。 通过该方案进行数据补传，可以有效地解决现场恶劣环境造成的设备失联、生产数据不完整的问题，符合行业法律法规的要求，并且可以通过完整、大量的不同的数据进行筛选、分析和预测等手段，可以判断在有限时间内的设备的运行状态、生产批次相关数据等信息，为未知风险的预判和决策提供一定程度的支撑。