SCADA中的通訊系統(tǒng)

達州職業(yè)技術(shù)學(xué)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(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：主站端、通訊系統(tǒng)和遠程終端單元。

SCADA通訊系統(tǒng)是豐富多彩的，它包括音頻電纜、載波電纜、光纖、電力載波、網(wǎng)絡(luò)、電臺、衛(wèi)星、微波等。一般可以分為兩類，即有線和無線 ，隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了各種網(wǎng)絡(luò)通訊方式，這種網(wǎng)絡(luò)通訊方式很難歸結(jié)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(tǒng)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(diào)制方式有ASK、FSK、PSK、QAM、TCM等多種。隨著DSP（數(shù)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(jīng)越來越接近香農(nóng)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(xiàn)差錯，所以必須進行差錯控制。

圖1 SCADA通信系統(tǒng)的基本模型

錯控制的方法就叫編碼，然而在SCADA系統(tǒng)中經(jīng)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(tǒng)

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(diào)制傳輸，其中基帶傳輸在介質(zhì)上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因此信號要經(jīng)過碼型變換，不經(jīng)過調(diào)制，就可以直接送到信道傳輸；調(diào)制解調(diào)傳輸是要經(jīng)過模擬數(shù)字變換后再進行調(diào)制的傳輸。很多介質(zhì)既可以作為基帶傳輸也可以作為調(diào)制傳輸。我們這里的有線指的是要有介質(zhì)連接而不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議直接進行SCADA協(xié)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?shù)乃俣纫哂跓o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(shè)投資較大，建設(shè)周期長，而且在某些特殊場合根本無法建設(shè)有線的通訊方式。

有線通信中很多要用到調(diào)制解調(diào)設(shè)備，如電話線、音頻電纜、載波通道，其信道容量肯定小于香農(nóng)信息論容量。電話線中的調(diào)制解調(diào)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(shù)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(qū)動設(shè)備進行傳輸，在光纖上直接傳輸?shù)囊捕际菙?shù)字信號。RS485可在100Kbps的速度上傳輸1.2km，長線驅(qū)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SCADA的光纖通信系統(tǒng)

2 SCADA的無線通信系統(tǒng)

SCADA的無線通信方式主要包括: 電臺、微波、衛(wèi)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(tǒng)，如果系統(tǒng)點數(shù)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(shù)據(jù)傳輸，主要有：150MHz頻段、230MHz頻段和470MHz頻段。其調(diào)制傳輸速度目前可以做到600bps到19200bps不等。現(xiàn)在的無線電臺一般都是將調(diào)制解調(diào)器和無線電臺做在一起的數(shù)傳電臺。

如果采用無線電臺中心站則要復(fù)雜一些，為了使系統(tǒng)能夠更好的通訊，需要建設(shè)一個很高的全向天線，有的是建設(shè)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(xiàn)本來通訊很好，在中間出現(xiàn)一個高層建筑就可能導(dǎo)致無法通訊的情況。因此無線電臺有時不適宜于城市應(yīng)用，也不適宜于山區(qū)、高原、丘陵地帶使用，特別適合于平原農(nóng)村和水面應(yīng)用。此外必須區(qū)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(guān)系的兩個概念。接口速率是指電臺與RTU（遠程終端）設(shè)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(guān)系?？罩兴俾适侵鸽娕_在無線信道的實際數(shù)據(jù)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?shù)臄?shù)據(jù)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(shè)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(fù)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(gòu)建SCADA微波系統(tǒng)的，國內(nèi)的電力企業(yè)有一套從各個大區(qū)到中央的微波通訊系統(tǒng)。

2.3 SCADA的衛(wèi)星通訊

衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)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(lián)系。SCADA的衛(wèi)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(wèi)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(shè)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(wèi)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(xiàn)通訊中斷的現(xiàn)象。典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有Mobitex衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，M obitex是一種通過基站和衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)平臺，構(gòu)建在蜂窩移動通信技術(shù)基礎(chǔ)上，采用分組交換的傳輸方式。該系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)控制中心、交換機、基站、衛(wèi)星等部分組成，如圖3所示。由于Mobitex通過基站與衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)傳輸，特別是Mobitex提供了對通訊系統(tǒng)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(wèi)星通訊系統(tǒng)

3 SCADA的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

SCADA的網(wǎng)絡(luò)通信方式是通訊系統(tǒng)架構(gòu)在一個計算機網(wǎng)絡(luò)之上，比如幀中繼、ATM、IP網(wǎng)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(tǒng)不同。如不用考慮誤碼和報文的大小、不考慮系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，但是網(wǎng)絡(luò)通信方式的時延可能比較大，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)或CDMA傳輸SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)就是典型的例子。

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

在SCADA的網(wǎng)絡(luò)通訊上，由于GPRS/CDMA、ADSL等設(shè)備都是構(gòu)建在PPP協(xié)議和PPPOE協(xié)議之上，其地址分配可以是動態(tài)的，也可以是靜態(tài)的。而主站的地址也可以是靜態(tài)的和動態(tài)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(tǒng)）和主站之間的通訊就需要做專門的技術(shù)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(wù)器使用，一般的通訊模型是客戶機/服務(wù)器模型，因此主站系統(tǒng)不應(yīng)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(wǎng)上，否則RTU是不可能和主站通訊的。假如主站地址是靜態(tài)的，RTU終端在設(shè)置時，把主站的IP地址設(shè)為主機IP地址。上電后，RTU的通訊設(shè)備DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）就可以根據(jù)設(shè)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(tài)地址（如采用電話撥號上網(wǎng)或ADSL撥號上網(wǎng)時），由于主機地址是動態(tài)的，因而RTU的通訊設(shè)備DTU的IP地址也是動態(tài)的，雙方是不可能直接找到對方的。這就需要申請一個動態(tài)的域名解析業(yè)務(wù)從而區(qū)別于靜態(tài)域名解析服務(wù)，如動態(tài)域名為QQQ.ZZZ.COM，在主站端安裝動態(tài)域名解析軟件，主站只要開機就登陸到動態(tài)域名服務(wù)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(shè)備設(shè)置時其通訊的主機不能設(shè)為IP地址，而應(yīng)該設(shè)為QQQ.ZZZ.COM,在DTU設(shè)備上電后，首先向DNS服務(wù)器請求解析QQQ.ZZZ.COM的IP地址，DNS服務(wù)器根據(jù)動態(tài)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(shè)成一致，如圖4所示。

GPRS/CDMA的應(yīng)用屬于無線通訊，基本上沒有數(shù)傳電臺的缺點，其構(gòu)建在無線通訊運營商的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通訊能力的限制，因而同時發(fā)起的認證連接數(shù)和維持的連接數(shù)是有限的，對于大規(guī)模的應(yīng)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(yīng)用當中，SCADA網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的應(yīng)用速度要遠遠低于其標稱速率。另外GPRS/CDMA還有一個網(wǎng)絡(luò)延時問題，從用戶發(fā)出一個報文到收到響應(yīng)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(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

另外無線以太網(wǎng)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(jiān)控業(yè)務(wù)、語言業(yè)務(wù)和SCADA業(yè)務(wù)，是非常有發(fā)展?jié)摿Φ摹，F(xiàn)在可以在無線以太網(wǎng)上構(gòu)建MASH網(wǎng)（自組織網(wǎng)絡(luò)），這樣無論網(wǎng)絡(luò)是固定的還是移動的，都能保證正常通信；即使出現(xiàn)個別設(shè)備損壞的情況，也可以通過網(wǎng)絡(luò)的再組織功能，保證正常的通信。當無線以太網(wǎng)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(wǎng)方式，ADSL和Cable M odem兩種技術(shù)組網(wǎng)都能夠提供多種業(yè)務(wù)，并且都能基本滿足目前寬帶業(yè)務(wù)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(wǎng)）進行組網(wǎng)在穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)線路帶寬是共享的，在用戶達到一定規(guī)模后實際上是無法提供寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，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(shè)備可以直接支持PPPOE協(xié)議，這就需要進行配置或增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來實現(xiàn)。

4 結(jié)語

SCADA系統(tǒng)常常使用無線和有線的連接組合方式，也經(jīng)常用于大型系統(tǒng)，如鐵路和發(fā)電站的SONET /SDH，通常具有遠程管理或監(jiān)測SCADA系統(tǒng)的功能。SCADA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)因其高效率被日益廣泛使用，然而它們也帶來了安全風(fēng)險。 SCADA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)了功能的最大化，但很少關(guān)注安全，使一些SCADA網(wǎng)絡(luò)易于受到服務(wù)破壞、過程重定向或運行數(shù)據(jù)干擾，導(dǎo)致公眾安全問題。因此，可靠性和保護也已成為SCADA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要問題。

[1] 李占昌,趙福生.利用實時監(jiān)控系統(tǒng)計算實際線損的研究與實踐[J]. 電網(wǎng)技術(shù). 2000(07).

[2] 趙建成,謝小榮,穆鋼.基于WAMS的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的快速預(yù)測[J]. 繼電器. 2005(07) .

[3] 韓宏亞. SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 農(nóng)村電氣化. 2004(02) .

[4] 蔣年德,王耀南,魏育成.基于B/S的SCADA系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)[J]. 計算機工程與應(yīng)用. 2003(14) .

[5] 張東海,薛福珍,羅超. SCADA系統(tǒng)中開放式通信模型的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 化工自動化及儀表. 2004(06).

[6] 郭強,劉麗欣,莫德舉. SCADA系統(tǒng)中的底層通訊研究[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2005(04).

[7] 黃衛(wèi)華,方康玲,陳國年.基于SCADA和無線通訊的工業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2005(03).

[8] 高德欣,楊清,劉軍,王景景.利用OPC接口實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)與PLC之間的通訊[J]. 青島科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2006(01).