主備通信線路在SCADA 系統(tǒng)中的應(yīng)用

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 鄭琦薇

隨著科學(xué)技術(shù)水平日新月異的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及通信技術(shù)、工業(yè)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(即SCADA 系統(tǒng))在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在城市供氣、供水和供電等公共服務(wù)領(lǐng)域，SCADA 系統(tǒng)已經(jīng)成為一套不可或缺的系統(tǒng)，也是SCADA 系統(tǒng)應(yīng)用最成熟的領(lǐng)域。通過(guò)SCADA 系統(tǒng)，能夠更加全面、有效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備、實(shí)施、用戶等進(jìn)行全方位的監(jiān)控，使得企業(yè)能夠高效、安全、穩(wěn)定地對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行管理，同時(shí)，為管理部門的決策提供依據(jù)。

SCADA 系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，在不同的生產(chǎn)管理領(lǐng)域基本上形成了不同的特征，但其基礎(chǔ)都是一樣的，即在現(xiàn)場(chǎng)配置RTU(或PLC)設(shè)備作為現(xiàn)地監(jiān)控站，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行操縱，在中心端配置計(jì)算機(jī)以及監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)作為系統(tǒng)的監(jiān)控中心，利用遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)控站與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

SCADA 系統(tǒng)作為一個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，其中用于系統(tǒng)的中心端與現(xiàn)地設(shè)備端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)不但是必不可少的，也是SCADA系統(tǒng)中最重要的部分之一。實(shí)際上，對(duì)于整個(gè)SCADA 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其下端的RTU(或PLC)設(shè)備以及上端的計(jì)算機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)都有許多成熟的產(chǎn)品可以選擇，只有遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)必須依據(jù)SCADA 系統(tǒng)所管理的地區(qū)以及所處的環(huán)境，因地制宜地進(jìn)行選擇。所以說(shuō)，一套好的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的建立，意味著整個(gè)SCADA 系統(tǒng)成功了一半。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，用于SCADA 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)也由最初單一采用普通數(shù)傳電臺(tái)、普通電話線等方式，發(fā)展到現(xiàn)在采用光通信網(wǎng)、DDN 專線以及衛(wèi)星通信、GPRS(CDMA)、微波通信等多種通信方式組合應(yīng)用方式。因?yàn)榭梢圆捎玫耐ㄐ欧绞蕉?，所以就能夠根?jù)系統(tǒng)所處地區(qū)的通信資源情況靈活地配置遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。特別地，針對(duì)一些重要的系統(tǒng)，我們可以將遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)配置成冗余熱備方式，以提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

對(duì)于遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，其可靠性具有以下計(jì)算公式：

其中：K—遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)整體可靠性；

k1—第1 條獨(dú)立通信線路的可靠性；

k2—第2 條獨(dú)立通信線路的可靠性；

kn—第n 條獨(dú)立通信線路的可靠性。

例如，遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)有2 條獨(dú)立通信線路，其中第1 條獨(dú)立通信線路的可靠性為92%，第2 條獨(dú)立通信線路的可靠性為90%，那么，遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的整體可靠性為99.2%。

對(duì)于目前大多數(shù)工業(yè)SCADA 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用主備通信線路方式就基本上可以達(dá)到整個(gè)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)所需要的可靠性。所謂主備通信線路方式，就是采用2 條獨(dú)立的通信線路，其中1 條通信線路作為主通信線路，另外1 條通信線路作為備用通信線路。

1 采用主備通信線路的必要性和重要性

在一些關(guān)鍵的、實(shí)時(shí)性要求高、需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的SCADA 系統(tǒng)中，為了保證生產(chǎn)的安全，采用主備通信線路配置遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)不但是必要的，也是必須的。比如，在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA 系統(tǒng)中，當(dāng)在進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)/關(guān)閥門時(shí)，必須實(shí)時(shí)獲取控制的當(dāng)前狀態(tài)，以便進(jìn)行后續(xù)的控制操作。如果因?yàn)橥ㄐ胖袛嗟脑蚨鵁o(wú)法了解控制的當(dāng)前狀態(tài)，或者是無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的控制操作，則很有可能發(fā)生嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故。

另一方面，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要及時(shí)獲取設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，特別是故障信號(hào)，以便進(jìn)行及時(shí)維護(hù)、維修，保證設(shè)備以及系統(tǒng)運(yùn)行的安全。同時(shí)，有些數(shù)據(jù)必須完整獲取，如流量數(shù)據(jù)。這都對(duì)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)有比較高的要求。說(shuō)明了采用主備通信線路建立遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的重要性。

2 主備通信線路的配置方式

如前所述，主備通信線路是2 條完全相互獨(dú)立的通信線路，因此，在進(jìn)行配置時(shí)，要求主備通信線路不會(huì)經(jīng)由同一個(gè)設(shè)備。在很多情況下，主備通信線路可以采用同一個(gè)設(shè)備完成所需要的功能，但為了保證主備通信線路相互之間的獨(dú)立性，我們要求增加一個(gè)同樣的設(shè)備來(lái)完成另外一條通信線路需要的功能。如圖1 所示，其中，主備通信線路采用同一臺(tái)中繼器實(shí)現(xiàn)通信的中繼。

圖1 主備通信線路采用同一臺(tái)中繼器示意

這樣，遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的整體可靠性就受到了該中繼器的制約。必須增加一臺(tái)中繼器，換成圖2 的方式。

圖2 主備通信線路各采用一臺(tái)中繼器示意

另一方面，在同一條通信線路中，采用(或經(jīng)由)的設(shè)備越少越好。這是由于在一條由不同設(shè)備串行連接組成的通信線路中，其通信可靠性具有以下計(jì)算公式：

其中：S—整條通信線路的可靠性；

s1—該通信線路中第1 個(gè)設(shè)備的可靠性；

s2—該通信線路中第2 個(gè)設(shè)備的可靠性；

sn—該通信線路中第n 個(gè)設(shè)備的可靠性。

由于sn≤100%，所以n(設(shè)備數(shù)量)越大，則S越小。

在實(shí)際所采用的通信線路中，有相當(dāng)一部分是采用租用的方式。在這種情況下，因?yàn)槲覀儾荒芸刂票蛔庥梅皆谕ㄐ啪€路上所采用設(shè)備的多少，所以只能盡量租用直接的線路(如專線)以及自己盡量少增加設(shè)備；同時(shí)，因?yàn)橥槐蛔庥梅降牟煌ㄐ啪€路可能采用了同一設(shè)備，所以應(yīng)該盡量租用不同公司的通信線路來(lái)分別作為主、備通信線路。

3 主備通信線路的配置方法

一般地，可以采用以下原則進(jìn)行主、備通信線路的配置：

(1)采用有線通信方式作為主通信線路，無(wú)線通信方式作為備用通信線路；

(2)通信帶寬高的線路作為主通信線路，帶寬窄的線路作為備用通信線路；

(3)可靠性高的線路作為主通信線路，可靠性低的線路作為備用通信線路；

(4)通用性好的線路作為主通信線路，通用性差的線路作為備用通信線路；

(5)成熟的通信方式作為主通信線路，不是很成熟的通信方式作為備用通信線路。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)主備通信線路的應(yīng)用，必須在現(xiàn)地監(jiān)控站的RTU(或PLC)設(shè)備上配置2 個(gè)完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)通信口分別與主、備通信線路進(jìn)行連接，同時(shí)，這2 個(gè)通信口能夠獨(dú)立響應(yīng)監(jiān)控中心的各種通信請(qǐng)求。在監(jiān)控中心，也需要配置2 個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通信口分別與主、備通信線路進(jìn)行連接，同時(shí)，在通信服務(wù)器上配置能夠?qū)χ鱾渫ㄐ啪€路進(jìn)行各種管理的通信管理軟件，最終實(shí)現(xiàn)主備通信線路的應(yīng)用。

典型的主備通信線路配置見(jiàn)圖3。

圖3 典型的主備通信線路配置示意

配置在現(xiàn)地監(jiān)控站的RTU 通過(guò)2 個(gè)不同的通信口(可以為串行數(shù)據(jù)通信口或網(wǎng)絡(luò)通信口)分別與主線路通信設(shè)備、備用線路通信設(shè)備連接，而配置在控制中心的通信前置計(jì)算機(jī)(也可以為專用通信設(shè)備)通過(guò)2 個(gè)不同的通信口(可以為串行數(shù)據(jù)通信口或網(wǎng)絡(luò)通信口)分別與主線路通信設(shè)備、備用線路通信設(shè)備連接，從而實(shí)現(xiàn)控制中心與現(xiàn)地監(jiān)控站主、備2 條完全相互獨(dú)立通信線路的連接。在通信服務(wù)器上配置通信管理軟件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與通信前置計(jì)算機(jī)連接，從而完成對(duì)主備通信線路的管理，實(shí)現(xiàn)主備通信線路的數(shù)據(jù)通信功能。

4 主備通信線路的通信原理

用于系統(tǒng)的中心端與現(xiàn)地設(shè)備端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中的2 條主備通信線路采用以下方式實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的冗余熱備數(shù)據(jù)通信功能。

從通信的管理來(lái)說(shuō)，不管數(shù)據(jù)通信方式是采用主從式還是“逢變自報(bào)”式，中心端均是通信的發(fā)起方。當(dāng)數(shù)據(jù)通信方式是采用主從方式時(shí)，中心端為主站，RTU(或PLC)端為從站。所有的通信連接均由主站發(fā)起，從站只是響應(yīng)主站的通信請(qǐng)求，而且能夠獨(dú)立響應(yīng)主備2 條線路的通信請(qǐng)求。從站用于連接主備線路的2 個(gè)通信口總是處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，隨時(shí)響應(yīng)主站的各種通信請(qǐng)求。“逢變自報(bào)”屬于主站與從站通信握手成功后，從站根據(jù)主站預(yù)先的請(qǐng)求，在達(dá)到一定的臨界條件時(shí)，從站主動(dòng)向主站發(fā)送數(shù)據(jù)，而在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其所采用的通信線路是由主站在最開(kāi)始建立好的。因此，從根本上說(shuō)，2 條主備通信線路是完全由作為主站的監(jiān)控中心管理的，而作為從站的現(xiàn)地監(jiān)控站只是處于通信監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。一般地，在位于監(jiān)控中心的通信服務(wù)器上配置專有的通信管理系統(tǒng)，采用高效的通信驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)主備通信線路無(wú)縫的冗余熱備數(shù)據(jù)通信功能。

具體的實(shí)現(xiàn)方法是，通過(guò)對(duì)RTU(或PLC)的通信配置，以及對(duì)通信前置計(jì)算機(jī)的通信配置、通信服務(wù)器上通信管理系統(tǒng)的配置，在正常情況下，主站(監(jiān)控中心)通過(guò)主通信線路向從站(現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站)發(fā)起通信請(qǐng)求，從站在接收到主站的通信請(qǐng)求后，向上發(fā)送相應(yīng)的信息；同時(shí)，如果有些參量配置成了“逢變自報(bào)”方式，則在條件滿足時(shí)，通過(guò)主通信線路主動(dòng)向上發(fā)送這些數(shù)據(jù)；主站在發(fā)起主通信線路通信后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)備用通信線路的通信狀態(tài)，并且將該狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

當(dāng)主站確認(rèn)主通信線路失敗后(失敗的確認(rèn)可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)通信的配置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成，不同的系統(tǒng)以及不同的通信要求，其配置一般不同)，主站通過(guò)備用通信線路向從站發(fā)起通信請(qǐng)求，從站在接收到主站的通信請(qǐng)求后，通過(guò)備用通信線路向上發(fā)送相應(yīng)的信息；同時(shí)，如果有些參量配置成了“逢變自報(bào)”方式，則在條件滿足時(shí)，通過(guò)備用通信線路主動(dòng)向上發(fā)送這些數(shù)據(jù)；主站在發(fā)起備用通信線路通信后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主通信線路的通信狀態(tài)，并且將該狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

主站在利用備用通信線路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的情況下，一旦確認(rèn)主通信線路恢復(fù)正常，則無(wú)縫切換回主通信線路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

通過(guò)上述通信方法及適當(dāng)?shù)呐渲茫軌蚍€(wěn)定地實(shí)現(xiàn)主備通信線路無(wú)縫的冗余熱備數(shù)據(jù)通信功能。

5 總結(jié)

對(duì)于大多數(shù)SCADA 系統(tǒng)，特別是實(shí)時(shí)性要求高、需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的SCADA 系統(tǒng)，在遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中采用主備通信線路是很重要的，也是必要的。

在進(jìn)行主備通信線路的配置時(shí)，其方式、方法有許多種，但應(yīng)該以保證整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性為前提。

通過(guò)有效的通信管理，采用合理的數(shù)據(jù)通信方式，進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆?shù)配置，能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)主備通信線路無(wú)縫的冗余熱備數(shù)據(jù)通信功能。