SCADA中的通讯系统

达州职业技术学院 孙小智

SCADA是Supervisory ControI And Data AcquiSition System的缩写，是一种对分布距离远和生产单位分散的生产系统的数据采集、监视和控制系统。SCADA系统主要由三部分构成：主站端、通讯系统和远程终端单元。

SCADA通讯系统是丰富多彩的，它包括音频电缆、载波电缆、光纤、电力载波、网络、电台、卫星、微波等。一般可以分为两类，即有线和无线 ，随着通讯技术的发展，涌现出了各种网络通讯方式，这种网络通讯方式很难归结在有线或无线的范畴，常常单独作为一类来讨论。

SCADA通信系统的基本模型如图1所示。图中由g(t)到s(t)为信道编码，常用在有线和无线通信中，一般的调制方式有ASK、FSK、PSK、QAM、TCM等多种。随着DSP（数字信号处理）计算能力的提高，以及DA/AD变换速度和精度的提高，如今信道编码的能力已经越来越接近香农信息论的理论值（即64K）。此外SCADA的通讯过程中必然存在噪声干扰，就有可能出现差错，所以必须进行差错控制。

图1 SCADA通信系统的基本模型

错控制的方法就叫编码，然而在SCADA系统中经常用的差错控制是检错，检错主要有和校验和CRC校验两种方式。

1 SCADA的有线通信系统

有线通信方式比较多：同轴电缆、光纤、音频电缆、架空明线、载波电缆、电力载波等。在有线上的信号传输可分为基带传输和调制传输，其中基带传输在介质上传输的是数字信号，因此信号要经过码型变换，不经过调制，就可以直接送到信道传输；调制解调传输是要经过模拟数字变换后再进行调制的传输。很多介质既可以作为基带传输也可以作为调制传输。我们这里的有线指的是要有介质连接而不经过网络协议直接进行SCADA协议的通讯方式。

有线信道中，除了载波信道外，一般来看其传输的速度要高于无线信道，其误码率也低于无线信道，时延较小，可靠性也高于无线信道。其缺点是建设投资较大，建设周期长，而且在某些特殊场合根本无法建设有线的通讯方式。

有线通信中很多要用到调制解调设备，如电话线、音频电缆、载波通道，其信道容量肯定小于香农信息论容量。电话线中的调制解调器可以达到33.6Kbps的速度，而载波通道有的只能到300bps的速度。在有线信道中有些是直接传输数字信号，如在双绞线上传送RS485/RS422信号，可以通过双绞线上长线驱动设备进行传输，在光纤上直接传输的也都是数字信号。RS485可在100Kbps的速度上传输1.2km，长线驱动器可达到19.2Kbps的速度，光纤可达到几百K甚至几百兆的速度，传输距离可以在几百米到几十千米，其通信结构如图2所示。

图2 SCADA的光纤通信系统

2 SCADA的无线通信系统

SCADA的无线通信方式主要包括: 电台、微波、卫星、光线、声波等通信手段。

2.1 SCADA的无线电台

SCADA的无线电台是一个典型的半双工轮询系统，如果系统点数越多，轮询一遍所花的时间就越长，可能会长达几分钟甚至更长。无线电台由于受到带宽的限制，其信道一般为25KHz，因此无线电管理委员会专门划出几个频段用于无线数据传输，主要有：150MHz频段、230MHz频段和470MHz频段。其调制传输速度目前可以做到600bps到19200bps不等。现在的无线电台一般都是将调制解调器和无线电台做在一起的数传电台。

如果采用无线电台中心站则要复杂一些，为了使系统能够更好的通讯，需要建设一个很高的全向天线，有的是建设专门的铁塔，有的是安装在楼顶。实施前要进行遮挡测试、场强测试、频点干扰测试等。因无线电台受到地形和建筑的影响十分严重，有时会出现本来通讯很好，在中间出现一个高层建筑就可能导致无法通讯的情况。因此无线电台有时不适宜于城市应用，也不适宜于山区、高原、丘陵地带使用，特别适合于平原农村和水面应用。此外必须区分无线电台的空中速率和接口速率，这二者是独立的没有关系的两个概念。接口速率是指电台与RTU（远程终端）设备的速率，这个速率只要不小于空中速率，它与通讯速度没有太大关系。空中速率是指电台在无线信道的实际数据速率，这个速度越快，说明电台的性能越好，而且单位时间传输的数据量越大。

无线电台还可能会受到干扰的影响，严重影响其通信性能，甚至完全无法使用。主要干扰有：同频干扰、其它射频设备、高压输电线路电晕干扰等。一般不受天文情况的影响，如太阳黑子、电离层、太阳磁暴等。

2.2 SCADA的微波通讯

微波是一种无线电波，微波的频带宽，通信容量很大，微波通讯会受到降水和雾的影响，其传送的距离一般只有几十千米。因此微波通信每隔几十千米需要建一个微波中继站。SCADA的微波通讯只有在特别重要的场合才实施，其投资很大，并且间隔大约50km就要建立一个中继站，对于地形复杂的场合，可能很近就要有一个中继站。因此一般的单位是没有财力构建SCADA微波系统的，国内的电力企业有一套从各个大区到中央的微波通讯系统。

2.3 SCADA的卫星通讯

卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。SCADA的卫星通讯是在万不得已时才使用，首先其功率太大，一个小型的卫星基站需要上百瓦的功率，需要一个1M口径的抛物天线和专门昂贵的设备，而且通讯费用非常高，一般只有海上、沙漠等实在无法借助其它通讯手段的时候才采用。卫星通讯相当可靠，除了太阳磁暴、太阳耀斑、暴雨等情况外，一般不会出现通讯中断的现象。典型的卫星通信系统有Mobitex卫星通讯系统，M obitex是一种通过基站和卫星传输数据的网络平台，构建在蜂窝移动通信技术基础上，采用分组交换的传输方式。该系统由网络控制中心、交换机、基站、卫星等部分组成，如图3所示。由于Mobitex通过基站与卫星进行数据传输，特别是Mobitex提供了对通讯系统的检测和控制手段，因而使得通讯的可靠性和效率都有了很大的提高。

图3 Mobitex卫星通讯系统

3 SCADA的网络通信系统

SCADA的网络通信方式是通讯系统架构在一个计算机网络之上，比如帧中继、ATM、IP网等，这种通讯方式既可能是有线的也可能是无线的，甚至多次跨越无线和有线。其性能也明显与有线和无线系统不同。如不用考虑误码和报文的大小、不考虑系统的拓扑结构，但是网络通信方式的时延可能比较大，通过GPRS网络或CDMA传输SCADA系统数据就是典型的例子。

网络通讯方式的优点在于借用现有的网络资源，真正打破了地域的限制，可以构架分布全球的SCADA系统，对于很多全球生产的企业非常有利。网络通讯在无线方式上常用的包括：GPRS/CDMA、ZIGBEE、无线以太网等；有线方式常用的包括以太网、ADSL、CABLE MODEM等。由于网络构建于公共网络之上，当出现突发事件时，要求SCADA系统在突发事件时立即进行应急处理，这时可能会因为公众通讯的信息量大增，导致通讯设备瘫痪或者阻塞，因而出现无法应对的情况。这种通讯阻塞的情况是完全有可能出现的，因此在组建SCADA系统的时候，必须要评估这个风险，否则就是一个在紧急情况下不能正常使用的系统，这个系统也就没有建设的必要。所以对于这种系统一定要采用生存能力强的独立系统，例如无线电台和专门的网络。

在SCADA的网络通讯上，由于GPRS/CDMA、ADSL等设备都是构建在PPP协议和PPPOE协议之上，其地址分配可以是动态的，也可以是静态的。而主站的地址也可以是静态的和动态的，所以二者可能存在互不知道IP地址的情况，因此如果没有专门的机制是无法完成通讯的。为了保证RTU（远程终端控制系统）和主站之间的通讯就需要做专门的技术处理。对于TCP/IP通讯而言，双方必须知道对方IP地址和端口号才可能进行通信，一般主站作为服务器使用，一般的通讯模型是客户机/服务器模型，因此主站系统不应放在防火墙的后面，如果需要放在防火期的后面，防火墙至少要开放几个端口，并且必须把主机的IP地址通过NAT的方式映射到公网上，否则RTU是不可能和主站通讯的。假如主站地址是静态的，RTU终端在设置时，把主站的IP地址设为主机IP地址。上电后，RTU的通讯设备DTU（数据传输单元）就可以根据设定的IP地址和端口号以及通讯方式（TCP/UDP）找到主站进行通讯。假如主站是动态地址（如采用电话拨号上网或ADSL拨号上网时），由于主机地址是动态的，因而RTU的通讯设备DTU的IP地址也是动态的，双方是不可能直接找到对方的。这就需要申请一个动态的域名解析业务从而区别于静态域名解析服务，如动态域名为QQQ.ZZZ.COM，在主站端安装动态域名解析软件，主站只要开机就登陆到动态域名服务器，如花生壳，注册自己的IP地址，告知QQQ.ZZZ.COM的地址是XX.XX.XX.XX。RTU端的DTU设备设置时其通讯的主机不能设为IP地址，而应该设为QQQ.ZZZ.COM,在DTU设备上电后，首先向DNS服务器请求解析QQQ.ZZZ.COM的IP地址，DNS服务器根据动态域名解析软件注册的IP地址，告诉DTU，QQQ.ZZZ.COM的IP地址是XX.XX.XX.XX，DTU就知道了主站的IP地址和双方约定的端口号和通讯方式(TCP/UDP)，这样就可以通讯了。此外，由于通讯采用的是TCP/IP通讯，主站和RTU端的端口号和通讯方式（TCP/UDP）必须设成一致，如图4所示。

GPRS/CDMA的应用属于无线通讯，基本上没有数传电台的缺点，其构建在无线通讯运营商的网络之上，只要在手机能够通话的地方就能够工作。其缺点是按照流量收费，费用比较高，此外受到网络通讯能力的限制，因而同时发起的认证连接数和维持的连接数是有限的，对于大规模的应用是一个很大的制约。一般来说CDMA的通讯速度要比GPRS高，但实际应用当中，SCADA网络通讯系统的应用速度要远远低于其标称速率。另外GPRS/CDMA还有一个网络延时问题，从用户发出一个报文到收到响应报文，可能需要3秒甚至更长的时间，对于有些要求较高的用户是无法满足的。

图4 SCADA的网络通讯系统

另外无线以太网也是一个非常有前途的通讯方式，其通讯价格越来越便宜，其带宽很宽，最高可以达到54M，完全可以在上面承载图形监控业务、语言业务和SCADA业务，是非常有发展潜力的。现在可以在无线以太网上构建MASH网（自组织网络），这样无论网络是固定的还是移动的，都能保证正常通信；即使出现个别设备损坏的情况，也可以通过网络的再组织功能，保证正常的通信。当无线以太网采用全向天线时，其通讯距离受到了很大的限制，只有几百米左右，而采用定向高增益天线，距离则可以达到几十公里左右。

ADSL/CABLE MODEM是大家熟悉的日常上网方式，ADSL和Cable M odem两种技术组网都能够提供多种业务，并且都能基本满足目前宽带业务的需要。ADSL在带宽上要低于Cab le M odem，但是，利用Cable M odem和HFC（光纤同轴电缆混合网）进行组网在稳定性、可靠性、供电以及运行维护体制上都有一些问题。另外，由于该网络线路带宽是共享的，在用户达到一定规模后实际上是无法提供宽带数据业务，用户分享到的带宽是非常有限的。另外值得一提的是很少有RTU设备可以直接支持PPPOE协议，这就需要进行配置或增加网络设备来实现。

4 结语

SCADA系统常常使用无线和有线的连接组合方式，也经常用于大型系统，如铁路和发电站的SONET /SDH，通常具有远程管理或监测SCADA系统的功能。SCADA网络系统因其高效率被日益广泛使用，然而它们也带来了安全风险。 SCADA网络系统实现了功能的最大化，但很少关注安全，使一些SCADA网络易于受到服务破坏、过程重定向或运行数据干扰，导致公众安全问题。因此，可靠性和保护也已成为SCADA网络系统的重要问题。

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