主备通信线路在SCADA 系统中的应用

2013-11-04上海天然气管网有限公司郑琦薇

上海煤气 2013年3期

上海天然气管网有限公司郑琦薇

随着科学技术水平日新月异的发展，特别是计算机应用技术以及通信技术、工业监控技术的发展，计算机远程实时监控系统(即SCADA 系统)在工业的各个领域得到了广泛的应用，特别是在城市供气、供水和供电等公共服务领域，SCADA 系统已经成为一套不可或缺的系统，也是SCADA 系统应用最成熟的领域。通过SCADA 系统，能够更加全面、有效、实时、准确地对服务网络中的设备、实施、用户等进行全方位的监控，使得企业能够高效、安全、稳定地对生产进行管理，同时，为管理部门的决策提供依据。

SCADA 系统发展到现在，在不同的生产管理领域基本上形成了不同的特征，但其基础都是一样的，即在现场配置RTU(或PLC)设备作为现地监控站，通过现场执行机构进行操纵，在中心端配置计算机以及监控系统软件平台作为系统的监控中心，利用远程通讯网络实现现地监控站与监控中心的数据交换，从而实现计算机系统远程监控功能。

SCADA 系统作为一个远程实时监控系统，其中用于系统的中心端与现地设备端进行数据交换的远程通信系统不但是必不可少的，也是SCADA系统中最重要的部分之一。实际上，对于整个SCADA 系统来说，其下端的RTU(或PLC)设备以及上端的计算机、监控系统软件平台都有许多成熟的产品可以选择，只有远程通信系统必须依据SCADA 系统所管理的地区以及所处的环境，因地制宜地进行选择。所以说，一套好的远程通信系统的建立，意味着整个SCADA 系统成功了一半。

随着通信技术的发展，用于SCADA 系统的远程通信系统也由最初单一采用普通数传电台、普通电话线等方式，发展到现在采用光通信网、DDN 专线以及卫星通信、GPRS(CDMA)、微波通信等多种通信方式组合应用方式。因为可以采用的通信方式多，所以就能够根据系统所处地区的通信资源情况灵活地配置远程通信系统。特别地，针对一些重要的系统，我们可以将远程通信系统配置成冗余热备方式，以提高系统的可靠性、稳定性和安全性。

对于远程通信系统，其可靠性具有以下计算公式：

其中：K—远程通信系统整体可靠性；

k1—第1 条独立通信线路的可靠性；

k2—第2 条独立通信线路的可靠性；

kn—第n 条独立通信线路的可靠性。

例如，远程通信系统有2 条独立通信线路，其中第1 条独立通信线路的可靠性为92%，第2 条独立通信线路的可靠性为90%，那么，远程通信系统的整体可靠性为99.2%。

对于目前大多数工业SCADA 系统来说，采用主备通信线路方式就基本上可以达到整个远程通信系统所需要的可靠性。所谓主备通信线路方式，就是采用2 条独立的通信线路，其中1 条通信线路作为主通信线路，另外1 条通信线路作为备用通信线路。

1 采用主备通信线路的必要性和重要性

在一些关键的、实时性要求高、需要进行远程控制的SCADA 系统中，为了保证生产的安全，采用主备通信线路配置远程通信系统不但是必要的，也是必须的。比如，在城市燃气管网SCADA 系统中，当在进行远程开/关阀门时，必须实时获取控制的当前状态，以便进行后续的控制操作。如果因为通信中断的原因而无法了解控制的当前状态，或者是无法进行后续的控制操作，则很有可能发生严重的生产安全事故。

另一方面，在系统运行时，需要及时获取设备当前的运行状态，特别是故障信号，以便进行及时维护、维修，保证设备以及系统运行的安全。同时，有些数据必须完整获取，如流量数据。这都对远程通信系统有比较高的要求。说明了采用主备通信线路建立远程通信系统的重要性。

2 主备通信线路的配置方式

如前所述，主备通信线路是2 条完全相互独立的通信线路，因此，在进行配置时，要求主备通信线路不会经由同一个设备。在很多情况下，主备通信线路可以采用同一个设备完成所需要的功能，但为了保证主备通信线路相互之间的独立性，我们要求增加一个同样的设备来完成另外一条通信线路需要的功能。如图1 所示，其中，主备通信线路采用同一台中继器实现通信的中继。

图1 主备通信线路采用同一台中继器示意

这样，远程通信系统的整体可靠性就受到了该中继器的制约。必须增加一台中继器，换成图2 的方式。

图2 主备通信线路各采用一台中继器示意

另一方面，在同一条通信线路中，采用(或经由)的设备越少越好。这是由于在一条由不同设备串行连接组成的通信线路中，其通信可靠性具有以下计算公式：

其中：S—整条通信线路的可靠性；

s1—该通信线路中第1 个设备的可靠性；

s2—该通信线路中第2 个设备的可靠性；

sn—该通信线路中第n 个设备的可靠性。

由于sn≤100%，所以n(设备数量)越大，则S越小。

在实际所采用的通信线路中，有相当一部分是采用租用的方式。在这种情况下，因为我们不能控制被租用方在通信线路上所采用设备的多少，所以只能尽量租用直接的线路(如专线)以及自己尽量少增加设备；同时，因为同一被租用方的不同通信线路可能采用了同一设备，所以应该尽量租用不同公司的通信线路来分别作为主、备通信线路。

3 主备通信线路的配置方法

一般地，可以采用以下原则进行主、备通信线路的配置：

(1)采用有线通信方式作为主通信线路，无线通信方式作为备用通信线路；

(2)通信带宽高的线路作为主通信线路，带宽窄的线路作为备用通信线路；

(3)可靠性高的线路作为主通信线路，可靠性低的线路作为备用通信线路；

(4)通用性好的线路作为主通信线路，通用性差的线路作为备用通信线路；

(5)成熟的通信方式作为主通信线路，不是很成熟的通信方式作为备用通信线路。

为了能够实现主备通信线路的应用，必须在现地监控站的RTU(或PLC)设备上配置2 个完全独立的数据通信口分别与主、备通信线路进行连接，同时，这2 个通信口能够独立响应监控中心的各种通信请求。在监控中心，也需要配置2 个独立的数据通信口分别与主、备通信线路进行连接，同时，在通信服务器上配置能够对主备通信线路进行各种管理的通信管理软件，最终实现主备通信线路的应用。

典型的主备通信线路配置见图3。

图3 典型的主备通信线路配置示意

配置在现地监控站的RTU 通过2 个不同的通信口(可以为串行数据通信口或网络通信口)分别与主线路通信设备、备用线路通信设备连接，而配置在控制中心的通信前置计算机(也可以为专用通信设备)通过2 个不同的通信口(可以为串行数据通信口或网络通信口)分别与主线路通信设备、备用线路通信设备连接，从而实现控制中心与现地监控站主、备2 条完全相互独立通信线路的连接。在通信服务器上配置通信管理软件，通过网络与通信前置计算机连接，从而完成对主备通信线路的管理，实现主备通信线路的数据通信功能。

4 主备通信线路的通信原理

用于系统的中心端与现地设备端进行数据交换的远程通信系统中的2 条主备通信线路采用以下方式实现无缝的冗余热备数据通信功能。

从通信的管理来说，不管数据通信方式是采用主从式还是“逢变自报”式，中心端均是通信的发起方。当数据通信方式是采用主从方式时，中心端为主站，RTU(或PLC)端为从站。所有的通信连接均由主站发起，从站只是响应主站的通信请求，而且能够独立响应主备2 条线路的通信请求。从站用于连接主备线路的2 个通信口总是处于监听状态，随时响应主站的各种通信请求。“逢变自报”属于主站与从站通信握手成功后，从站根据主站预先的请求，在达到一定的临界条件时，从站主动向主站发送数据，而在发送数据时，其所采用的通信线路是由主站在最开始建立好的。因此，从根本上说，2 条主备通信线路是完全由作为主站的监控中心管理的，而作为从站的现地监控站只是处于通信监听状态。一般地，在位于监控中心的通信服务器上配置专有的通信管理系统，采用高效的通信驱动程序，实现主备通信线路无缝的冗余热备数据通信功能。

具体的实现方法是，通过对RTU(或PLC)的通信配置，以及对通信前置计算机的通信配置、通信服务器上通信管理系统的配置，在正常情况下，主站(监控中心)通过主通信线路向从站(现场监控站)发起通信请求，从站在接收到主站的通信请求后，向上发送相应的信息；同时，如果有些参量配置成了“逢变自报”方式，则在条件满足时，通过主通信线路主动向上发送这些数据；主站在发起主通信线路通信后，实时监测备用通信线路的通信状态，并且将该状态实时显示出来。

当主站确认主通信线路失败后(失败的确认可以通过对系统通信的配置实现自动完成，不同的系统以及不同的通信要求，其配置一般不同)，主站通过备用通信线路向从站发起通信请求，从站在接收到主站的通信请求后，通过备用通信线路向上发送相应的信息；同时，如果有些参量配置成了“逢变自报”方式，则在条件满足时，通过备用通信线路主动向上发送这些数据；主站在发起备用通信线路通信后，实时监测主通信线路的通信状态，并且将该状态实时显示出来。

主站在利用备用通信线路进行数据通信的情况下，一旦确认主通信线路恢复正常，则无缝切换回主通信线路进行数据通信。

通过上述通信方法及适当的配置，能够稳定地实现主备通信线路无缝的冗余热备数据通信功能。