SCADA系统与第三方设备通讯中断分析

王式久，张 博，谭洪伟，范建全

中国石油管道公司中原输油气分公司，山东德州 253000

0 引言

通讯系统包括信号源、发送设备、信道（有干扰源会造成干扰）、接收设备、信宿。对于SCADA 系统与第三方设备通讯来讲，信号源、发送设备就是第三方设备本身，信道包含了传输线、接口、转换设备，信宿是接收设备本身。干扰源可以是因发热、辐射、雷电等因素造成的电流、电压、频率突变，从而造成通讯中断。我们按照信号传输通路，从前级向后推移，介绍类似问题的判断、处理过程。

1 UPS 通讯中断经过

2013 年8 月，山东省某地区遭遇几十年不遇的强雷电袭击，当地气象台连续发布了雷电橙色预警。某输气站外接10KV 外电线路于1 日、10 日、12 日受强雷电影响3 次停电，其中2次线路被雷击断，1 次线路出现相间短路。8 月1 日、10 日停电后，某输气站在10 分钟之内启动站内天然气发电机组向站内设备供电，保障了正常生产运行；在12 日2 时30 外电中断时雷击十分严重，站内员工可以看见窗外雷电直击地面，距离不到10m，值班员与调度的固定电话通话也出现中断。根据当时的雷电情况，站内员工无法出门到发电机房启动发电机，直至3 时左右雷电远去才启动发电机合闸供电。在12 日雷电造成站内停电后，1#UPS、2#UPS 与SCADA 系统的通讯中断，上位机出现通讯中断报警。

2 故障分析

对SCADA 系统与UPS 之间的通讯进行分析，这一通路的先后顺序为UPS、通讯线缆及DB9 插头、LSU 232_2 有源1 转2接口、RCI、上位机。1）由于上位机显示其它第三方设备通讯正常，维修人员排除了上位机、RCI 故障；2）LSU 232_2 的作用是将UPS 的数据传送到两台冗余的RCI 通讯服务器，正常指示灯状态如下：LSU 232_2 的“A on”灯对应A line，“B on”对应B line，这两个灯亮则表明UPS 与对应的1#RCI 和2#RCI是正常通讯（其中有1 只灯亮就可以确认LSU 232_2 通讯正常）；“TxD”或“RxD”灯闪烁则表示目前UPS 正在与RCI 进行数据的发送或接收（两灯均间断闪烁为正常状态）；如以上所有指示灯都不亮了，可以用万用表检测LSU 232_2 电源输入端电压，看看供电是否正常。如果电压为0，则需检查电源线路情况，以恢复供电；如果电压正常（24VDC），且DB9 串口连接正常，则需判断LSU 232_2 是否故障。可用调试笔记本接到来至UPS 的串口，通过在电脑上运行串口调试工具，来检测是否能够接收到UPS 的数据。（1）若可以接收到UPS 的数据，则将来至UPS 的串口接至C line 口，分别用笔记本电脑接A line和B line 口，检测到是否可以接收到UPS 的数据。如果接收不到，则表明LSU 232_2 故障，需维修或更换；（2）接收不到UPS 的数据，则需查看来至UPS 的数据线路是否有断路或设备本身存在故障。根据上述方法维修人员也排除了LSU 232_2 故障，故障在UPS 通讯板。

3 UPS 通讯板

3.1 工作过程

UPS 的通讯板相当于一台计算机主机，显示操作板相当于键盘和显示器。微处理器工作时先从内存读取指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作，完成数据采集、传输、显示，主要实现了UPS电压、电流、频率、电池状态、输出功率及有关的故障、报警信息的数据采集和交换。

3.2 故障排除

1）RJ11A 来自UPS 主机，向通讯板供电，传送数据。通讯板分别通过RJ11B 六针端口与操作显示板通讯；通过RS232端口与上位机通讯。因为操作显示面板的通讯、信息显示均正常，说明通讯板数据采集、处理单元的元器件工作正常，故障范围可以缩小到RS232 端口周边的电路；2）232 端口电路包括MAX232N 芯片、限流电阻、三脚电容、Y 电容、储能及滤波电容。将通讯板断电后拆下，使用万用表电阻档测得电阻与色环标称值一致，就能排除电阻问题；将电容拆下，使用指针万用表10K 电阻档，表笔接触电容的两管脚，电容充电表针右摆到一个最大阻值，随着电容放电，阻值下降，表针慢慢左摆，摆动速度越慢，用此方法可以检测电容的好坏；也可以用数字万用表二极管档在板卡上直接测量电容充电情况；3）MAX232N将5V 直流电压升至串口传输用的10V 电压，提供两对数据收发端，是连接通讯板与LSU 232_2 的桥梁。根据原理图，在通讯板正常工作情况下，用万用表测量MAX232N 芯片的2、6 引脚对地电压应在+8V、-8V 左右；16 引脚对地电压应在+5V 左右；如果2、6 引脚电压在3V 左右，基本可以判断MAN232N 坏掉；可以用示波器分别测量第9、10 脚，应该有波形变化，进一步排除前级故障，确认232N 坏掉；4）用以上判断方法，测得232 芯片及1 只1uF 电解电容故障，更换后通讯板故障排除。

3.3 延伸思考

1）由于4 块通讯板的损毁均发生在强雷击天气之后，所以板卡极有可能为感应雷入侵信号线产生浪涌电压所致。由于室外具有避雷网，同时UPS 进线端装有浪涌保护器，基本排除从电源系统入侵；2）另外第三方设备中的低压配电盘、流量计算机为485 接口，接口保护电路较好，并且接入 LSU 232_2之前先进入了ADAM-4520（485 转232，具有3000 VDC 隔离保护）；发电机在停止状态；UPS 通讯板故障较为突出就不奇怪了；3）笔者建议在UPS 通讯板232 接口前加装1 只232 防雷器进行光电隔离，效果会好些。另外，由于MAX232N 芯片容易坏掉，在维修过程中增加了一只插座，方便了以后更换；4）经查询232 系列芯片中232E 产品，具有ESD 自我保护功能，可以尝试替换232N。

4 结论

正确处理SCADA 系统通讯中断问题需要理清思路，逐级排查故障点。专业技术人员用以上方法共修复多块通讯板，缩短了维修周期，降低了维修成本，问题的分析、判断及处理过程对于其它第三方设备中断的处理提供了思路，具有重要的借鉴意义。

[1]赵兰涛，苏彦华.Delphi 串口通信技术与工程实践，2004(1).

[2]哈斯(原著)，傅正财(译).低压系统防雷保护.2版，2002.