基于TETRA的SCADA通信系统及其测试方案研究

徐超，李俊，贾迪非

基于TETRA的SCADA通信系统及其测试方案研究

徐超，李俊，贾迪非

（海能达通信股份有限公司，广东 深圳 518057）

SCADA系统是工业控制领域应用最广泛的一种系统。为了适应因工业规模逐步扩大而增加的扩展性、系统稳定性和安全性等需求，提出了一种基于TETRA专网传输的SCADA系统方案。该系统继承了TETRA通信系统的优良性能，同时又能满足SCADA行业的所有需求，并研究提出了一种测试方案，设计开发仿真软件，对该通信系统进行测试分析，证明了基于TETRA的SCADA通信系统的可靠性。

TETRA SCADA 网关 Modbus DNP3 测试方案

1 引言

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统在电力系统、给水系统、石油、化工、能源等领域被广泛使用，通过SCADA系统可以对现场运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

然而由于这些行业自身的需求特点（比如设备位置偏远、安全问题等），行业用户往往对SCADA系统数据通信的要求极高。下述三种常见的通信方式均难于满足需求，原因主要如下：

（1）传统光纤通信铺设复杂，无法满足复杂的地理环境要求。

（2）无线公网传输存在覆盖盲点且通信稳定性不足。

（3）卫星通信成本高昂，信号衰减及传播延迟大。

TETRA（Terrestrial trunked Radio，陆地集群无线通信）作为一种具有将近20年成熟应用的无线专网通信系统，在公共安全、公共事业、工商业等领域得到广泛应用。由于TETRA系统具有标准体系完善、安全可靠性高、支持端到端和空口的加密、网络覆盖范围广泛（单基站覆盖10 km左右）及支持语音及数据传输等主要特性，所以能够充分满足SCADA行业用户的数据通信需求。

因此，下文将结合SCADA系统特点和TETRA优势，阐述一种基于TETRA的SCADA通信系统，并对其系统架构进行剖析，最后介绍该系统的测试方案以及结果分析。

2 SCADA系统简介

2.1 典型SCADA系统架构

SCADA系统作为工业生产过程和事物管理自动化非常有效的计算机软硬件系统，主要包含三大部分：

（1）SCADA主站：包含调度管理中心、数据服务器、SCADA服务器以及其他相关物理设备，主要用于监控所有SCADA从站的运行状态，提供图形化操作界面，下发各种控制指令。

（2）SCADA从站：也称为终端数据采集系统，主要包含终端数据采集设备以及Modem，主要用于接收SCADA主站下发的指令，按照指令执行相关操作，收集相应上报收据。

（3）通信网络：用于承载SCADA系统各网元之间的通信。

典型的SCADA系统架构如图1所示。

2.2 SCADA系统常用通信协议

对于SCADA行业而言，常用的SCADA通信协议主要有如下两种：

（1）DNP3协议

DNP（Distributed Network Protocol，分布式网络规约）是由IEEE提出的一种应用于自动化组件之间的通讯协议，主要为了解决SCADA行业早期协议混杂、标准不统一的问题，目前已发展至DNP3。DNP3协议支持点对点、一点多址、多点多址和对等的通信方式，并且支持命令/应答和自动上报数据传输方式。由于DNP3协议具有高度标准化，具有相对较高的兼容性和不同厂商之间互操作性的优势，所以在电力、水处理等行业得到广泛应用。

图1 典型SCADA系统架构

（2）Modbus协议

Modbus协议是由Schneider Electric公司开发的一种串行通信协议，采用主从通讯机制，使用命令/应答方式通信，不同的命令报文对应特定的应答报文。由于Modbus从设备通信地址是预先约定的，并且具有唯一性，因此对于Modbus主设备的报文，只有对应的从设备才会响应。该协议以操作简单、通用性强等优势，在工业领域得到广泛认可及应用。

目前，DNP3和Modbus都有独立的技术委员会来维护协议标准，以确保不同厂商的设备互操作性，同时为新功能制定标准。

3 基于TETRA的SCADA通信系统简介

TETRA是由欧洲电信标准协会（ETSI）制定的一种开放的数字集群通信行业标准。作为目前国际上主流的数字集群标准，其具有兼容性好、覆盖范围广、保密性强、信号稳定、网络架设简单、可扩展性强等优点。

ACAPI（ACCESSNET®-T IP Common Application Interface）是海能达TERRA集群系统的一个应用接口，基于TCP/IP协议，应用程序可以通过该接口去连接访问TETRA集群系统，并且能与终端用户进行语音、数据等业务的收发交互。该接口不仅具有高度的灵活性，并且免费提供授权，从而为行业用户的定制化应用节省大量经费。

海能达通信股份有限公司作为专网行业的领军企业，充分发挥TETRA无线专网的优势，结合SCADA的行业特性，推出了一套基于TETRA无线专网的SCADA通信方案。该方案主要包括如下几部分：

（1）TETRA SCADA网关：用于连接SCADA主站与TETRA系统之间的通信，能够对SCADA主站发送的原始报文依据不同协议进行相应的处理，保证SACDA系统与TETRA系统的互联，该网关还支持数据压缩和长报文分片功能。该网关为每个SCADA主站存储了一张路由表，记录了路由ID与终端设备对应的Modem号码的对应关系，用于SCADA主从站ID与TETRA网关/Modem SSI之间的路由转换。路由表示例如表1所示：

表1 路由表示例

（2）TETRA无线专网：严格遵循TETRA标准的通信网络，承载整个SCADA系统中的通信服务，同时支持语音和数据业务。

（3）TETRA Modem：用于连接TETRA无线专网与终端设备之间的通信，它实质上也是一种支持数据传输的TETRA无线终端，拥有唯一的SSI号码，注册在TETRA无线专网上。

（4）SCADA主站：终端设备（RTU）可沿用典型SCADA系统的现有设备。

整个系统架构如图2所示，SCADA主站与TETRA SCADA网关之间可通过TCP、UDP以及串行链路进行通信，支持的协议包括DNP3以及Modbus协议。整个通信方案下行通信链路如下：

（1）TETRA SCADA网关对来自于SCADA主站的报文按照ACAPI协议进行封装，然后传送给TETRA交换中心。

图2 基于TETRA无线专网的SCADA通信方案

（2）TETRA交换中心对ACAPI报文进行再次处理封装，发送给TETRA基站。

（3）TETRA基站将二次封装的报文通过Air Interface（空中接口）发送至SCADA从站的Modem。

（4）Modem对来自TETRA基站的报文进行相应的解封装操作，将原始的SCADA主站报文发送给终端设备（RTU）。

上行链路是由终端设备（RTU）发起，途经Modem、TETRA无线专网、TETRA SCADA网关对报文都会作相应的处理，直至送达SCADA主站。

4 通信系统应用场景测试验证

针对这套基于TETRA的SCADA通信系统，设计了一套测试方案，并开发两套SCADA主从站的仿真软件，用来模拟SCADA设备的真实运行状况，验证及分析整个通信系统的可靠性，下文会逐一阐述。

4.1 验证方案

整体而言，本验证方案中的系统网元设备主要包括SCADA主站及从站、TETRA SCADA网关、TETRA无线专网。其中SCADA从站包括TETRA Modem和终端设备（RTU）。

为了对通信系统方案进行有效验证，首先会在主站和从站设计侧根据相应的标准协议信令设计相关仿真软件工具，以分别仿真主站和从站对通信系统报文的编、解码及系统信令发送、接收。

其中主站侧仿真软件分别支持采用TCP、UDP网络协议和串口标准协议与SCADA网关进行连接；从站侧仿真软件通过空中接口与TETRA专网进行无线通信。

验证方案架构图如图3所示：

图3 验证方案架构图

4.2 验证环境

验证方案配置清单如表2所示：

表2 验证方案配置清单

4.3 SCADA电力仿真软件

SCADA电力主站软件用于仿真电力SCADA主站，支持从站数据实时同步功能，支持用户鉴权及远程遥控各单元的功能，支持各线路运行功率实时曲线显示等功能。运行效果如图4所示。

4.4 SCADA油气仿真软件

SCADA油气输送主站软件仿真油气输送全越站和增压传输的场景，支持远程遥控切换不同的运输场景，支持遥控开关从站响应阀门，支持从站实时压力曲线显示等功能。运行效果如图5所示。

4.5 场景验证

为了验证基于TETRA的SCADA通信系统方案，设计了如下模拟仿真应用场景：

图4 SCADA电力主站仿真软件运行效果

图5 SCADA油气输送主站仿真软件运行效果

（1）启动15个仿真SCADA主站，建立15路到TETRA SCADA网关的网络连接，基于TCP/UDP/串行链路的连接各5条。

（2）启动15个仿真SCADA从站，从站与TETRA无线专网之间通过无线连接，其中每个从站模拟15个终端设备。

（3）15个主站分别同时向15个从站的模拟终端设备发送200 000次查询请求，从站在接收到主站查询请求后，立即发送数据/状态给主站。

（4）根据TETRA SCADA网关支持的传输承载协议，分别验证了Modbus协议、DNP3协议以及两种协议混合传输的场景。根据Modbus协议、常见主站查询报文长度为8字节，设定返回报文长度为32字节。对于DNP3协议，查询报文长度为16字节，从站返回报文长度为64字节。

4.6 分析总结

根据上述测试方案以及场景的设计验证，分别对基于Modbus和DNP3的协议传输的统计数据进行了统计汇总，如表3、表4所示：

表3 基于Modbus协议传输统计数据

表4 基于DNP3协议传输统计数据

对上述测试的统计数据进行分析可以总结得出，在基于TETRA无线专网的SCADA通信系统上，系统数据通信一直保持在持续稳定的状态，没有出现报文丢失的情况，即可靠性比较强，并且各主站实时数据更新及时准确，响应非常快。

5 结束语

SCADA系统作为一种自动化监控系统，在各领域都有相当广泛的应用。随着智慧工厂和智慧城市建设大力推进，以及IoT物联网的迅速发展，基于SCADA的信息平台应用前景将会更加广阔，同时这也对SCADA系统的通信稳定性和安全性提出了更高的要求。

本文对海能达基于TETRA无线专网的SCADA通信系统进行了简单的阐述和分析，针对该通信系统专门设计了相关应用场景验证。验证结果能充分表明TETRA无线专网通信安全性高、可靠性高等优点，该通信方案完全能够满足SCADA系统的通信需求，并且还可以无缝升级替换现有SCADA系统的通信网络。因此该方案能最大程度地保护客户现有产品投资，在无需对主站、终端设备及相应的应用程序进行任何修改的基础上，即能满足客户的更高需求。

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徐超：高级工程师，学士，现任海能达通信股份有限公司TETRA系统软件工程师，长期从事软件研发与测试工作，负责TETRA系统软件自动化研发等。

李俊：工程师，学士，现任海能达通信股份有限公司TETRA系统软件工程师，负责TETRA系统的自动化工具研发工作。

贾迪非：工程师，硕士，现任海能达通信股份有限公司TETRA系统软件工程师，负责TETRA系统的自动化工具研发工作。

Research on SCADA Communication System Based on TETRA and its Test Scheme

XU Chao, LI Jun, JIA Difei
(Hytera Communications Co., Ltd., Shenzhen 518057, China)

SCADA system is the most widely-applied system in the industry control field. In order to adapt to the requirements of expandability, system stability and security due to the gradually expanded industry scale, a SCADA system scheme based on TETRA was proposed in this paper. Inheriting the good performance of TETRA communication system, the proposed system can meet all the requirements of SCADA industry. A testing scheme was investigated and presented, as well as the simulation software was designed and developed. The testing analysis on the communication system validates the reliability of the SCADA communication system based on TETRA.

TETRA SCADA gateway Modbus DNP3 test scheme

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.002

TN915.81

A

1006-1010(2017)15-0007-06

徐超,李俊,贾迪非. 基于TETRA的SCADA通信系统及其测试方案研究[J]. 移动通信, 2017,41(15): 7-12.

2017-07-26

责任编辑：黄耿东 huanggengdong@mbcom.cn