（中石化管道儲運公司管道技術(shù)作業(yè)分公司，江蘇 徐州 221008）蘇彩虹，師潤

                     

    蘇彩虹（1979-）女，助理工程師，主要從事輸油管道自動(dòng)化設計與實(shí)施管理工作，現就職于江蘇徐州中石化管道儲運公司管道技術(shù)作業(yè)分公司。

    摘要：本文以原油管道輸送foxbor I/A SCADA監控系統與遠程站場(chǎng)PLC系統之間的通訊為例，介紹傳輸管道SCADA遠程通訊技術(shù)的實(shí)施策略，并結合應用實(shí)例，著(zhù)重分析了一些技術(shù)要點(diǎn)、難點(diǎn)及解決方案。此系統實(shí)現了對各輸油站的遙測、遙信、遙調、遙控“四遙”功能，以保證輸油管線(xiàn)的正常運行。

    關(guān)鍵詞：PLC；SCADA；Prolinx協(xié)議轉換器；DNP3.0

    Abstract: In this paper, taking the communication between the crude oil pipeline foxbro I / A SCAD monitoring system and the PLC in remote station as an example, we introduce the implementation strategy of long-range communication technology on crude oil pipeline SCADA; Combining with the application examples, we analyze technical points, difficulties and solutions.This system implements four remote functions, i.e. remote measurement, remote communication, remote scheduling and remote control, which ensures the normal working of pipeline.

    Key words: PLC; SCADA; Prolinx protocol converter; DNP3.0

    1 前言

    SCADA系統（監控與數據采集supervisory control and data acquisition ）因其具有信息完整、高效、實(shí)時(shí)掌握系統運行狀態(tài)、快速決策、快速診斷故障等優(yōu)點(diǎn)[3]，對提高輸油生產(chǎn)運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟效益具有不可替代的作用，而被長(cháng)輸管道廣泛采用。

    一般而言，長(cháng)輸管道SCADA系統采用調度中心SCADA系統、輸油站場(chǎng)PLC兩級控制方式。原油總調度中心SCADA 系統通過(guò)通訊（一般距離為數百公里或跨?。?shí)現對遠程輸油站場(chǎng)的數據采集、實(shí)現對遠程輸油站場(chǎng)輸油泵閥功能進(jìn)行現場(chǎng)或遠程控制、同時(shí)還要整合其它各輔助系統的運行信息和生產(chǎn)數據，并將這些數據提供給各級操作人員、管理者。因此，總調度中心SCADA系統如何實(shí)現與遠程若干輸油站場(chǎng)PLC之間的通訊并進(jìn)行數據交換，成為關(guān)鍵所在。

    以東臨線(xiàn)/東臨復線(xiàn)為例，總調度中心SCADA控制系統采用I/A系列SCADA監控系統。通常CADA系統分為兩個(gè)層面，即客戶(hù)/服務(wù)器體系結構。服務(wù)器與硬件設備通信，進(jìn)行數據處理和運算，而DNP 3.0規約不但是SCADA行業(yè)國際標準規約，而且它可以為SCADA提供低速(最高達64 kbit/s) 連接上高效和可靠的數據傳輸和控制功能，并能適應不同的拓撲結構。所以遠程輸油站場(chǎng)的PLC系統與SCADA的通訊實(shí)施策略最終采用DNP3.0協(xié)議的通訊模式。而其所選的PLC系統不支持DNP3.0協(xié)議，所以增加了Prolinx協(xié)議轉換器，通過(guò)此轉換器實(shí)現了SCADA系統遙測、遙信、遙調、遙控“四遙”功能[4]。

    2 網(wǎng)絡(luò )通訊設計 

                     
                                    圖1  通訊結構圖

                           
                             圖2  SCADA系統典型的硬件配置

    設計時(shí)為了提高系統的可靠性和穩定性，因此，硬件設備及通訊網(wǎng)絡(luò )均采用冗余配置，從而降低了因設備和網(wǎng)絡(luò )故障造成的安全風(fēng)險。另外，考慮到現場(chǎng)環(huán)境的實(shí)際狀況，周?chē)蠊β试O備較多，而系統又是通過(guò)遠程通訊方式遠程監控現場(chǎng)設備，為了增強系統的抗干擾能力，選用光纖作為通訊介質(zhì)。

    3 通訊的硬件配置

    3.1 站控PLC系統：140 NOE 77101

    現場(chǎng)站控PLC系統140 NOE 771 01以太網(wǎng)模塊是Modicon Quantum 以太網(wǎng)TCP/IP模塊系列中的最新號之一，這種以太網(wǎng)模塊的電子部件包含在標準的Modicon Quantum單寬度外殼中，端口可傳送和接收封裝在 TCP/IP 協(xié)議中的Modbus命令。此模塊支持Modbus TCP/IP通訊協(xié)議。

    3.2 SCADA監控系統

    SCADA監控系統的硬件設備主要是RTU服務(wù)器和工作站、管理機等。SCADA控制系統基于雙機雙網(wǎng)冗余結構，即有兩臺RTU、兩個(gè)工作站和兩個(gè)以太網(wǎng)，兩個(gè)以太網(wǎng)和兩臺RTU服務(wù)器均可以自動(dòng)切換，以保證系統的可靠運行。工業(yè)以太網(wǎng)采用光纖通信，能以100Mbps的速率進(jìn)行傳輸。每臺計算機均配有兩個(gè)網(wǎng)卡，以配合雙網(wǎng)通訊。兩臺工作站計算機、優(yōu)化決策機和RTU服務(wù)器，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，將現場(chǎng)采集實(shí)時(shí)數據傳送到SCADA系統節點(diǎn)并進(jìn)行處理，在本地實(shí)現流程圖顯示、趨勢曲線(xiàn)、歷史數據保存、歷史曲線(xiàn)查詢(xún)、參數調整、報警管理、報表管、智能優(yōu)化等功能。

    為了系統的通訊更穩定，快捷，通常SCADA系統通過(guò)走DNP3.0規約與遠程硬件設備通信，進(jìn)行數據處理和運算。近年來(lái)又出現一個(gè)層面，通過(guò)Web發(fā)布在Internet上進(jìn)行監控，可以認為這是一種“超遠程客戶(hù)”。

    3.3 協(xié)議轉換模塊Prolinx：5201－MENT-DNPSNET

    5201－MENT-DNPSNET通訊模塊是以Prolinx為通訊網(wǎng)關(guān)，用于通過(guò)MODBUS TCP通訊將PLC中數據送到協(xié)議轉換器內部數據庫再重新打成DNP3.0協(xié)議的包與徐州控制中心進(jìn)行通訊。使一種PLC控制系統的通訊方式進(jìn)行擴充，通過(guò)Prolinx－5201－MENT-DNPSNET網(wǎng)關(guān)可以把Modicon Quantum PLC（Unity pro）系統擴展的140 NOE 77111 modbus以太網(wǎng)通訊協(xié)議和SCADA控制系統的DNP3.0以太網(wǎng)通訊協(xié)議相聯(lián)接。

    4 軟件組態(tài)設計

    4.1 PLC系統140 NOE 77101以太網(wǎng)模塊組態(tài)

    根據現場(chǎng)設備分散廣、周?chē)h(huán)境復雜的特點(diǎn)，本系統設計了由兩套冗余PLC控制系統，雙以太網(wǎng)模塊與其他的外部設備進(jìn)行通訊。兩塊140NOE77101卡，組成A網(wǎng)和B網(wǎng)冗余以太網(wǎng)，正常情況下至少有一個(gè)是一直閃爍的。

                
                             圖3  140NOE 7710以太網(wǎng)模塊軟件組態(tài)
   
    4.2 協(xié)議轉換模塊Prolinx 軟件組態(tài)

    Prolinx MNET-DNPSNET 的原理是只有一個(gè)端口，運行TCP IP 協(xié)議，但是在TCP IP 協(xié)議的上層，它走兩種應用層協(xié)議，一種是MODBUS TCP 另外一種是DNP TCP（從邏輯上講也相當于兩個(gè)口）。一邊通過(guò)這個(gè)口，Prolinx 與PLC 進(jìn)行通訊（走M(jìn)ODBUS TCP協(xié)議），數據還是存在其內部數據庫中，另外一方面，Prolinx與徐州的SCADA 服務(wù)器進(jìn)行通訊，運行的是DNP TCP 協(xié)議，將內部數據庫的數據與遠處的SCADA服務(wù)器進(jìn)行交換。

    以下以東營(yíng)站A網(wǎng)的配置文件為例：

    # Module Information

    my_ip : 10.90.200.135

    netmask : 255.255.255.224

    gateway : 10.90.200.129

    # Module Configuration

    [Module]

    Module Type : 5201-MNET-DNPSNET

    Module Name : 5201-MNET-DNPSNET_A

    [Module Comment]

    # Put Comment Here

    [MNet Servers]

    Float Flag : No

    Float Start : 7000

    Float Offset : 1000

    Output Offset : 0

    Bit Input Offset : 0

    Holding Register Offset : 0

    Word Input Offset : 0

    Connection Timeout : 600

    [MNet Client 0]

    Minimum Command Delay : 10

    Response Timeout : 1000

    Retry Count : 3

    Float Flag : No

    Float Start : 7000

    Float Offset : 2000

    ARP Timeout : 5

    Command Error Delay : 0

    [MNet Client 0 Commands]

    START

 
  
    [DNP ENET Slave]

    Internal Slave ID : 5

    Use IP List : No

    DNP Database Offset : 0

    Binary Inputs : 80

    Analog Inputs : 500

    Counters : 0

    Binary Outputs : 30

    Analog Outputs : 100

    AI Deadband : 1

    Select/Operate Arm Time : 2000

    Write Time Interval : 60

    Data Link Confirm Mode : Never

    Data Link Confirm Tout : 1000

    Data Link Max Retry : 2

    App Layer Confirm Tout : 2000

    Unsolicited Response : No

    Class 1 Unsol Resp Min : 10

    Class 2 Unsol Resp Min : 10

    Class 3 Unsol Resp Min : 10

    Unsol Resp Delay : 5000

    UResp Master Address : 0

    AI Events with time : Yes
   
    Time Sync Before Events : Yes

    Use Trip/Close Single Point : Yes

    [DNP ENET IP ADDRESSES]

    START

    END

    [DATA MAP]

    START
      
      END

    4.3 SCADA監控系統軟件組態(tài)

    SCADA監控系統與現場(chǎng)進(jìn)行通訊，采集各種實(shí)時(shí)數據、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、報警信息和記錄事件。SCADA監控系統與RTU服務(wù)器的通訊是核心部分，內部用DNP3.0 協(xié)議，外部通過(guò)TCP/IP協(xié)議封裝，通過(guò)以太網(wǎng)到達另一端。在TCP/IP編程接口中，用Socket來(lái)定義TCP/IP連接中的端點(diǎn)，每一個(gè)TCP/IP連接由兩個(gè)Socket構成，每一個(gè)Socket由IP地址和端口號來(lái)描述，都可以看做是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )連接的端點(diǎn)?？梢园裇ocket理解為通道，TCP/IP連接由連接通道來(lái)完成，連接通道由主機地址和通道號來(lái)標識。在實(shí)際編程中，Socket會(huì )自動(dòng)根據TCP/IP協(xié)議對所發(fā)送的報文進(jìn)行封裝，對所接收的報文自動(dòng)解除封裝[2]。我們只需要根據DNP3.0協(xié)議的要求來(lái)發(fā)送和接受并解析報文。

    DNP 3.0 規約是在國際電子電工協(xié)會(huì )(IEC)的TC57協(xié)議基礎上制定的通信規約，它支持ISO 的 OSI／EPA 模型，這種模型規定了物理層，數據鏈路層和應用層。然而，為了支持高級的RTU 功能和大于最大幀長(cháng)的報文，DNP 3.0 的數據鏈路采用一個(gè)偽傳 輸層去完成最短報文的組裝與分解。DNP 3.0 規約的文本共分4部分：數據鏈路層規約，傳輸功能，應用層規約及數據對象庫[1]。 

                     
                                    圖4  對DNP地址進(jìn)行分配圖  

    對SCADA監控系統軟件組態(tài)，首先配置DNP遠程設備，設備是遠程設備的名字。設備的物理地址是遠程設備的地址。  

                  
                                  圖5  配置DNP遠程設置  
                
                    

                    

                    

                  
                         圖6    每一個(gè)遠程控制站進(jìn)行通訊配置
    
    四、 應用效果

    綜合考慮原油輸送設備分布分散，管線(xiàn)較長(cháng)、現場(chǎng)站控多等因素，為達到遠控監控的管理目標，采用冗余通訊系統，使PLC與SCADA通訊性能更穩定，技術(shù)可靠。東臨雙線(xiàn)自動(dòng)化系統自投入使用以來(lái)已經(jīng)在遠程監控、可靠性、可維護性等方面體現出明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為當今自動(dòng)化應用領(lǐng)域的發(fā)展方向。當然PLC與SCADA通訊的手段和策略有很多種，需要廣大的用戶(hù)不斷總結和探索。

    參考文獻：

    ［1］ 李志明，李鳴春.DNP3.0規約在廣州地區調度系統的應用［J］.廣東電力，1999，12（3）：28—30

    ［2］ 劉莉莉.基于IEC 61850 的風(fēng)電場(chǎng)SCADA 系統安全訪(fǎng)問(wèn)控制模型設計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（1）

    ［3］ 孫明春，金敏.SCADA系統及其應用[J].自動(dòng)化博覽，2000，(4):12-14.

    ［4］ 安艷萍，申群太.“DNP3.0” 在基于RTU的綜合自動(dòng)化系統中的實(shí)現[J].工業(yè)控制計算機，2006，19（8）：19－22.

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期