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   （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化設(shè)計與實施管理工作，現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)與遠程站場PLC系統(tǒng)之間的通訊為例，介紹傳輸管道SCADA遠程通訊技術(shù)的實施策略，并結(jié)合應(yīng)用實例，著重分析了一些技術(shù)要點、難點及解決方案。此系統(tǒng)實現(xiàn)了對各輸油站的遙測、遙信、遙調(diào)、遙控“四遙”功能，以保證輸油管線的正常運行。

    關(guān)鍵詞：PLC；SCADA；Prolinx協(xié)議轉(zhuǎn)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(tǒng)（監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集supervisory control and data acquisition ）因其具有信息完整、高效、實時掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、快速決策、快速診斷故障等優(yōu)點[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，而被長輸管道廣泛采用。

    一般而言，長輸管道SCADA系統(tǒng)采用調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)、輸油站場PLC兩級控制方式。原油總調(diào)度中心SCADA 系統(tǒng)通過通訊（一般距離為數(shù)百公里或跨省）實現(xiàn)對遠程輸油站場的數(shù)據(jù)采集、實現(xiàn)對遠程輸油站場輸油泵閥功能進行現(xiàn)場或遠程控制、同時還要整合其它各輔助系統(tǒng)的運行信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)提供給各級操作人員、管理者。因此，總調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)如何實現(xiàn)與遠程若干輸油站場PLC之間的通訊并進行數(shù)據(jù)交換，成為關(guān)鍵所在。

    以東臨線/東臨復(fù)線為例，總調(diào)度中心SCADA控制系統(tǒng)采用I/A系列SCADA監(jiān)控系統(tǒng)。通常CADA系統(tǒng)分為兩個層面，即客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器與硬件設(shè)備通信，進行數(shù)據(jù)處理和運算，而DNP 3.0規(guī)約不但是SCADA行業(yè)國際標準規(guī)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(shù)據(jù)傳輸和控制功能，并能適應(yīng)不同的拓撲結(jié)構(gòu)。所以遠程輸油站場的PLC系統(tǒng)與SCADA的通訊實施策略最終采用DNP3.0協(xié)議的通訊模式。而其所選的PLC系統(tǒng)不支持DNP3.0協(xié)議，所以增加了Prolinx協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通過此轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了SCADA系統(tǒng)遙測、遙信、遙調(diào)、遙控“四遙”功能[4]。

    2 網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計 

                     
                                    圖1  通訊結(jié)構(gòu)圖

                           
                             圖2  SCADA系統(tǒng)典型的硬件配置

    設(shè)計時為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此，硬件設(shè)備及通訊網(wǎng)絡(luò)均采用冗余配置，從而降低了因設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)故障造成的安全風(fēng)險。另外，考慮到現(xiàn)場環(huán)境的實際狀況，周圍大功率設(shè)備較多，而系統(tǒng)又是通過遠程通訊方式遠程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，為了增強系統(tǒng)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(tǒng)：140 NOE 77101

    現(xiàn)場站控PLC系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)

    SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要是RTU服務(wù)器和工作站、管理機等。SCADA控制系統(tǒng)基于雙機雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，即有兩臺RTU、兩個工作站和兩個以太網(wǎng)，兩個以太網(wǎng)和兩臺RTU服務(wù)器均可以自動切換，以保證系統(tǒng)的可靠運行。工業(yè)以太網(wǎng)采用光纖通信，能以100Mbps的速率進行傳輸。每臺計算機均配有兩個網(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，通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，將現(xiàn)場采集實時數(shù)據(jù)傳送到SCADA系統(tǒng)節(jié)點并進行處理，在本地實現(xiàn)流程圖顯示、趨勢曲線、歷史數(shù)據(jù)保存、歷史曲線查詢、參數(shù)調(diào)整、報警管理、報表管、智能優(yōu)化等功能。

    為了系統(tǒng)的通訊更穩(wěn)定，快捷，通常SCADA系統(tǒng)通過走DNP3.0規(guī)約與遠程硬件設(shè)備通信，進行數(shù)據(jù)處理和運算。近年來又出現(xiàn)一個層面，通過Web發(fā)布在Internet上進行監(jiān)控，可以認為這是一種“超遠程客戶”。

    3.3 協(xié)議轉(zhuǎn)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MODBUS TCP通訊將PLC中數(shù)據(jù)送到協(xié)議轉(zhuǎn)換器內(nèi)部數(shù)據(jù)庫再重新打成DNP3.0協(xié)議的包與徐州控制中心進行通訊。使一種PLC控制系統(tǒng)的通訊方式進行擴充，通過Prolinx－5201－MENT-DNPSNET網(wǎng)關(guān)可以把Modicon Quantum PLC（Unity pro）系統(tǒng)擴展的140 NOE 77111 modbus以太網(wǎng)通訊協(xié)議和SCADA控制系統(tǒng)的DNP3.0以太網(wǎng)通訊協(xié)議相聯(lián)接。

    4 軟件組態(tài)設(shè)計

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

    根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備分散廣、周圍環(huán)境復(fù)雜的特點，本系統(tǒng)設(shè)計了由兩套冗余PLC控制系統(tǒng)，雙以太網(wǎng)模塊與其他的外部設(shè)備進行通訊。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(zhuǎn)換模塊Prolinx 軟件組態(tài)

    Prolinx MNET-DNPSNET 的原理是只有一個端口，運行TCP IP 協(xié)議，但是在TCP IP 協(xié)議的上層，它走兩種應(yīng)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(dāng)于兩個口）。一邊通過這個口，Prolinx 與PLC 進行通訊（走MODBUS TCP協(xié)議），數(shù)據(jù)還是存在其內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中，另外一方面，Prolinx與徐州的SCADA 服務(wù)器進行通訊，運行的是DNP TCP 協(xié)議，將內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)與遠處的SCADA服務(wù)器進行交換。

    以下以東營站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(jiān)控系統(tǒng)軟件組態(tài)

    SCADA監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場進行通訊，采集各種實時數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài)、報警信息和記錄事件。SCADA監(jiān)控系統(tǒng)與RTU服務(wù)器的通訊是核心部分，內(nèi)部用DNP3.0 協(xié)議，外部通過TCP/IP協(xié)議封裝，通過以太網(wǎng)到達另一端。在TCP/IP編程接口中，用Socket來定義TCP/IP連接中的端點，每一個TCP/IP連接由兩個Socket構(gòu)成，每一個Socket由IP地址和端口號來描述，都可以看做是一個網(wǎng)絡(luò)連接的端點?？梢园裇ocket理解為通道，TCP/IP連接由連接通道來完成，連接通道由主機地址和通道號來標識。在實際編程中，Socket會自動根據(jù)TCP/IP協(xié)議對所發(fā)送的報文進行封裝，對所接收的報文自動解除封裝[2]。我們只需要根據(jù)DNP3.0協(xié)議的要求來發(fā)送和接受并解析報文。

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

                     
                                    圖4  對DNP地址進行分配圖  

    對SCADA監(jiān)控系統(tǒng)軟件組態(tài)，首先配置DNP遠程設(shè)備，設(shè)備是遠程設(shè)備的名字。設(shè)備的物理地址是遠程設(shè)備的地址。  

                  
                                  圖5  配置DNP遠程設(shè)置  
                
                    

                    

                    

                  
                         圖6    每一個遠程控制站進行通訊配置
    
    四、 應(yīng)用效果

    綜合考慮原油輸送設(shè)備分布分散，管線較長、現(xiàn)場站控多等因素，為達到遠控監(jiān)控的管理目標，采用冗余通訊系統(tǒng)，使PLC與SCADA通訊性能更穩(wěn)定，技術(shù)可靠。東臨雙線自動化系統(tǒng)自投入使用以來已經(jīng)在遠程監(jiān)控、可靠性、可維護性等方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)今自動化應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展方向。當(dāng)然PLC與SCADA通訊的手段和策略有很多種，需要廣大的用戶不斷總結(jié)和探索。

    參考文獻：

    ［1］ 李志明，李鳴春.DNP3.0規(guī)約在廣州地區(qū)調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.廣東電力，1999，12（3）：28—30

    ［2］ 劉莉莉.基于IEC 61850 的風(fēng)電場SCADA 系統(tǒng)安全訪問控制模型設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（1）

    ［3］ 孫明春，金敏.SCADA系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].自動化博覽，2000，(4):12-14.

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

    摘自《自動化博覽》2010年第九期