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案例頻道 （中石化管道儲(chǔ)運(yùn)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(shè)計(jì)與實(shí)施管理工作，現(xiàn)就職于江蘇徐州中石化管道儲(chǔ)運(yùn)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(yuǎn)程站場PLC系統(tǒng)之間的通訊為例，介紹傳輸管道SCADA遠(yuǎn)程通訊技術(shù)的實(shí)施策略，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，著重分析了一些技術(shù)要點(diǎn)、難點(diǎn)及解決方案。此系統(tǒng)實(shí)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(yùn)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(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、快速?zèng)Q策、快速診斷故障等優(yōu)點(diǎn)[3]，對提高輸油生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)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(jí)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(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程輸油站場的數(shù)據(jù)采集、實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程輸油站場輸油泵閥功能進(jìn)行現(xiàn)場或遠(yuǎn)程控制、同時(shí)還要整合其它各輔助系統(tǒng)的運(yùn)行信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)提供給各級(jí)操作人員、管理者。因此，總調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程若干輸油站場PLC之間的通訊并進(jìn)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(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，而DNP 3.0規(guī)約不但是SCADA行業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，而且它可以為SCADA提供低速(最高達(dá)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所以遠(yuǎn)程輸油站場的PLC系統(tǒng)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(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(shí)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(jì)
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(jì)時(shí)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(xiǎn)。另外，考慮到現(xiàn)場環(huán)境的實(shí)際狀況，周圍大功率設(shè)備較多，而系統(tǒng)又是通過遠(yuǎn)程通訊方式遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，為了增強(qiáng)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(hào)之一，這種以太網(wǎng)模塊的電子部件包含在標(biāo)準(zhǔn)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(jī)等。SCADA控制系統(tǒng)基于雙機(jī)雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，即有兩臺(tái)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(tái)RTU服務(wù)器均可以自動(dòng)切換，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)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(tái)計(jì)算機(jī)均配有兩個(gè)網(wǎng)卡，以配合雙網(wǎng)通訊。兩臺(tái)工作站計(jì)算機(jī)、優(yōu)化決策機(jī)和RTU服務(wù)器，通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，將現(xiàn)場采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到SCADA系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行處理，在本地實(shí)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(bào)警管理、報(bào)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(yuǎn)程硬件設(shè)備通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。近年來又出現(xiàn)一個(gè)層面，通過Web發(fā)布在Internet上進(jìn)行監(jiān)控，可以認(rèn)為這是一種“超遠(yuǎn)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(jìn)行通訊。使一種PLC控制系統(tǒng)的通訊方式進(jìn)行擴(kuò)充，通過Prolinx－5201－MENT-DNPSNET網(wǎng)關(guān)可以把Modicon Quantum PLC（Unity pro）系統(tǒng)擴(kuò)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(jì)
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(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(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(zhuǎn)換模塊Prolinx 軟件組態(tài)
Prolinx MNET-DNPSNET 的原理是只有一個(gè)端口，運(yùn)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(gè)口）。一邊通過這個(gè)口，Prolinx 與PLC 進(jìn)行通訊（走M(jìn)ODBUS 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(jìn)行通訊，運(yùn)行的是DNP TCP 協(xié)議，將內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)處的SCADA服務(wù)器進(jìn)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(jìn)行通訊，采集各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài)、報(bào)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(dá)另一端。在TCP/IP編程接口中，用Socket來定義TCP/IP連接中的端點(diǎn)，每一個(gè)TCP/IP連接由兩個(gè)Socket構(gòu)成，每一個(gè)Socket由IP地址和端口號(hào)來描述，都可以看做是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的端點(diǎn)。可以把Socket理解為通道，TCP/IP連接由連接通道來完成，連接通道由主機(jī)地址和通道號(hào)來標(biāo)識(shí)。在實(shí)際編程中，Socket會(huì)自動(dòng)根據(jù)TCP/IP協(xié)議對所發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行封裝，對所接收的報(bào)文自動(dòng)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(bào)文。
DNP 3.0 規(guī)約是在國際電子電工協(xié)會(huì)(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(jí)的RTU 功能和大于最大幀長的報(bào)文，DNP 3.0 的數(shù)據(jù)鏈路采用一個(gè)偽傳 輸層去完成最短報(bào)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(jìn)行分配圖
對SCADA監(jiān)控系統(tǒng)軟件組態(tài)，首先配置DNP遠(yuǎn)程設(shè)備，設(shè)備是遠(yuǎn)程設(shè)備的名字。設(shè)備的物理地址是遠(yuǎn)程設(shè)備的地址。
圖5 配置DNP遠(yuǎn)程設(shè)置
圖6 每一個(gè)遠(yuǎn)程控制站進(jìn)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(dá)到遠(yuǎn)控監(jiān)控的管理目標(biāo)，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(dòng)化系統(tǒng)自投入使用以來已經(jīng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控、可靠性、可維護(hù)性等方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)今自動(dòng)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(xiàn)：
［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(jì)[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(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(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，19（8）：19－22.
摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)