黃濤　苗因山

摘 要：SCADA通訊中斷主要由通訊網(wǎng)絡(luò)故障和設(shè)備參數(shù)配置錯(cuò)誤兩個(gè)方面造成。該文從通訊網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備參數(shù)的配置兩個(gè)方面對(duì)地鐵SCADA通訊中斷的問題進(jìn)行了分析和闡述，并根據(jù)不同的通訊介質(zhì)和通訊接口詳細(xì)介紹了通訊故障產(chǎn)生的原因和排查處理方法。通訊網(wǎng)絡(luò)故障方面文中根據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的不同，主要介紹了光纖網(wǎng)絡(luò)和銅線網(wǎng)絡(luò)的通訊原理，影響通道的因素及分析排查的方法。設(shè)備參數(shù)配置錯(cuò)誤方面，主要介紹了數(shù)據(jù)尋址的原理，以及影響以太網(wǎng)和串口通訊的有關(guān)參數(shù)的配置及參數(shù)對(duì)通訊的影響。

關(guān)鍵詞：地鐵 SCADA 通訊中斷 故障分析

中圖分類號(hào)：TN85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0051-03

Abstract：SCADA communication interrupt is mainly caused by two aspects： communication network fault and equipment parameter configuration error. This paper analyzes and expounds the problem of the disruption of the SCADA communication from two aspects： communication network and equipment parameters，And according to the different communication medium and communication interface， the cause of the communication failure and the method of troubleshooting are introduced in detail. In the communication network， according to the different communication medium， the communication principle of the optical fiber network and the copper wire network is introduced， and the factors affecting the channel and the method of analyzing the network are introduced. In the aspect of equipment parameter configuration error， the principle of data addressing is mainly introduced， and the influence of the configuration and parameters of the configuration and parameters on the parameters of the Ethernet and serial communication are introduced.

Key Words：Subway；SCADA；Communication Interrupt；Failure Analysis

SCADA系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的簡稱，是以計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)設(shè)備，依托調(diào)度自動(dòng)化軟件實(shí)現(xiàn)的調(diào)度監(jiān)視控制平臺(tái)。隨著技術(shù)日漸完善，對(duì)調(diào)度生產(chǎn)起到的作用也越來越大。目前地鐵SCADA系統(tǒng)的作用是向控制中心上傳現(xiàn)場設(shè)備信息，如果SCADA與智能設(shè)備之間不能正常通訊，控制中心將無法對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)埋下重大隱患。SCADA通訊中斷的原因主要有以下兩個(gè)方面：（1）通訊網(wǎng)絡(luò)故障。（2）設(shè)備參數(shù)配置錯(cuò)誤。該文將從上述兩個(gè)方面對(duì)SCADA通訊故障進(jìn)行分析。

1 通訊網(wǎng)絡(luò)故障原因分析及處理

根據(jù)傳輸介質(zhì)，目前地鐵SCADA主要通訊網(wǎng)絡(luò)可分為光纖網(wǎng)和銅線網(wǎng)。

1.1 光纖網(wǎng)故障原因分析及處理

光纖通訊的原理是利用光調(diào)制器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同振幅、位相、頻率、偏振、波長的光信號(hào)，然后利用光的全反射特性使光在光纖內(nèi)沿直線或曲線傳播，最后再利用光解調(diào)器將光信號(hào)解調(diào)成所需的電信息。

光纖通訊網(wǎng)絡(luò)一般由光調(diào)制器、光解調(diào)器、光纖和光纜、中繼器（光交換機(jī)）、耦合器五部分組成。圖1是光纖通訊的原理圖。

從原理圖可以看出變電所光通訊通道采取單向傳播方式，如果某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題就會(huì)導(dǎo)致通訊故障。通常導(dǎo)致光纖通訊故障的原因有：（1）光纖本身質(zhì)量問題造成的通訊故障，一方面是光纖內(nèi)部雜質(zhì)含量過高引起光傳播途中散射增加以及雜質(zhì)的吸收作用將傳輸?shù)墓饽苻D(zhuǎn)變?yōu)闊崮軐?dǎo)致光功率損失；另一方面光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷導(dǎo)致入射角小于全反射角從而引起散射及反射增加。（2）光纖的彎曲半徑過小，在光纖彎曲處，入射角將減小，當(dāng)光線入射到纖芯包層界面上的入射角小于全反射角時(shí)，部分光線將進(jìn)入包層損失掉。（3）光線在光纖內(nèi)的傳播距離過長而導(dǎo)致光功率衰減。（4）光纖連接及耦合器件損壞或裝配不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致光纖傳輸回路不連續(xù)，包括光纖對(duì)接時(shí)錯(cuò)位、接口面傾斜、空隙等，將增加散射損耗，也會(huì)使一部分光反射回發(fā)送端使光功率減小。（5）單模/多模光纖接口、尾纖接混，因單模/多模材料折射率不同導(dǎo)致光功率反射損失。（6）光電調(diào)制解調(diào)器或中繼器損壞導(dǎo)致通訊故障[1]。

當(dāng)發(fā)生光纖通訊故障時(shí)我們通常利用以下方法進(jìn)行分析處理。（1）如果是線路長度較短的光纖回路，判斷回路是否接錯(cuò)，可以使用光照法進(jìn)行判斷，即從一頭將可見光射入，看另一頭有無光線射出，如果有說明回路暢通，如果沒有說明回路有斷點(diǎn)或線接錯(cuò)。（2）通過光電調(diào)制解調(diào)器自環(huán)的方式來檢測光電調(diào)制解調(diào)器發(fā)送與接收功能是否正常，如不正常應(yīng)更換光電轉(zhuǎn)換設(shè)備。（3）檢查單模/多模光纖接口、尾纖有沒有接混，如發(fā)現(xiàn)混接則立即更換對(duì)應(yīng)尾纖。（4）檢查光纖接頭、耦合法蘭有無磨損裂紋，如有應(yīng)立即進(jìn)行更換。（5）檢測光調(diào)制器發(fā)出的光功率是否合格，如不合格應(yīng)立即更換。

長光纜可使用光纜測試儀進(jìn)行精確故障定位。光纜測試儀是利用光線在光纜故障處產(chǎn)生高反射和功率大幅下降這兩個(gè)特性對(duì)光纜故障點(diǎn)進(jìn)行定位的儀器。圖2是使用光纜測試儀對(duì)光纜檢測的結(jié)果圖。

從圖2檢測結(jié)果中我們可以看出尖峰1表示光線有明顯的反射，但是光功率沒有明顯下降，判斷該處應(yīng)有耦合器或固定接頭的位置。尖峰2處光線同樣有明顯的反射現(xiàn)象，同時(shí)伴隨光功率大幅的下降，表示在尖峰2處的光纜可能出現(xiàn)斷裂等故障，應(yīng)立即進(jìn)行檢查。其它尖峰，由于a、b、c、e、f的長度相等，故可以判斷尖峰3、4、6、7為2的光復(fù)反射影像，g和d的長度相等，可以判斷尖峰5為1的光復(fù)反射影像，應(yīng)該在分析時(shí)排除。最后可以判斷出只有尖峰2處為真正的故障點(diǎn)。

1.2 銅線網(wǎng)故障原因分析及處理

銅線網(wǎng)工作原理是：通訊設(shè)備間通過通訊電纜相連接，依靠電位信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。銅纜通訊網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)核心是交換機(jī)，服務(wù)器、工作站、智能單元通過屏蔽雙絞線與交換機(jī)相連接。

通常影響銅線網(wǎng)通訊的因素有：（1）連接故障，包括銅纜發(fā)生斷股造成通訊中斷、接頭壓制不好造成接頭與接口接觸不良、串口或以太網(wǎng)接頭與接口接錯(cuò)。（2）受通訊距離影響大，通訊信號(hào)隨距離增加而衰減。（3）容易受到電磁波的干擾。（4）受傳輸頻帶的限制通訊容量較小，不適合大數(shù)據(jù)傳輸[2]。

當(dāng)銅線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)我們通常利用以下方法進(jìn)行分析處理：（1）檢查網(wǎng)絡(luò)回路是否通暢，對(duì)于RJ45以太網(wǎng)可以采用ping IP地址的方法，對(duì)于RS485通訊電纜可以采用量線路通斷的方法。（2）檢查是否接錯(cuò)接口，對(duì)于RS485串口線還需考慮到正負(fù)是否接反。（3）檢查網(wǎng)線接頭是否有壓接不良的情況。（4）更換通訊設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)插件或調(diào)換接口，檢查是否為網(wǎng)口或串口故障。（5）減小通訊距離對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。例如100BASE-TX是一種使用5類數(shù)據(jù)級(jí)無屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的快速以太網(wǎng)技術(shù)。它的最大網(wǎng)段長度為100 m，如果連接距離超過100 m應(yīng)加中繼器或使用光纖。對(duì)于RS485通訊，可以在開始端和結(jié)束端加終端電阻（一般120 Ω）。（6）為減小電磁波對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，應(yīng)盡量使用屏蔽型電纜，使用時(shí)屏蔽層一端需接地。（7）如果銅線網(wǎng)絡(luò)不能滿足大數(shù)據(jù)傳輸要求，應(yīng)考慮設(shè)備分流或在條件允許的情況下改造成光纖網(wǎng)絡(luò)。

2 設(shè)備通訊參數(shù)配置及故障分析

在外部網(wǎng)絡(luò)接線正常的情況下如果通訊地址參數(shù)配置不正確也會(huì)導(dǎo)致通訊中斷。設(shè)備的尋址原理如圖3所示。

設(shè)備尋址原理是：設(shè)備接收網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)幀，并且根據(jù)數(shù)據(jù)幀上的地址判斷數(shù)據(jù)目標(biāo)地址與本機(jī)地址是否匹配，如果匹配則會(huì)按照數(shù)據(jù)幀上的請(qǐng)求進(jìn)行處理，如果不匹配則忽略該數(shù)據(jù)幀。目前變電所常用的通訊方式有以太網(wǎng)通訊方式和串口通訊方式[3]。

2.1 以太網(wǎng)通訊參數(shù)配置及故障分析

根據(jù)TCP/IP協(xié)議的需要，每臺(tái)設(shè)備都需要一個(gè)“IP地址”和一個(gè)“子網(wǎng)掩碼”，目前大多使用的協(xié)議版本為IPv4，其“IP地址”格式是四個(gè)用點(diǎn)號(hào)分開的數(shù)，如：192.168.30.1。并且規(guī)定計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中在同一物理層直接通訊的設(shè)備必須要運(yùn)行在同一網(wǎng)段上。即，如果有多臺(tái)設(shè)備需要通訊，應(yīng)滿足以下條件：①設(shè)置了不同的IP地址；②設(shè)置了相同的子網(wǎng)掩碼；③IP地址需要設(shè)置在同一網(wǎng)段上。同一網(wǎng)段是指設(shè)置的IP地址的四個(gè)數(shù)中，前三個(gè)數(shù)字相同，最后一個(gè)數(shù)字不同。例如兩臺(tái)互通設(shè)備的地址設(shè)置如表1所示。

因此，當(dāng)通訊故障時(shí)，我們需要確認(rèn)裝置的IP地址是否設(shè)置正確，子網(wǎng)掩碼設(shè)置是否相同。

一般來說IP地址的四個(gè)數(shù)中，最后一個(gè)數(shù)字默認(rèn)為通訊規(guī)約中的裝置地址，但需注意有些廠家的設(shè)備除了需要設(shè)置IP地址，還需要另外設(shè)置裝置地址，這些地址也是唯一的。

2.2 串口通訊基本參數(shù)配置及故障分析

串口通訊的基本參數(shù)包括：裝置地址、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位。

裝置地址作為裝置的身份標(biāo)識(shí)具有唯一性，每臺(tái)裝置都不能相同。

波特率規(guī)定了數(shù)據(jù)每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，對(duì)于發(fā)送端，波特率表示每秒發(fā)送的比特?cái)?shù)；對(duì)于接收端，波特率表示串口通信的采樣率。由于波特率和距離之間成反比，因此只有距離很近的設(shè)備間才能實(shí)現(xiàn)高波特率通信。

數(shù)據(jù)位是規(guī)定了信息數(shù)據(jù)位的參數(shù)，取決與所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼的范圍，如果要傳輸?shù)氖菢?biāo)準(zhǔn)的ASCII碼，由于ASCII碼的范圍是0～127，因此使用7位數(shù)據(jù)位就能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸需要。但如果要傳輸?shù)氖菙U(kuò)展ASCII碼，其范圍是0～255，就必須使用8位數(shù)據(jù)位。

停止位表示所發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)結(jié)束，可以取1位、1.5位或2位。由于數(shù)據(jù)傳輸過程中有可能會(huì)出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，因此停止位還可以提高對(duì)不同步的容忍度。停止位的位數(shù)越多，對(duì)不同步的容忍程度就越大，但同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸率也越慢。

奇偶校驗(yàn)位用于串口通信中的簡單檢錯(cuò)，也可以不使用校驗(yàn)。奇/偶校驗(yàn)是通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中高位或低位的個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)的。通過校驗(yàn)可以判斷出數(shù)據(jù)是否存在干擾，以及接收是否存在不同步的現(xiàn)象[4]。

綜上，如果串口通訊出現(xiàn)中斷，可以嘗試以下處理方法：（1）裝置地址是否按要求配置，不能有重復(fù)的地址；（2）波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位是否相同；（3）如果通訊距離比較長可考慮降低波特率；（4）確定數(shù)據(jù)位是否滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?；?）增加停止位的位數(shù)，提高對(duì)傳輸不同步的容忍度；（6）更改奇偶校驗(yàn)的方式。

3 結(jié)語

綜上所述，對(duì)SCADA通訊中斷故障的分析應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)通道和設(shè)備通訊參數(shù)配置兩個(gè)方面進(jìn)行。由于上述包含的因素較多，因此需要根據(jù)所使用的通訊介質(zhì)、通訊接口及使用的協(xié)議方式逐步進(jìn)行篩選和排查。其中網(wǎng)絡(luò)通道受環(huán)境的影響較大，而軟件配置基本不受環(huán)境影響，但受軟件設(shè)備升級(jí)的影響較大。所以如果是初調(diào)項(xiàng)目，則網(wǎng)絡(luò)通道和通訊參數(shù)配置兩方面排查的優(yōu)先級(jí)別相同；如果是既有項(xiàng)目，在沒有進(jìn)行軟件升級(jí)或配置修改的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮是否是網(wǎng)絡(luò)通道的問題，如果通訊中斷現(xiàn)象發(fā)生在軟件升級(jí)或配置修改之后則應(yīng)考慮配置錯(cuò)誤的可能性較大。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧大鵬.光纖通信原理[M].北京：人民郵電出版社，2009：5-37.

[2] 王士政.電力系統(tǒng)控制與調(diào)度自動(dòng)化[M].北京：中國電力出版社，2007：101-106.

[3] 高志遠(yuǎn)，黃海峰，姚建國，等.基于I/O空間分析的調(diào)度主站軟件系統(tǒng)檢測模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014（22）：91-96.

[4] 杜華.Linux編程技術(shù)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2007：169-175.