第三章、SCADA通訊系統

2022-01-10 14:57:01| 來源：網絡| 次| 0次

2.5. 概述

SCADA中通訊系統顯得非常的重要，可以看成SCADA系統的神經系統。而通訊實際是單獨的一門學科，想在這里用一個章節講清楚基本是不太可能的。這里只能給出一個粗略的說明，詳細內容可以參考有關通訊系統和原理的書籍。

通信系統的基本模型見圖3-1。圖31-1中發送端的信息源把消息m轉換成信號g(t)。為了使信號適合于在信道中傳送，由發送設備將它變換為s(t)后再送人信道。信道是指傳輸信號的通道。圖3-1中噪聲源是信道中的噪聲以及通信系統中其它各處噪聲的集中表示。由于噪聲的干擾，接收端收到的信號r(t)可能不同于s(t)。接收設備把以r(t)轉換為輸出信號g’(t)，它是g(t)的近似或估計值，最后受信者將g’(t)轉換成對應的消息m’(t)。

SCADA中通訊系統

由g(t)到s(t)稱為信道編碼，一般調制方式有ASK,FSK,PSK,QAM,TCM等等。信道編碼經常用在有線和無線通信。隨著DSP計算能力的提高，AD、DA速度和精度的提高，以及數學方法的發展，現在信道編碼的能力越來越接近香農信息論的理論值，在電話線上，香農信息論的理論值在64K以下，而實際的調制解調器可以達到33.6K甚至56K的速度。

正弦振蕩的載波信號可以用Asin(2*π*ω*t+φ),各種調制方式可以用下面的數學公式加以描述。

ASK 信號s(t)=Asin(2*π*ω*t+φ) g(t)=1

s(t)=0 g(t)=0

FSK 信號s(t)=Asin(2*π*ω1*t+φ) g(t)=1

s(t)=Asin(2*π*ω2*t+φ) g(t)=0

PSK 信號s(t)=Asin(2*π*ω1*t+π) g(t)=1

s(t)=Asin(2*π*ω1*t+0) g(t)=0

PSK和FSK還有很多變型的方式，如DPSK,MSK等。

QAM和TCM過于復雜，在這里不便贅述，請參考有關書籍。

由于通訊過程中存在噪聲干擾，就有可能出現差錯，那么就要進行差錯控制，差錯控制的方法就是編碼。通訊編碼的數學理論基礎是《近世代數》，里面研究群環域的概念，詳細內容可以參考相關書籍，而編碼解碼、檢錯和糾錯是通信與編碼學科研究的范疇，國內典型的教材是西安電子科技大學王新梅老師編寫的教材，其缺點過于深奧，不太好懂。

而在SCADA系統中經常用的是檢錯，糾錯除了特殊的場合很少使用，檢錯主要是兩種編碼方式校驗和和CRC校驗。

和校驗原理非常簡單，就是對信息進行加法運算或者模2加法運算，接收后對信息進行同樣的運算，比較運算結果和傳輸來的校驗是否一致，如果一致認為是正確的，否則認為錯誤。這個算法實現起來非常簡單，也得到了廣泛的應用，但是其基本原理存在著出現差錯檢不出的可能，適合于信道質量比較好的場合。

CRC校驗方法可以檢出的錯誤遠遠超過了和校驗，適合比較惡劣的通訊場合。

CRC校驗比較復雜一些，它有一個生成多項式g(x),信息可以看成一個i(x)，設校驗位為16位，則校驗多項式r(x)=x↑16*i(x)/g(x)。則整個發送序列多項式為t(x)=x↑16*i(x)/g(x)+r(x)。接收時，如果沒有差錯則用t(x)/g(x)=0,如果有差錯就不是0。這樣就可以知道差錯了。人們已經找到很多的標準生成多項式，比如

CRC-16 g(x)=x↑16+x↑15+x↑2+1

CRC–CCITT g(x)=x↑16+x↑12+x↑5+1

而CRC的計算需要進行移位和模2加運算，計算機除非有專門的硬件設備，否則計算起來很慢，為了提高計算速度，一般采用查表計算的方法，把運算轉換成查表和字節運算，這樣使得運算速度大大提高。下面的一段程序是MODBUSCRC校驗的計算方法，體現了上述的思想。

constunsignedcharauchCRCHi[]={

0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1

0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40

0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0

0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41

0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1

0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41

0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0

0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40

0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0

0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40

0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x00,0xC1,0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1

0x81,0x40,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x01,0xC0,0x80,0x41,0x00,0xC1,0x81,0x40

};

constunsigned charauchCRCLo[]={

0x00,0xC0,0xC1,0x01,0xC3,0x03,0x02,0xC2,0xC6,0x06,0x07,0xC7,0x05,0xC5,0xC4,0x04,0xCC,0x0C,0x0D,0xCD,0x0F

0xCF,0xCE,0x0E,0x0A,0xCA,0xCB,0x0B,0xC9,0x09,0x08,0xC8,0xD8,0x18,0x19,0xD9,0x1B,0xDB,0xDA,0x1A,0x1E

0xDE,0xDF,0x1F,0xDD,0x1D,0x1C,0xDC,0x14,0xD4,0xD5,0x15,0xD7,0x17,0x16,0xD6,0xD2,0x12,0x13,0xD3,0x11,0xD1

0xD0,0x10,0xF0,0x30,0x31,0xF1,0x33,0xF3,0xF2,0x32,0x36,0xF6,0xF7,0x37,0xF5,0x35,0x34,0xF4,0x3C,0xFC,0xFD

0x3D,0xFF,0x3F,0x3E,0xFE,0xFA,0x3A,0x3B,0xFB,0x39,0xF9,0xF8,0x38,0x28,0xE8,0xE9,0x29,0xEB,0x2B,0x2A,0xEA

0xEE,0x2E,0x2F,0xEF,0x2D,0xED,0xEC,0x2C,0xE4,0x24,0x25,0xE5,0x27,0xE7,0xE6,0x26,0x22,0xE2,0xE3,0x23,0xE1,

0x21,0x20,0xE0,0xA0,0x60,0x61,0xA1,0x63,0xA3,0xA2,0x62,0x66,0xA6,0xA7,0x67,0xA5,0x65,0x64,0xA4,0x6C,0xAC,

0xAD,0x6D,0xAF,0x6F,0x6E,0xAE,0xAA,0x6A,0x6B,0xAB,0x69,0xA9,0xA8,0x68,0x78,0xB8,0xB9,0x79,0xBB,0x7B,0x7A,

0xBA,0xBE,0x7E,0x7F,0xBF,0x7D,0xBD,0xBC,0x7C,0xB4,0x74,0x75,0xB5,0x77,0xB7,0xB6,0x76,0x72,0xB2,0xB3,0x73,

0xB1,0x71,0x70,0xB0,0x50,0x90,0x91,0x51,0x93,0x53,0x52,0x92,0x96,0x56,0x57,0x97,0x55,0x95,0x94,0x54,0x9C,

0x5C,0x5D,0x9D,0x5F,0x9F,0x9E,0x5E,0x5A,0x9A,0x9B,0x5B,0x99,0x59,0x58,0x98,0x88,0x48,0x49,0x89,0x4B,0x8B,

0x8A,0x4A,0x4E,0x8E,0x8F,0x4F,0x8D,0x4D,0x4C,0x8C,0x44,0x84,0x85,0x45,0x87,0x47,0x46,0x86,0x82,0x42,0x43,

0x83,0x41,0x81,0x80,0x40

};

unsignedshortcrc(unsignedchar*puchMsg,unsignedshortusDataLen)

{

unsignedcharuchCRCHi=0xFF;/*highbyteofCRCinitialized*/

unsignedcharuchCRCLo=0xFF;/*lowbyteofCRCinitialized*/

unsigneduIndex;/*willindexintoCRClookuptable*/

while(usDataLen--)/*passthroughmessagebuffer*/

{

uIndex=uchCRCHi^*puchMsg++;/*calculatetheCRC*/

uchCRCHi=uchCRCLo^auchCRCHi[uIndex];

uchCRCLo=auchCRCLo[uIndex];

}

return(uchCRCHi<<8|uchCRCLo);

}

當然，還可以用編碼解碼的方法糾正錯誤，但是實現起來比較復雜，一般只有在信道非常昂貴的時候才使用如衛星通道和深空通訊。在SCADA系統中采用可以糾錯的編碼的極少。

通訊由于介質的不同大體可以分為如下的三種類型：

有線、無線和網絡。單獨把網絡拿出來是因為這些年網絡技術發展很快，目前網絡成了傳輸SCADA信息的一個很重要的方式。

信道分類也可以分為半雙工和全雙工的信道，但是有時即使信道是全雙工的，而協議是半雙工的，系統也工作在半雙工狀態。

2.6. 有線系統

有線的范疇很廣，常用的包括電話線、音頻電纜、電力載波、同軸電纜、光纖等待，我們這里的有線指的是要有介質連接而且不經過網絡協議而直接進行SCADA協議的通訊方式。

在有線信道中，除了載波信道，普遍來看傳輸的速度要高于無線信道，誤碼率低于無線信道，時延也小，可靠性高于無線信道。其缺點是建設投資大，周期長，而且在有些特殊場合根本無法建設有線的通訊方式。

有線信道中有的是直接傳輸的數字信號，比如在雙絞線上走RS485/RS422信號，在雙絞線上通過長線驅動設備進項傳輸，在光纖上直接傳輸的都是數字信號。RS485可以在100KBPS的速度上傳輸1.2千米，長線驅動器可以到19.2KBPS的速度，光纖可以到幾百K甚至幾百兆的速度，傳輸距離可以在幾百米到幾十千米。

有線信道很多要用到調制解調設備，如電話線、音頻電纜、載波通道，其信道容量肯定小于香農信息論容量。電話線中的調制解調器可以達到33.6kbps的速度，而載波通道有的只能到300bps的速度。

2.7. 無線系統

無線信道常用的包括無線電臺、微波通訊和衛星通訊等。GPRS/CDMA通訊方式列入網絡通訊的范疇。

無線電臺由于收到帶寬的限值，其信道一般為25KHZ，無線電管理委員會專門劃出幾個頻段用于無線數據傳輸，

主要包括150MHZ頻段，230MHZ頻段和470MHZ頻段。目前的調制解調技術可以做到的速度從600bps到19200bps不等。目前一般都是采用調制解調器和無線電臺做在一起的數傳電臺。采用無線電臺中心站要復雜一些，為了系統能夠更好的通訊，需要建設一個很高的全向天線，有的是安裝在樓頂，有的是建設專門的鐵塔。實施前要進行頻點干擾測試、遮擋測試、場強測試等。無線電臺受到地形和建筑的影響相當嚴重，有時會出現本來通訊很好，在中間出現一個高層建筑導致無法通訊。無線電臺有時不適宜于城市應用，也不適宜于山區、高原、丘陵地帶使用。適合于平原農村和水面應用。

無線電臺是一個典型的半雙工輪詢系統，系統如果點數很多，輪詢一遍所花的時間可能會長達幾分鐘甚至更長。另外必須區分無線電臺的接口速率和空中速率，這二者是獨立的沒有關系的兩個概念。空中速率指的是電臺在無線信道的實際數據速率，這個速度越快，說明電臺的性能越好，而且單位時間傳輸的數據越多。接口速率是電臺與RTU設備的速率，這個速率只要不小于空中速率和通訊速度沒有太大關系。無線電臺可能會受到干擾的影響，嚴重影響通信性能，甚至完全無法使用。主要干擾有：同頻干擾、高壓輸電線路電暈干擾、其它射頻設備等。一般不受天文情況的影響，如太陽黑子，太陽磁暴，電離層等。

微波通訊只有在特別重要的場合才實施，其投資巨大，而且要每大約50KM就要有一個中繼站，對于地形復雜的場合，可能為了視距原因可能很近就要有一個中繼站。一般的單位是沒有財力建設微波系統的。

國內的電力企業當年倒是有一套從各個大區到中央的微波通訊系統。微波通訊還是會收到降水和霧的影響的。衛星通訊更是萬不得已才使用，首先其功率太大，一個小型的衛星基站要上百瓦的功率，需要一個1M口徑的拋物天線，需要專門昂貴的設備(通訊設備要人民幣幾萬塊)，而且通訊費用非常高昂，一個報文，可以承載256BYTE的數據需要0.5圓人民幣，只有海上，沙漠等實在無法借助其它通訊手段的時候才采用。衛星通訊相當可靠，除了太陽耀斑、太陽磁暴、暴雨等情況，一般都不會出現通訊中斷現象。太陽耀斑、太陽磁暴會影響衛星的通信，還存在所謂的星蝕效應，就是通信衛星和太陽在同一個方向上，由于太陽是一個很大的干擾源，導致衛星通信中斷。不過中斷時間只有幾分鐘的時間。

2.8. 網絡系統

網絡通訊方式在無線方式上常用的包括GPRS/CDMA,ZIGBEE,無線以太網等。有線方式常用的包括以太網、ADSL、CABLEMODEM等。

網絡通訊方式的優點在于借用現有的網絡資源，真正打破了地域的限制，可以構架分布全球的SCADA系統，對于很多全球生產的企業非常有利。

由于網絡構建于公共網絡之上，在出現突發事件時而且要求SCADA系統在突發事件進行應急處理時，這樣的方式可能會因為公眾通訊的信息量大增，導致通訊設備癱瘓或者阻塞，而無法應對這樣的應用。這種通訊阻塞的情況完全有可能出現，所以在構建SCADA系統的時候，一定要評估這個風險，否則就是一套在緊急情況下不能使用的系統，這個系統可能就沒有建設的必要。對于這種系統一定要采用生存能力強的獨立系統，比如無線電臺。

在網絡通訊上，由于GPRS/CDMA，ADSL等設備都是構建在PPP協議或者PPPOE協議之上的，其地址分配可能是動態的，也可能是靜態的。而主站的地址可能是靜態的也可能是動態的，所以二者可能存在互不知道IP地址的可能，如果沒有專門的機制是無法通訊的。為了保證RTU能和主站通訊就需要做專門的處理。就TCP/IP通訊而言，雙方必須知道對方IP地址和端口號才能通信，而且一般的通訊模型是客戶機/服務器模型，而且一般主站作為服務器使用，所以主站系統不能放在防火墻的后面，如果放在防火期后面，防火墻至少要開放幾個端口，而且把主機的IP地址通過NAT的方式映射到公網上，否則RTU不可能和主站通訊。

如果主站地址是靜態的，RTU端設置通訊設備時，把主站的IP地址設為主機IP地址。這樣上電后，RTU的通訊設備DTU就可以根據設定的

IP地址和端口號及通訊方式(TCP/UDP)找到主站進行通訊。如果主站是動態地址(比如采用電話撥號上網或者ADSL撥號上網)，由于主機地址是動態的，RTU的通訊設備DTU的IP地址也是動態的，雙方不可能直接找到對方。

就需要申請一個動態域名解析業務以區別于靜態域名解析服務，比如動態域名為m.jobatable.com.CN，在主站端安裝動態域名解析軟件，主站只要開機就登陸到動態域名服務器，比如花生殼，注冊自己的IP地址，告知m.jobatable.com.CN的地址是XX.XX.XX.XX。RTU端的DTU設備設置時其通訊的主機不能設為IP地址，而應該設為m.jobatable.com.CN,在DTU設備上電后，首先向DNS服務器請求解析m.jobatable.com.CN的IP地址，DNS服務器根據動態域名解析軟件注冊的IP地址，告訴DTU，m.jobatable.com.CN的IP地址是XX.XX.XX.XX，這樣DTU知道了主站的IP地址和雙方約定

的端口號和通訊方式(TCP/UDP)就可以通訊了。

另外，由于通訊是TCP/IP通訊，主站和RTU端的端口號和通訊方式(TCP/UDP)要設成一致。

GPRS/CDMA的應用是無線通訊，幾乎沒有數傳電臺的缺點，其構架于無線通訊運營商的網絡之上，只要手機能夠通話就能工作，缺點是按照流量收費，費用可能略微嫌高。另外收到網絡能力限制，同時能夠發起的認證連接數和同時能夠維持的連接數有限，對于大規模的應用可能是一個相當大的制約。一般來看CDMA的通訊速度要高于GPRS，而實際應用中，SCADA系統應用的速度要遠遠低于其標稱速率。GPRS/CDMA還有一個重要的問題是網絡延時問題，

從用戶發出一個報文到收到響應報文，可能需要3秒甚至更長的時間，對于有些苛刻的應用無法滿足。

無線以太網是一個非常有前途的通訊方式，其價格越來越便宜，而且帶寬很寬，最高可以到54M，可以在上面承載語言業務、圖形監控業務和SCADA業務，非常有發展潛力。而且可以在無線以太網上構建自組織網絡(MASH網)，這樣無論網絡是固定的還是移動的，都能正常通信;即使出現個別設備的損壞，都能通過網絡的再組織，保證正常的通信。無線以太網采用全向天線時，其通訊距離受到很大的限制，只有幾百米，而采用定向高增益天線，距離可以到幾到幾十公里。

ADSL/CABLEMODEM都是大家耳目能詳的日常上網方式，其優點缺點想必大家都很清楚，值得一提的是很少有RTU設備可以直接支持PPPOE協議，這可能需要進行配置或者增加網絡設備實現，倒是一個限制。