赛远的远程SCADA冗余通讯系统方案

    一、      引言

目前，越来越多的工程项目要求监控系统将现场设备信息纳入其中，通过SCADA系统可以将不同的信号通过不同的传输通道传递到中控室，但现场设备的复杂性，如各种通讯协议不利于系统的信息共享，速度慢。因而需要一种设备能将现场通讯设备中的信息协议转换，进行工业数据的远程传输，并可以进行标准的OPC协议对接，进行远程的控制器诊断。但是单一的通讯通道由于受通道的稳定性影响较大，对于一些监控数据需要具有连续的实时性，不能中断的场合，采用通信冗余则提高了监控系统可靠性。 在此介绍一种采用赛远工业远程通讯冗余系统作为通讯管理机实现通信冗余的方案。

现场信息采集和控制系统，大部分采用可编程控制器(PLC)，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用方便；功能完善、通用性强；设计安装简单、维护方便；体积小、重量轻、能耗低等特点，这是区别于计算机的重要特征。PLC解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。

PLC的功能齐全，通常来说，来自于欧美的PLC通讯功能比较强大，可适用各种层次工业自动化网络的不同需要，实现PLC与计算机、PLC与PLC、PLC与其他智能控制装置之间的通讯联网。PLC与计算机联网，可发挥各自所长，PLC用于现场设备的直接控制，计算机用于对PLC的编程、监控与管理；PLC与PLC联网能够扩大控制地域，PLC与智能控制装置（如智能仪表）联网，可有效地对智能装置实施管理。

但各个品牌的PLC的协议是不同的，如：Modbus、Profibus DP、Profinet、Ethernet/IP、EtherCAT、CANopen、DeviceNet等，如何通过同一套系统进行协议转换，并进行稳定的发送和接收数据， 支持使用局域网和广域网的OPC进行数据传输，方便地进行协议转换， 支持灵活多变的设计方案，包括通讯的通道单冗余和双冗余方案，是当前在做工业通讯项目中遇到的普遍难题。

赛远的双通道远程通讯冗余系统，面向广大要求通讯的高稳定性和高可靠性，提供了基于XDSL（电气网络、光纤）和3G、卫星等新传输方案，该方案将用户所担心的单通道远程的系统，延伸为双通道，提供稳定的双通道数据传输。

由于不同的通道时间延时存在，通过该冗余系统，在每个数据上加上时间标签，为了确保数据的同步，还可以增加原子钟确保时间的准确性，将数据按照时间标签存储到数据库上。通过赛远的S-Link协议进行加密，数据在公共网络上传输安全。所以，赛远的工业远程通讯冗余系统，具有可靠和稳定、安全的特点。

二、      冗余系统的拓扑分析

 (一) 单通道通讯系统

单通道通讯系统系统结构如下图：

实现思路：

ü        本系统中，中控室采用有线宽带上网方式；

ü        PLC站点采用无线3G传输的方式，3G无线通讯具有带宽大，传输速率快，故采用数据通过3G网络传输的形式，并且可以实现中控室对现场PLC的在线程序诊断；

ü        可将分布在不同站点的PLC和中控室IPC通过赛远远程安全通讯模块SY-RSCM302接入Internet；

ü        通过远程安全通讯模块在公共网络上组成的网络进行数据的加密S-Link传输，实现PLC数据的远程安全传输；

ü        中控室可对现场的PLC站点的数据，进行采集和控制；

ü        国内3G服务商分别为移动TD-SCDMA，联通WCDMA，电信CDMA2000，从技术成熟程度上，通讯质量上联通的WCDMA和电信CDMA2000都优于移动的TD-SCDMA，故为保证通讯稳定性，3G网络服务商建议选用电信或联通；

ü        现场的视频可以随这条通讯通道传输到中控室，具体的视频清晰度和视频的分辨率和传输通道的带宽相关；

ü        实现的单通道通讯，会受到通道的传输的不确定性影响，如3G信号基站切换和检修，宽带的临时故障等。

 

 

(二) 双通道通讯系统

双通道通讯系统系统结构如下图：

 

实现思路：

ü        本系统中，中控室采用有线宽带上网方式；

ü        本拓扑图中，PLC站点采用无线3G传输和宽带上网两种方式；但不限于这两种形式，也可以是两种3G模式上网，也可以是两条宽带上网，甚至是卫星上网，光纤组成网络等形式；

ü        可将分布在不同站点的PLC和中控室IPC通过赛远远程安全通讯模块SY-RSCM302接入Internet；

ü        通过远程安全通讯模块在公共网络上组成的网络进行数据的加密S-Link传输，实现PLC数据的远程安全传输；

ü        中控室可对现场的PLC站点的数据，进行采集和控制；

ü        现场的视频可以随这条通讯通道传输到中控室，具体的视频清晰度和视频的分辨率和传输通道的带宽相关；

ü        为了保证传输工业数据的稳定性，可以进行带宽分配，避免由于视频等信号占用较大带宽后，工业数据传输受到影响；

ü        由于双通道的传输，数据具有先后到达之分，为了区别不同的时间数据，可以进行加上时间标签的方式进行，保证工业数据的命令一致性，并可以通过整体校验保证数据的准确性，避免数据的缺失带来错误的命令；

ü        该双通道的冗余方式，属于双通道的通讯实时在线热备方式，其中一个通讯通道出现故障后，另外一条通讯通道在线，保证了无缝切换；

ü        单通道发生故障时，中控室从该通道采集不到数据，将在约定的时间周期后，进行报警，等待检修和修复；

ü        实现双通道通讯，可以降低受到单通道的传输的不确定性影响，如3G信号基站切换和检修，宽带的临时故障等。如发生单通道的故障概率为1%，则通过该双通道系统的实施，可以实现0.01%的故障概率。

 

双通道通讯系统系统建立的两组独立的通讯隧道，如下图：

 

ü        实现双通道通讯，建立了通道冗余的方式，将外界通道的影响降低到小，在石化、水处理、轨道交通等场合，要求实时性和稳定性较高，建议选用；

 

 

 

(三) 双通道双冗余通讯系统

双通道双冗余通讯系统系统结构如下图：

 

实现思路：

ü        本系统中，中控室采用两条有线宽带上网方式，可以是拨号上网和光纤网络上网相结合；

ü        本系统每个站点，采用了两个远程安全通讯模块，每个远程安全通讯模块通过两种方式上网，目的在于除了通道的双冗余方式之外，将远程通讯模块的故障可能性也考虑进去，大大提高该系统的稳定可靠性；

ü        本拓扑图中，PLC站点采用无线3G传输和不同种类宽带上网两种方式；但不限于这两种形式，也可以是两种3G模式上网，也可以是两条宽带上网，甚至是卫星上网，光纤组成网络等形式；

ü        可将分布在不同站点的PLC和中控室IPC通过赛远远程安全通讯模块SY-RSCM302接入Internet；

ü        通过远程安全通讯模块在公共网络上组成的网络进行数据的加密S-Link传输，实现PLC数据的远程安全传输；

ü        中控室可对现场的PLC站点的数据，进行采集和控制；

ü        现场的视频可以随这条通讯通道传输到中控室，具体的视频清晰度和视频的分辨率和传输通道的带宽相关；

ü        为了保证传输工业数据的稳定性，可以进行带宽分配，避免由于视频等信号占用较大带宽后，工业数据传输受到影响；

ü        由于双通道的传输，数据具有先后到达之分，为了区别不同的时间数据，可以进行加上时间标签的方式进行，保证工业数据的命令一致性，并可以通过整体校验保证数据的准确性，避免数据的缺失带来错误的命令；

ü        采用双通道通讯，可以降低受到单通道的传输的不确定性影响，如3G信号基站切换和检修，宽带的临时故障等。如发生单通道的故障概率为1%，则通过该双通道系统的实施，可以实现0.01%的故障概率；

ü        采用双冗余系统，将远程通讯模块的故障带来的影响大大降低，一旦某个远程通讯模块出现故障，在中控室可以进行故障报警，及时检修，但不影响正常的数据通讯，保证工业数据的稳定性。

 

 

    三、      赛远的通讯网络系统安全性

对于系统中现场 传输设备，一般系统安全和稳定性，都要求很高，选用的深圳市赛远自动化系统有限公司的远程解决方案，能从以下方面保证数据的传输安全：

1.        远程安全通讯模块的应用，不仅实现了工业数据从局域网向广域网的扩充，并且其自带硬件防火墙功能。它可对每一层的数据包进行检查和监控，实现内容过滤，入侵侦测，入侵保护等功能。并可对工业数据进行S-link协议的转换。

2.        远程安全通讯模块还带有身份认证技术，可实现设备认证和使用者认证，使得工业数据只能在经过了认证的模块直接传输，以及有认证许可的操作人员进行数据读取等。

3.        工业数据在Internet中传输过程中，采用S-Link协议。这种协议是专针对工业数据广域网传输所开发的。它是基于标准协议的不通用性，以及工业现场总线的特殊要求，以协议转换准确和安全性为首要目标的一种非公开密钥方式的专用协议，采用了RSA算法，密钥高为1536位加密非对称密钥，公钥和私钥结合使用的方式进行加密。S-link协议的应用确保了工业数据广域网传输的机密性，真实性和完整性。

4.        整个系统采用了虚拟局域网VLAN技术，各个设备在逻辑上划分到了一个局域网中，满足了工业数据传输的实时性要求。同时，限制了工业数据只能在同一VLAN中传输，防止了数据在Internet上的广播，提高了工业数据传输的安全性。

 

(四) 站点双通道双冗余的通讯系统清单配置如下：

中控室：

序号	名称	型号	数量
1	工业控制计算机（IPC）		1
2	Win CC 组态软件		1
3	远程安全通讯模块	SY-RSCM302	2
4	宽带		2

 

 

现场站：

序号	名称	型号	数量
1	远程安全通讯模块	SY-RSCM302	2
2	工业SY-3G通讯模块	SY-3G	2
3	宽带		2
4	PLC	取决于现场的情况	1

 
    四、      冗余方案总结

控制系统中的冗余的方式有很多，有I/O冗余、PLC的CPU冗余，网络冗余等。 根据不同的侧重点选择不同的方案，目的都在于提高监控系统的可靠性。同时考虑实用性、灵活性、通用性、经济性都是方案确定需要权衡的因数。追求各个环节的有时会使系统复杂化，根据各自系统的特点，选择合适的方案实为上策。