冗余EtherNet/IP轉(zhuǎn)DNP3.0網(wǎng)關(guān)方案

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背景

在管道SCADA系統(tǒng)中，調(diào)度中心的通信協(xié)議采用DNP3.0作為全生產(chǎn)SCADA系統(tǒng)的通信協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)站場(chǎng)采用AB PLC的是Ethernet/IP協(xié)議作為現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議?；诂F(xiàn)場(chǎng)與徐州調(diào)度中心間不同的通信協(xié)議，需要在各現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這就需要在每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)布置協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。而協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)作為調(diào)度中心與現(xiàn)場(chǎng)的連接節(jié)點(diǎn)，其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行就凸顯重要。

臨濮線SCADA系統(tǒng)的協(xié)議網(wǎng)關(guān)采用的是PROLINX網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)為單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)最大為500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。其最大的兩個(gè)缺點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量太小，大點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)需要配置多個(gè)網(wǎng)關(guān)；二是單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)冗余。雖然在工程中做了多種嘗試，但依然無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠的冗余功能，當(dāng)前在應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)連接中斷現(xiàn)象。

基于解決DNP網(wǎng)關(guān)完全冗余，實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的考慮，上海藍(lán)昱電子科技有限公司長(zhǎng)期跟蹤國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品。在為國(guó)內(nèi)多家電力系統(tǒng)廠商定制控制器及各種協(xié)議網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上，定制開(kāi)發(fā)出了冗余的Ethernet/IP轉(zhuǎn)DNP3.0協(xié)議網(wǎng)關(guān)并進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，使其完全滿足DNP網(wǎng)關(guān)的完全冗余及大數(shù)據(jù)量要求，易用性及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行也得到驗(yàn)證。

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冗余DNP協(xié)議網(wǎng)關(guān)

該網(wǎng)關(guān)由兩個(gè)帶冗余硬件的模塊XGW-5002-DNP-EIP成對(duì)構(gòu)成，保證模塊的高可用性。該模塊提供兩個(gè)網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)接口（RJ45），每個(gè)網(wǎng)口Modbus TCP(Client,Server)、DNP3.0(Server)、EtherNet/IP(Server)、IEC104(Server)等協(xié)議。雙路獨(dú)立電源,LCD顯示，內(nèi)置冗余功能，工業(yè)環(huán)境溫度，支持高達(dá)20000個(gè)字的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。其模塊見(jiàn)下圖。

模塊實(shí)物

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兩個(gè)模塊通過(guò)網(wǎng)口進(jìn)行冗余心跳監(jiān)測(cè)，其內(nèi)置的冗余功能根據(jù)兩個(gè)網(wǎng)口的心跳信息實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊的互為冗余。在冗余狀態(tài)下，主控制器的內(nèi)部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)全部同步到備用模塊數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊數(shù)據(jù)的完全同步冗余。與PLC的通信，通過(guò)PLC對(duì)A、B網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)，由邏輯實(shí)現(xiàn)A網(wǎng)段和B網(wǎng)段的冗余切換，網(wǎng)關(guān)模塊給調(diào)度中心提供與PLC的通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)PLC邏輯的寫(xiě)數(shù)據(jù)的回寫(xiě)功能，以此實(shí)現(xiàn)在站控或中控時(shí)的數(shù)據(jù)同步和無(wú)擾動(dòng)切換。具有Comm IP功能，無(wú)論兩個(gè)模塊如何切換，調(diào)度中心均能通過(guò)唯一IP與主控制器建立通信。內(nèi)部功能見(jiàn)下圖示意：

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? 從上圖可以看到，冗余DNP協(xié)議網(wǎng)關(guān)通過(guò)與PLC建立冗余通信，兩模塊的硬件及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)冗余，并在兩個(gè)網(wǎng)段的網(wǎng)口上建立DNP協(xié)議監(jiān)聽(tīng)端口，實(shí)現(xiàn)DNP協(xié)議的冗余通信。

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實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方案及功能測(cè)試結(jié)果

1、??????? 測(cè)試環(huán)境搭建

在上海藍(lán)昱試驗(yàn)室搭建了以下圖示的試驗(yàn)環(huán)境，為了貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，特別搭建了與現(xiàn)場(chǎng)一致的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

用兩個(gè)XGW-5002-DNP-EIP模塊，配置成冗余系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)配置為DNPA的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置成192.168.1.21及192.168.2.21，DNPB的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置成192.168.1.22及192.168.2.22，冗余Comm IP配置為192.168.1.23及192.168.2.23，其中兩個(gè)模塊的冗余心跳監(jiān)測(cè)網(wǎng)口為192.168.1.0網(wǎng)段192.168.２.0網(wǎng)段，任何一個(gè)網(wǎng)段故障均不影響系統(tǒng)運(yùn)行。

從ＡＢ　PLC產(chǎn)品代理公司借用一套冗余的control logix 5550 PLC，建立目標(biāo)PLC通信系統(tǒng)。PLC的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置為192.168.1.13及192.168.2.13。

在SUN T5120服務(wù)器上安裝Solaris 10操作系統(tǒng)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置為172.20.1.12及172.20.2.12，安裝FOXBORO公司的iaSCADA V9 DEMO版本的SCADA軟件，模擬調(diào)度中心SCADA環(huán)境。

采用思科1811路由器及3560交換機(jī)搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，模擬調(diào)度中心、站控及廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

在搭建好的測(cè)試環(huán)境中，利用XGW網(wǎng)關(guān)的工具軟件ICC-Studio配置好冗余網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)配置，并下載到兩個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊中。利用ＰＬＣ編程軟件，建立PLC的實(shí)驗(yàn)配置，并下載到PLC中，同時(shí)利用該軟件進(jìn)行在線監(jiān)視。利用安裝好的iaSCADA軟件，建立試驗(yàn)測(cè)試所需要的通道及數(shù)據(jù)點(diǎn)配置。由此，開(kāi)始功能測(cè)試。

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2、??????? 功能測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果

根據(jù)上述的測(cè)試環(huán)境，對(duì)下列功能項(xiàng)目進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試和驗(yàn)證，同時(shí)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1周的穩(wěn)定性測(cè)試，在獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析得出以下結(jié)果：

3、??????? 主要性能比較

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，與現(xiàn)有在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的Prolinx網(wǎng)關(guān)比較，有如下特點(diǎn)：

a.? 該DNP協(xié)議網(wǎng)關(guān)與PLC通信只需建立一個(gè)通信通道，當(dāng)該通信通道發(fā)送通信失敗時(shí)，由ＰＬＣ通信控制邏輯自動(dòng)切換到另外一個(gè)網(wǎng)段建立新連接，保證了數(shù)據(jù)的唯一性和減少PLC通信負(fù)擔(dān)。Prolinx是采用一個(gè)設(shè)備連接一個(gè)網(wǎng)段的方式，每個(gè)Prolinx均與PLC建立通信連接，大大增加了PLC負(fù)荷，同時(shí)兩個(gè)Prolinx的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)際并不同步，數(shù)據(jù)不唯一。

b.? 該DNP網(wǎng)關(guān)在單網(wǎng)絡(luò)故障、本身單模塊故障及PLC單網(wǎng)卡故障等同時(shí)存在時(shí)，DNP網(wǎng)關(guān)依然能夠通過(guò)其完備的冗余性能保證中心與PLC的通信；Prolinx網(wǎng)關(guān)由于一個(gè)網(wǎng)段連一個(gè)Prolinx的方式進(jìn)行冗余，當(dāng)存在兩點(diǎn)以上多點(diǎn)故障時(shí)，中心即與PLC失去通信；當(dāng)iaSCADA通過(guò)A網(wǎng)段與SCD5200通信，單PLC的A網(wǎng)卡存在故障時(shí)，該類型的單點(diǎn)故障也使中心與PLC失去通信，失去冗余功能。

c.? 該DNP網(wǎng)關(guān)配置非常簡(jiǎn)單，通過(guò)簡(jiǎn)單添加通信參數(shù)，數(shù)據(jù)塊的大小，設(shè)置掃描和寫(xiě)地址區(qū)域就可完成配置，冗余功能通過(guò)簡(jiǎn)單的選擇即可完成；有狀態(tài)指示LED和友好的遠(yuǎn)程下載監(jiān)視工具，方便日常巡視和系統(tǒng)集中維護(hù)。Prolinx配置口獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法遠(yuǎn)程進(jìn)行配置修改于遠(yuǎn)程監(jiān)視，組態(tài)及維護(hù)工作比較復(fù)雜。

d.? 該DNP網(wǎng)關(guān)同時(shí)支持Ethernet/IP和Modbus TCP協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)協(xié)議網(wǎng)關(guān)的備件統(tǒng)一。

e.? 該ＤＮＰ網(wǎng)關(guān)的事件緩沖區(qū)可以放大設(shè)置，當(dāng)數(shù)據(jù)變化頻繁時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)事件緩沖溢出的問(wèn)題。Prolinx網(wǎng)關(guān)事件緩沖區(qū)固定，目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)常出現(xiàn)事件緩沖溢出，造成SCADA服務(wù)器經(jīng)常數(shù)據(jù)缺失和通信中斷現(xiàn)象。