基于TETRA的SCADA通信系統及其測試方案研究

徐超，李俊，賈迪非

基于TETRA的SCADA通信系統及其測試方案研究

徐超，李俊，賈迪非

（海能達通信股份有限公司，廣東 深圳 518057）

SCADA系統是工業控制領域應用最廣泛的一種系統。為了適應因工業規模逐步擴大而增加的擴展性、系統穩定性和安全性等需求，提出了一種基于TETRA專網傳輸的SCADA系統方案。該系統繼承了TETRA通信系統的優良性能，同時又能滿足SCADA行業的所有需求，并研究提出了一種測試方案，設計開發仿真軟件，對該通信系統進行測試分析，證明了基于TETRA的SCADA通信系統的可靠性。

TETRA SCADA 網關 Modbus DNP3 測試方案

1 引言

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制）系統在電力系統、給水系統、石油、化工、能源等領域被廣泛使用，通過SCADA系統可以對現場運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。

然而由于這些行業自身的需求特點（比如設備位置偏遠、安全問題等），行業用戶往往對SCADA系統數據通信的要求極高。下述三種常見的通信方式均難于滿足需求，原因主要如下：

（1）傳統光纖通信鋪設復雜，無法滿足復雜的地理環境要求。

（2）無線公網傳輸存在覆蓋盲點且通信穩定性不足。

（3）衛星通信成本高昂，信號衰減及傳播延遲大。

TETRA（Terrestrial trunked Radio，陸地集群無線通信）作為一種具有將近20年成熟應用的無線專網通信系統，在公共安全、公共事業、工商業等領域得到廣泛應用。由于TETRA系統具有標準體系完善、安全可靠性高、支持端到端和空口的加密、網絡覆蓋范圍廣泛（單基站覆蓋10 km左右）及支持語音及數據傳輸等主要特性，所以能夠充分滿足SCADA行業用戶的數據通信需求。

因此，下文將結合SCADA系統特點和TETRA優勢，闡述一種基于TETRA的SCADA通信系統，并對其系統架構進行剖析，最后介紹該系統的測試方案以及結果分析。

2 SCADA系統簡介

2.1 典型SCADA系統架構

SCADA系統作為工業生產過程和事物管理自動化非常有效的計算機軟硬件系統，主要包含三大部分：

（1）SCADA主站：包含調度管理中心、數據服務器、SCADA服務器以及其他相關物理設備，主要用于監控所有SCADA從站的運行狀態，提供圖形化操作界面，下發各種控制指令。

（2）SCADA從站：也稱為終端數據采集系統，主要包含終端數據采集設備以及Modem，主要用于接收SCADA主站下發的指令，按照指令執行相關操作，收集相應上報收據。

（3）通信網絡：用于承載SCADA系統各網元之間的通信。

典型的SCADA系統架構如圖1所示。

2.2 SCADA系統常用通信協議

對于SCADA行業而言，常用的SCADA通信協議主要有如下兩種：

（1）DNP3協議

DNP（Distributed Network Protocol，分布式網絡規約）是由IEEE提出的一種應用于自動化組件之間的通訊協議，主要為了解決SCADA行業早期協議混雜、標準不統一的問題，目前已發展至DNP3。DNP3協議支持點對點、一點多址、多點多址和對等的通信方式，并且支持命令/應答和自動上報數據傳輸方式。由于DNP3協議具有高度標準化，具有相對較高的兼容性和不同廠商之間互操作性的優勢，所以在電力、水處理等行業得到廣泛應用。

圖1 典型SCADA系統架構

（2）Modbus協議

Modbus協議是由Schneider Electric公司開發的一種串行通信協議，采用主從通訊機制，使用命令/應答方式通信，不同的命令報文對應特定的應答報文。由于Modbus從設備通信地址是預先約定的，并且具有唯一性，因此對于Modbus主設備的報文，只有對應的從設備才會響應。該協議以操作簡單、通用性強等優勢，在工業領域得到廣泛認可及應用。

目前，DNP3和Modbus都有獨立的技術委員會來維護協議標準，以確保不同廠商的設備互操作性，同時為新功能制定標準。

3 基于TETRA的SCADA通信系統簡介

TETRA是由歐洲電信標準協會（ETSI）制定的一種開放的數字集群通信行業標準。作為目前國際上主流的數字集群標準，其具有兼容性好、覆蓋范圍廣、保密性強、信號穩定、網絡架設簡單、可擴展性強等優點。

ACAPI（ACCESSNET?-T IP Common Application Interface）是海能達TERRA集群系統的一個應用接口，基于TCP/IP協議，應用程序可以通過該接口去連接訪問TETRA集群系統，并且能與終端用戶進行語音、數據等業務的收發交互。該接口不僅具有高度的靈活性，并且免費提供授權，從而為行業用戶的定制化應用節省大量經費。

海能達通信股份有限公司作為專網行業的領軍企業，充分發揮TETRA無線專網的優勢，結合SCADA的行業特性，推出了一套基于TETRA無線專網的SCADA通信方案。該方案主要包括如下幾部分：

（1）TETRA SCADA網關：用于連接SCADA主站與TETRA系統之間的通信，能夠對SCADA主站發送的原始報文依據不同協議進行相應的處理，保證SACDA系統與TETRA系統的互聯，該網關還支持數據壓縮和長報文分片功能。該網關為每個SCADA主站存儲了一張路由表，記錄了路由ID與終端設備對應的Modem號碼的對應關系，用于SCADA主從站ID與TETRA網關/Modem SSI之間的路由轉換。路由表示例如表1所示：

表1 路由表示例

（2）TETRA無線專網：嚴格遵循TETRA標準的通信網絡，承載整個SCADA系統中的通信服務，同時支持語音和數據業務。

（3）TETRA Modem：用于連接TETRA無線專網與終端設備之間的通信，它實質上也是一種支持數據傳輸的TETRA無線終端，擁有唯一的SSI號碼，注冊在TETRA無線專網上。

（4）SCADA主站：終端設備（RTU）可沿用典型SCADA系統的現有設備。

整個系統架構如圖2所示，SCADA主站與TETRA SCADA網關之間可通過TCP、UDP以及串行鏈路進行通信，支持的協議包括DNP3以及Modbus協議。整個通信方案下行通信鏈路如下：

（1）TETRA SCADA網關對來自于SCADA主站的報文按照ACAPI協議進行封裝，然后傳送給TETRA交換中心。

圖2 基于TETRA無線專網的SCADA通信方案

（2）TETRA交換中心對ACAPI報文進行再次處理封裝，發送給TETRA基站。

（3）TETRA基站將二次封裝的報文通過Air Interface（空中接口）發送至SCADA從站的Modem。

（4）Modem對來自TETRA基站的報文進行相應的解封裝操作，將原始的SCADA主站報文發送給終端設備（RTU）。

上行鏈路是由終端設備（RTU）發起，途經Modem、TETRA無線專網、TETRA SCADA網關對報文都會作相應的處理，直至送達SCADA主站。

4 通信系統應用場景測試驗證

針對這套基于TETRA的SCADA通信系統，設計了一套測試方案，并開發兩套SCADA主從站的仿真軟件，用來模擬SCADA設備的真實運行狀況，驗證及分析整個通信系統的可靠性，下文會逐一闡述。

4.1 驗證方案

整體而言，本驗證方案中的系統網元設備主要包括SCADA主站及從站、TETRA SCADA網關、TETRA無線專網。其中SCADA從站包括TETRA Modem和終端設備（RTU）。

為了對通信系統方案進行有效驗證，首先會在主站和從站設計側根據相應的標準協議信令設計相關仿真軟件工具，以分別仿真主站和從站對通信系統報文的編、解碼及系統信令發送、接收。

其中主站側仿真軟件分別支持采用TCP、UDP網絡協議和串口標準協議與SCADA網關進行連接；從站側仿真軟件通過空中接口與TETRA專網進行無線通信。

驗證方案架構圖如圖3所示：

圖3 驗證方案架構圖

4.2 驗證環境

驗證方案配置清單如表2所示：

表2 驗證方案配置清單

4.3 SCADA電力仿真軟件

SCADA電力主站軟件用于仿真電力SCADA主站，支持從站數據實時同步功能，支持用戶鑒權及遠程遙控各單元的功能，支持各線路運行功率實時曲線顯示等功能。運行效果如圖4所示。

4.4 SCADA油氣仿真軟件

SCADA油氣輸送主站軟件仿真油氣輸送全越站和增壓傳輸的場景，支持遠程遙控切換不同的運輸場景，支持遙控開關從站響應閥門，支持從站實時壓力曲線顯示等功能。運行效果如圖5所示。

4.5 場景驗證

為了驗證基于TETRA的SCADA通信系統方案，設計了如下模擬仿真應用場景：

圖4 SCADA電力主站仿真軟件運行效果

圖5 SCADA油氣輸送主站仿真軟件運行效果

（1）啟動15個仿真SCADA主站，建立15路到TETRA SCADA網關的網絡連接，基于TCP/UDP/串行鏈路的連接各5條。

（2）啟動15個仿真SCADA從站，從站與TETRA無線專網之間通過無線連接，其中每個從站模擬15個終端設備。

（3）15個主站分別同時向15個從站的模擬終端設備發送200 000次查詢請求，從站在接收到主站查詢請求后，立即發送數據/狀態給主站。

（4）根據TETRA SCADA網關支持的傳輸承載協議，分別驗證了Modbus協議、DNP3協議以及兩種協議混合傳輸的場景。根據Modbus協議、常見主站查詢報文長度為8字節，設定返回報文長度為32字節。對于DNP3協議，查詢報文長度為16字節，從站返回報文長度為64字節。

4.6 分析總結

根據上述測試方案以及場景的設計驗證，分別對基于Modbus和DNP3的協議傳輸的統計數據進行了統計匯總，如表3、表4所示：

表3 基于Modbus協議傳輸統計數據

表4 基于DNP3協議傳輸統計數據

對上述測試的統計數據進行分析可以總結得出，在基于TETRA無線專網的SCADA通信系統上，系統數據通信一直保持在持續穩定的狀態，沒有出現報文丟失的情況，即可靠性比較強，并且各主站實時數據更新及時準確，響應非常快。

5 結束語

SCADA系統作為一種自動化監控系統，在各領域都有相當廣泛的應用。隨著智慧工廠和智慧城市建設大力推進，以及IoT物聯網的迅速發展，基于SCADA的信息平臺應用前景將會更加廣闊，同時這也對SCADA系統的通信穩定性和安全性提出了更高的要求。

本文對海能達基于TETRA無線專網的SCADA通信系統進行了簡單的闡述和分析，針對該通信系統專門設計了相關應用場景驗證。驗證結果能充分表明TETRA無線專網通信安全性高、可靠性高等優點，該通信方案完全能夠滿足SCADA系統的通信需求，并且還可以無縫升級替換現有SCADA系統的通信網絡。因此該方案能最大程度地保護客戶現有產品投資，在無需對主站、終端設備及相應的應用程序進行任何修改的基礎上，即能滿足客戶的更高需求。

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[10] 侯建峰. 電力系統電氣自動化技術探討[J]. 科技創新與應用, 2012(25): 164. ★

徐超：高級工程師，學士，現任海能達通信股份有限公司TETRA系統軟件工程師，長期從事軟件研發與測試工作，負責TETRA系統軟件自動化研發等。

李俊：工程師，學士，現任海能達通信股份有限公司TETRA系統軟件工程師，負責TETRA系統的自動化工具研發工作。

賈迪非：工程師，碩士，現任海能達通信股份有限公司TETRA系統軟件工程師，負責TETRA系統的自動化工具研發工作。

Research on SCADA Communication System Based on TETRA and its Test Scheme

XU Chao, LI Jun, JIA Difei
(Hytera Communications Co., Ltd., Shenzhen 518057, China)

SCADA system is the most widely-applied system in the industry control field. In order to adapt to the requirements of expandability, system stability and security due to the gradually expanded industry scale, a SCADA system scheme based on TETRA was proposed in this paper. Inheriting the good performance of TETRA communication system, the proposed system can meet all the requirements of SCADA industry. A testing scheme was investigated and presented, as well as the simulation software was designed and developed. The testing analysis on the communication system validates the reliability of the SCADA communication system based on TETRA.

TETRA SCADA gateway Modbus DNP3 test scheme

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.002

TN915.81

A

1006-1010(2017)15-0007-06

徐超,李俊,賈迪非. 基于TETRA的SCADA通信系統及其測試方案研究[J]. 移動通信, 2017,41(15): 7-12.

2017-07-26

責任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn