冗余EtherNet/IP轉DNP3.0網關方案
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背景
在管道SCADA系統中，調度中心的通信協議采用DNP3.0作為全生產SCADA系統的通信協議，現場站場采用AB PLC的是Ethernet/IP協議作為現場通信協議。基于現場與徐州調度中心間不同的通信協議，需要在各現場對通信協議進行轉換，這就需要在每個現場布置協議轉換網關。而協議轉換網關作為調度中心與現場的連接節點，其長期穩定運行就凸顯重要。
臨濮線SCADA系統的協議網關采用的是PROLINX網關。該網關為單網結構，數據轉發最大為500個數據點。其最大的兩個缺點：一是數據轉發量太小，大點的現場需要配置多個網關；二是單網結構，無法實現可靠的網絡冗余。雖然在工程中做了多種嘗試，但依然無法實現可靠的冗余功能，當前在應用中經常出現連接中斷現象。
基于解決DNP網關完全冗余，實現SCADA系統的安全穩定運行的考慮，上海藍昱電子科技有限公司長期跟蹤國內外相關技術及產品。在為國內多家電力系統廠商定制控制器及各種協議網關的基礎上，定制開發出了冗余的Ethernet/IP轉DNP3.0協議網關并進行了長時間的實驗室測試，使其完全滿足DNP網關的完全冗余及大數據量要求，易用性及長期穩定運行也得到驗證。
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冗余DNP協議網關
該網關由兩個帶冗余硬件的模塊XGW-5002-DNP-EIP成對構成，保證模塊的高可用性。該模塊提供兩個網段的網絡接口（RJ45），每個網口Modbus TCP(Client,Server)、DNP3.0(Server)、EtherNet/IP(Server)、IEC104(Server)等協議。雙路獨立電源,LCD顯示，內置冗余功能，工業環境溫度，支持高達20000個字的實時數據庫。其模塊見下圖。
模塊實物
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兩個模塊通過網口進行冗余心跳監測，其內置的冗余功能根據兩個網口的心跳信息實現兩個模塊的互為冗余。在冗余狀態下，主控制器的內部實時數據全部同步到備用模塊數據庫中，實現兩個模塊數據的完全同步冗余。與PLC的通信，通過PLC對A、B網絡的通信狀態，由邏輯實現A網段和B網段的冗余切換，網關模塊給調度中心提供與PLC的通信狀態監測點。通過PLC邏輯的寫數據的回寫功能，以此實現在站控或中控時的數據同步和無擾動切換。具有Comm IP功能，無論兩個模塊如何切換，調度中心均能通過唯一IP與主控制器建立通信。內部功能見下圖示意：
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? 從上圖可以看到，冗余DNP協議網關通過與PLC建立冗余通信，兩模塊的硬件及實時數據庫冗余，并在兩個網段的網口上建立DNP協議監聽端口，實現DNP協議的冗余通信。
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實驗室測試方案及功能測試結果
1、??????? 測試環境搭建
在上海藍昱試驗室搭建了以下圖示的試驗環境，為了貼近現場實際應用，特別搭建了與現場一致的網絡環境。
用兩個XGW-5002-DNP-EIP模塊，配置成冗余系統。網絡配置為DNPA的兩個網絡配置成192.168.1.21及192.168.2.21，DNPB的兩個網絡配置成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，其中兩個模塊的冗余心跳監測網口為192.168.1.0網段192.168.２.0網段，任何一個網段故障均不影響系統運行。
從ＡＢ PLC產品代理公司借用一套冗余的control logix 5550 PLC，建立目標PLC通信系統。PLC的兩個網絡配置為192.168.1.13及192.168.2.13。
在SUN T5120服務器上安裝Solaris 10操作系統，兩個網絡配置為172.20.1.12及172.20.2.12，安裝FOXBORO公司的iaSCADA V9 DEMO版本的SCADA軟件，模擬調度中心SCADA環境。
采用思科1811路由器及3560交換機搭建網絡環境，模擬調度中心、站控及廣域網網絡環境。
在搭建好的測試環境中，利用XGW網關的工具軟件ICC-Studio配置好冗余網關系統配置，并下載到兩個網關模塊中。利用ＰＬＣ編程軟件，建立PLC的實驗配置，并下載到PLC中，同時利用該軟件進行在線監視。利用安裝好的iaSCADA軟件，建立試驗測試所需要的通道及數據點配置。由此，開始功能測試。
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2、??????? 功能測試項目及結果
根據上述的測試環境，對下列功能項目進行了反復測試和驗證，同時進行了長達1周的穩定性測試，在獲得的試驗數據的基礎上，分析得出以下結果：
序號 | 測試項目 | 測試結果 |
一 | DNP網關本身冗余性能測試 | |
1 | DNPA控制器斷電 | 自動切換到DNPB為主控 |
2 | DNPB控制器斷電 | 自動切換到DNPA為主控 |
3 | 拔除DNPA控制器第一（二）網口網線 | 自動切換到DNPB為主控 |
4 | 拔除DNPB控制器第一（二）網口網線 | 自動切換到DNPA為主控 |
5 | CommIP:DNPA為主控制器時 | CommIP綁定在DNPA上 |
6 | CommIP:DNPB為主控制器時 | CommIP綁定在DNPB上 |
7 | LED狀態指示 | 主控制器Ａ燈綠閃，備控制器Ｂ燈黃閃 |
8 | 實時數據庫同步 | 兩個控制器的ＹＮＣ同步燈綠閃 |
二 | DNP網關與PLC通信 | |
1 | DNPA為主控時斷開PLC A網段 | 與PLC通信自動切換到B網段 |
2 | DNPA為主控時斷開PLC B網段 | 與PLC通信自動切換到A網段 |
3 | DNPB為主控時斷開PLC A網段 | 與PLC通信自動切換到B網段 |
4 | DNPB為主控時斷開PLC B網段 | 與PLC通信自動切換到A網段 |
5 | PLC重新上電時 | 自動建立連接，與PLC數據自動同步 |
6 | DNP網關兩模塊同時掉電后恢復 | PLC能自動建立與主控制器連接，并同步所有數據到控制器實時數據庫中 |
7 | 站控、中心控制狀態切換時 | 站控狀態下自動從PLC中同步數據 |
8 | DNP網關與PLC通信鏈路 | 只有主控網關與PLC建立唯一通道 |
三 | DNP網關與iaSCADA通信 | |
1 | DNPA為主控時斷開路由器 A網段 | iaSCADA能正常刷新PLC數據及控制 |
2 | DNPA為主控時斷開路由器 B網段 | iaSCADA能正常刷新PLC數據及控制 |
3 | DNPB為主控時斷開路由器 A網段 | iaSCADA能正常刷新PLC數據及控制 |
4 | DNPB為主控時斷開路由器 B網段 | iaSCADA能正常刷新PLC數據及控制 |
5 | DNPA與DNPB主備切換 | iaSCADA能正常刷新PLC數據及控制 |
6 | 當iaSCADA連接DNP網關A網段時，斷開PLC的A網段 | iaSCADA能正常刷新PLC數據及控制 |
7 | 當iaSCADA連接DNP網關B網段時，斷開PLC的B網段 | iaSCADA能正常刷新PLC數據及控制 |
8 | 斷開T5120 A網段 | iaSCADA能正常刷新PLC數據及控制 |
9 | 斷開T5120 B網段 | iaSCADA能正常刷新PLC數據及控制 |
10 | 當DNPA主控時掉電 | iaSCADA能正常通過A\B網段通信DNPB |
11 | 當DNPB主控時掉電 | iaSCADA能正常通過A\B網段通信DNPA |
3、??????? 主要性能比較
根據測試結果，與現有在現場應用的Prolinx網關比較，有如下特點：
a.? 該DNP協議網關與PLC通信只需建立一個通信通道，當該通信通道發送通信失敗時，由ＰＬＣ通信控制邏輯自動切換到另外一個網段建立新連接，保證了數據的唯一性和減少PLC通信負擔。Prolinx是采用一個設備連接一個網段的方式，每個Prolinx均與PLC建立通信連接，大大增加了PLC負荷，同時兩個Prolinx的內部數據庫實際并不同步，數據不唯一。
b.? 該DNP網關在單網絡故障、本身單模塊故障及PLC單網卡故障等同時存在時，DNP網關依然能夠通過其完備的冗余性能保證中心與PLC的通信；Prolinx網關由于一個網段連一個Prolinx的方式進行冗余，當存在兩點以上多點故障時，中心即與PLC失去通信；當iaSCADA通過A網段與SCD5200通信，單PLC的A網卡存在故障時，該類型的單點故障也使中心與PLC失去通信，失去冗余功能。
c.? 該DNP網關配置非常簡單，通過簡單添加通信參數，數據塊的大小，設置掃描和寫地址區域就可完成配置，冗余功能通過簡單的選擇即可完成；有狀態指示LED和友好的遠程下載監視工具，方便日常巡視和系統集中維護。Prolinx配置口獨立于網絡，無法遠程進行配置修改于遠程監視，組態及維護工作比較復雜。
d.? 該DNP網關同時支持Ethernet/IP和Modbus TCP協議，可以實現協議網關的備件統一。
e.? 該ＤＮＰ網關的事件緩沖區可以放大設置，當數據變化頻繁時，不會出現事件緩沖溢出的問題。Prolinx網關事件緩沖區固定，目前現場應用經常出現事件緩沖溢出，造成SCADA服務器經常數據缺失和通信中斷現象。
