關(guān)于SCADA系統(tǒng)

　　塔里木油田是“西氣東輸”重要的氣源地。自2000左右年開始，與“西氣東輸”相關(guān)的油氣田地面建設(shè)工程在塔里木油田全面展開。天然氣作為清潔能源，目前國內(nèi)需求量顯著增加，呈現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。保證安全穩(wěn)定的能源供應(yīng)是油氣生產(chǎn)的最高目標(biāo)。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，在自動化生產(chǎn)技術(shù)上必須有相應(yīng)的選擇。針對天然氣生產(chǎn)領(lǐng)域地域廣、節(jié)點分散的特點，采用SCADA系統(tǒng)是不二的選擇。SCADA系統(tǒng)是近些年來，針對分布式應(yīng)用而逐漸發(fā)展起來的控制系統(tǒng)，它與一般的控制系統(tǒng)有著明顯的不同。

　　首先，SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源往往是數(shù)十個甚至成百上千個，與這些數(shù)據(jù)源高效通訊是SCADA系統(tǒng)最基本也是最重要的功能。所謂高效，是指SCADA系統(tǒng)能夠與所有的節(jié)點建立可靠的通訊聯(lián)系，同時建立高速的通訊鏈路。這里的高速并不是指絕對速度，因為通訊網(wǎng)絡(luò)千差萬別，有線與無線，光纖與數(shù)傳電臺，PSTN與CDMA，都有可能在一個通訊網(wǎng)絡(luò)中同時使用，甚至一個數(shù)據(jù)包要經(jīng)過幾種通訊網(wǎng)絡(luò)的傳輸才能到達。SCADA系統(tǒng)具有將這些通訊網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的功能，使數(shù)據(jù)包能夠在最短的時間內(nèi)傳輸?shù)侥康牡亍?/p>

　　其次，SCADA系統(tǒng)數(shù)量眾多的數(shù)據(jù)源在地域上是分散的，這種分散，往往是十幾公里，上百公里甚至上千公里。這種地域上的分散對于普通的控制系統(tǒng)來說，影響是極大的，無論是數(shù)據(jù)的實時性、可靠性以及連續(xù)性都是難以得到保障。尤其對于連續(xù)性，它是SCADA系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的一種特殊要求，即在通訊中斷的情況下，數(shù)據(jù)能夠自動緩存，當(dāng)通訊恢復(fù)時，這些緩存的數(shù)據(jù)自動補傳至數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)庫的所有數(shù)據(jù)始終保持一定的時間連續(xù)性。這種需求有時也稱作存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能。

　　內(nèi)部集輸包括天然氣處理與集輸兩大基本功能。天然氣處理集中在處理廠內(nèi)，相對獨立，常用的控制系統(tǒng)包括DCS、SIS、FGS、PLC或ITCC，以及CCTV等生產(chǎn)輔助系統(tǒng)；處理廠外的單井站、集氣站、計量間、閥室等則是實現(xiàn)集輸功能的重要組成單元，常用的控制系統(tǒng)包括RTU、PLC、SIS，以及氣體檢漏系統(tǒng)、防腐檢測系統(tǒng)等生產(chǎn)輔助系統(tǒng)。

　　在早期的油氣項目中，SCADA系統(tǒng)實際上只包含處理廠外的RTU、PLC等，結(jié)構(gòu)簡單，以點對點結(jié)構(gòu)和慢速通訊的方式為主，以單節(jié)點的少量數(shù)據(jù)為主。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，SCADA系統(tǒng)的定義有了廣泛的外延，尤其是通訊技術(shù)的突飛猛進，使得廣泛的快速通訊成為可能，因此，一切與生產(chǎn)相關(guān)的系統(tǒng)都可能被納入到SCADA系統(tǒng)中，除了一般的控制系統(tǒng)外，包括地理信息系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)、防腐檢漏系統(tǒng)等等；除此之外，隨著數(shù)字化油田等信息化應(yīng)用的需求，SCADA系統(tǒng)還成為生產(chǎn)數(shù)據(jù)大集中的一個平臺，承擔(dān)為信息化應(yīng)用提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)的重要職能。因此，目前的SCADA系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)要充分的考慮到這些實際的需求，以適應(yīng)多種需求。

　　基于PCS7 TELECONTROL的SCADA系統(tǒng)構(gòu)成

　　本項目采用的是西門子PCS7 TELECONROL SCADA解決方案。結(jié)構(gòu)圖如下。這是一種過程控制應(yīng)用和SCADA應(yīng)用混合應(yīng)用的平臺。過程控制應(yīng)用主要針對地域上相對集中的自動化裝置，人機交互操作極為頻繁，實時性要求極高，以專用通訊網(wǎng)絡(luò)組成的局域網(wǎng)為主；而SCADA應(yīng)用中的數(shù)據(jù)節(jié)點則相對分散，大多廣泛分布于幅員遼闊的地理區(qū)域內(nèi)，交互操作不頻繁，但是控制命令的實時性響應(yīng)要求較高，一般生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整性要求較高，以專用通訊網(wǎng)絡(luò)或通用網(wǎng)絡(luò)組成的廣域網(wǎng)為主。PCS7 TELECONTROL方案則是完全兼顧局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)應(yīng)用的解決方案，將這兩類應(yīng)用物理上分開，但邏輯上統(tǒng)一。

　　整個SCADA系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上主要考慮以下幾個方面：

　　1、站內(nèi)數(shù)據(jù)與站外數(shù)據(jù)的物理分隔；

　　在油氣集輸項目中，站內(nèi)控制系統(tǒng)與站外控制系統(tǒng)在控制需求上是有著本質(zhì)區(qū)別的。站內(nèi)控制系統(tǒng)以DCS系統(tǒng)等過程控制系統(tǒng)為核心，無論是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)配置、操控模式等，都屬于標(biāo)準(zhǔn)的過程控制模式。有人機交互極為頻繁，通訊可靠性極高，數(shù)據(jù)服務(wù)極穩(wěn)定，將過程儀器儀表高度抽象化，以工藝單元為監(jiān)控目標(biāo)等特點。而站外控制系統(tǒng)中的RTU或PLC，以無人值守的運行方式居多，人機交互相對較少；即使在控制功能相對較多的集氣站單元，一般也以“自治”模式為主，較少需要操作員干預(yù)。但是在緊急情況下，需要人工緊急干預(yù)時，如關(guān)井、放空等命令時，響應(yīng)要及時準(zhǔn)確。對于一般監(jiān)控數(shù)據(jù)，要保證數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。

　　因為站內(nèi)控制系統(tǒng)和站外控制系統(tǒng)的需求不同，它們對數(shù)據(jù)的處理上就有不同。站內(nèi)控制系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)實時性好，無論上傳還是下發(fā)，除極個別要求較高的動作指令外，一般都是采用同一周期數(shù)據(jù)更新頻率；而站外控制系統(tǒng)相對數(shù)據(jù)實時性要求一般，下發(fā)數(shù)據(jù)和上傳數(shù)據(jù)采用不同的數(shù)據(jù)更新頻率，下發(fā)數(shù)據(jù)的指令級別要高于上傳數(shù)據(jù)的指令級別。總體而言，站內(nèi)控制系統(tǒng)或者DCS系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實時性要求更高，而站外控制系統(tǒng)相對一般。因此，為了實現(xiàn)這個要求，PCS7 TELECONTROL方案中對于站內(nèi)控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的PCS7解決方案，采用冗余快速工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，以MAC地址尋址的模式，即在數(shù)據(jù)鏈路層就實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，無需經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層，這樣大大提高了數(shù)據(jù)訪問的實時性。站外控制系統(tǒng)，則采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)模式，利用支持路由功能的三層工業(yè)以太網(wǎng)交換機，將站外所有需要進行數(shù)據(jù)通訊的節(jié)點連接起來，以進行數(shù)據(jù)通訊。

　　如果將這兩種數(shù)據(jù)訪問服務(wù)集中到一套數(shù)據(jù)服務(wù)器上，DCS數(shù)據(jù)訪問服務(wù)必然會受到影響。因為站外數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的周期要遠(yuǎn)大于站內(nèi)DCS數(shù)據(jù)服務(wù)周期，隨著站外控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的增加，數(shù)據(jù)服務(wù)器本身無法區(qū)分站內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)和站外數(shù)據(jù)服務(wù)，因此整體數(shù)據(jù)訪問效率會大大降低。其次，站內(nèi)控制系統(tǒng)是整個SCADA系統(tǒng)的核心，而這種基于C/S結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)服務(wù)器的穩(wěn)定性直接決定整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而穩(wěn)定性是氣田集輸自動化項目最基本也是最高的要求。PCS7 TELECONTROL可以物理上將這兩種應(yīng)用分隔開，邏輯上又可以通過CAS或PROCESS HISTORIAN等軟件進行數(shù)據(jù)的集中管理。

　　冗余結(jié)構(gòu)是提高穩(wěn)定性的最直接也是最有效的手段。其次，可以采用將不同的數(shù)據(jù)服務(wù)分散到多個或者分布式的數(shù)據(jù)服務(wù)器中的模式，將數(shù)據(jù)風(fēng)險分散。再次，就是提高數(shù)據(jù)服務(wù)器本身的可靠性。這三種方案都能夠有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本項目采用了冗余和分布式的模式，即每個數(shù)據(jù)服務(wù)器都是冗余配置，同時根據(jù)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的不同特點，將站內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)和站外數(shù)據(jù)服務(wù)分別部署到兩套不同的數(shù)據(jù)服務(wù)器中，在提高單數(shù)據(jù)服務(wù)器對通訊效率的同時，分散相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)。

　　對于第三種措施，即高穩(wěn)定性的服務(wù)器，從性價比的角度考慮本項目沒有采用。這是一種成本極高的解決方案，也是一種真正的冗余的服務(wù)器。服務(wù)器中的任何一個原件都是冗余的，并且可以實現(xiàn)內(nèi)存的同步。

　　2、站內(nèi)數(shù)據(jù)與站外數(shù)據(jù)的邏輯統(tǒng)一；

　　SCADA系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)庫。一般的SCADA應(yīng)用中都包含實時數(shù)據(jù)服務(wù)（數(shù)據(jù)庫）和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)（數(shù)據(jù)庫）兩種。

　　實時數(shù)據(jù)庫的重要特性就是實時性，包括數(shù)據(jù)實時性和事務(wù)實時性。數(shù)據(jù)實時性是現(xiàn)場IO數(shù)據(jù)的更新周期。一般數(shù)據(jù)的實時性主要受現(xiàn)場設(shè)備的制約，即控制器設(shè)備的通訊能力。事務(wù)實時性是指對事務(wù)處理的速度，它可以是事件觸發(fā)方式或定時觸發(fā)方式。事件觸發(fā)是該事件一旦發(fā)生可以立刻獲得響應(yīng)，這類事件可以得到立即處理，但比較消耗系統(tǒng)資源；而定時觸發(fā)是在一定時間范圍內(nèi)獲得調(diào)度權(quán)。一般的實時數(shù)據(jù)庫，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性而言，必須同時提供兩種調(diào)度方式。實時數(shù)據(jù)庫一般以文件的形式保存。

　　歷史數(shù)據(jù)庫一般是商用數(shù)據(jù)庫，如oracle、SQL Server等，PCS7 TELECONTROL采用的是SQL Server數(shù)據(jù)庫。歷史數(shù)據(jù)服務(wù)最主要的功能是將實時數(shù)據(jù)庫采集到的大量的數(shù)據(jù)，通過特殊的壓縮算法，持久化到商用數(shù)據(jù)庫中，以便可靠保存。即利用較少的物理空間保存大量的數(shù)據(jù)信息。歷史趨勢以及報表服務(wù)中的數(shù)據(jù)均來自歷史數(shù)據(jù)庫中。在TELECONTROL解決方案中，除了生產(chǎn)數(shù)據(jù)外，任何可采集的信息都能夠做歷史數(shù)據(jù)保存，如報警信息、操作記錄等。

　　本項目中，無論站外控制系統(tǒng)和站內(nèi)控制系統(tǒng)如何劃分，都需要一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)。除了站內(nèi)的多個控制系統(tǒng)間可以便捷的進行數(shù)據(jù)訪問外，站外系統(tǒng)之間以及站外系統(tǒng)和站內(nèi)系統(tǒng)間也需要能夠進行數(shù)據(jù)訪問。從系統(tǒng)管理的角度出發(fā)，也必然要求一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，以便于將站內(nèi)系統(tǒng)和站外系統(tǒng)有機的融合到一起。

　　在PCS7 TELECONTROL解決方案中，最多可支持11對(套)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)集中保存。本項目中，將兩套數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)集中到一套磁盤陣列中進行數(shù)據(jù)持久化保存。區(qū)別于傳統(tǒng)硬件技術(shù)，采用磁盤陣列來保存數(shù)據(jù)主要有以下優(yōu)勢：

　　•   它是專用、高可用性共享存儲解決方案，可以連接多臺服務(wù)器，在混合虛擬化工作負(fù)載中實現(xiàn)均衡的性能。

　　•   可滿足高性能的應(yīng)用要求。

　　•   實現(xiàn)更高的管理效率。

　　•   部署可擴展性和靈活性，有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)分層，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

　　•   多種數(shù)據(jù)保護能力。

　　•   在線擴展功能。

　　•   支持多種RAID 級別。

　　3、編程方式；

　　無論是DCS系統(tǒng)還是SCADA系統(tǒng)，編程方式時完全一樣的。都采用同一個PCS7的編程環(huán)境，同一種編程方法，同一種面板，同一種數(shù)據(jù)管理模式。主要的不同在于，DCS采用西門子專用的基于MAR尋址方式的容錯連接，而SCADA應(yīng)用則采用普通的基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)連接，在這個網(wǎng)絡(luò)之上，可以采用DNP,60870，MODBUS-TCP等開放的通訊協(xié)議，與非西門子產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)交換。從前端表現(xiàn)形式來講，則是完全統(tǒng)一的，即DCS和SCADA的操作方式、報警形式、界面風(fēng)格等幾乎完全一樣。

　　SCADA系統(tǒng)的功能

　　•    對包括處理廠在內(nèi)的整個氣田各站場裝置設(shè)備完整的數(shù)據(jù)采集；這是SCADA系統(tǒng)最基本的功能，也是最重要的功能。通過TELECONTROL提供的高效率的通訊協(xié)議軟件，與現(xiàn)場各種設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)訪問；

　　•    對包括處理廠在內(nèi)的整個氣田各站場的工藝流程進行動態(tài)顯示，同時顯示各種工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、報警信息等；

　　•    站內(nèi)裝置設(shè)備的可靠操作。站內(nèi)系統(tǒng)還是采用傳統(tǒng)的過程控制的模式，實現(xiàn)對站內(nèi)裝置設(shè)備可靠操作。

　　•    站外裝置設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。各裝置設(shè)備都位于通訊網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點上，因此遠(yuǎn)程操作是SCADA系統(tǒng)的重要功能。采用經(jīng)過優(yōu)化驅(qū)動程序，控制命令可即時下發(fā)，命令下發(fā)的實時性得到最大程度的保證；另外，在通訊中斷時下發(fā)的命令，不會在通訊恢復(fù)的時候生效，可保證操作的安全。

　　•    報警和報警處理。采用狀態(tài)閃爍顯示、音響、顏色變換多種形式進行故障報警，同時顯示發(fā)生故障的名稱、等級、位置、時間和報警事件的處理或應(yīng)答情況；

　　•    集中的數(shù)據(jù)平臺。無論是站內(nèi)數(shù)據(jù)還是站外數(shù)據(jù)，均集中到同一個歷史數(shù)據(jù)庫中，但是實時數(shù)據(jù)服務(wù)各種工作，互不影響。單機或單系統(tǒng)的服務(wù)失效不會影響到整個SCADA系統(tǒng)的運行。

　　SCADA系統(tǒng)的作用

　　SCADA系統(tǒng)目前越來越廣泛，它對生產(chǎn)管理所起了重要的作用：

　　•    為氣田安全生產(chǎn)、集中管理、統(tǒng)一調(diào)度指揮提供了完整的數(shù)據(jù)支持和設(shè)備條件。

　　•    為優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率提供了數(shù)據(jù)及技術(shù)支持。

　　•    冗余結(jié)構(gòu)的安全防護措施、多種形式的故障報警、遠(yuǎn)程控制功能為氣田安全生產(chǎn)提供了有力保障。

　　•    完整的數(shù)據(jù)采集與歷史數(shù)據(jù)存儲，為生產(chǎn)過程分析、事故追憶、落實崗位責(zé)任、提高生產(chǎn)管理水平提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

　　•    完備的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能可以節(jié)省人力資源，降低生產(chǎn)成本，提高氣田的生產(chǎn)經(jīng)營效益。