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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(kāi)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(kāi)。天然氣作為清潔能源,，目前國(guó)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),，在自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)上必須有相應(yīng)的選擇。針對(duì)天然氣生產(chǎn)領(lǐng)域地域廣,、節(jié)點(diǎn)分散的特點(diǎn),，采用SCADA系統(tǒng)是*,。SCADA系統(tǒng)是近些年來(lái)，針對(duì)分布式應(yīng)用而逐漸發(fā)展起來(lái)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(gè)甚至成百上千個(gè),，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(diǎn)建立可靠的通訊聯(lián)系,，同時(shí)建立高速的通訊鏈路,。這里的高速并不是指速度，因?yàn)橥ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)千差萬(wàn)別,，有線與無(wú)線,，光纖與數(shù)傳電臺(tái)，PSTN與CDMA,，都有可能在一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)使用,，甚至一個(gè)數(shù)據(jù)包要經(jīng)過(guò)幾種通訊網(wǎng)絡(luò)的傳輸才能到達(dá)。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(shí)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(duì)于普通的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，影響是極大的,，無(wú)論是數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性以及連續(xù)性都是難以得到保障,。尤其對(duì)于連續(xù)性,，它是SCADA系統(tǒng)對(duì)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(dòng)緩存,，當(dāng)通訊恢復(fù)時(shí)，這些緩存的數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)傳至數(shù)據(jù)庫(kù),，使數(shù)據(jù)庫(kù)的所有數(shù)據(jù)始終保持一定的時(shí)間連續(xù)性,。這種需求有時(shí)也稱作存儲(chǔ)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(duì)獨(dú)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(jì)量間,、閥室等則是實(shí)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(cè)系統(tǒng)等生產(chǎn)輔助系統(tǒng),。

在早期的油氣項(xiàng)目中，SCADA系統(tǒng)實(shí)際上只包含處理廠外的RTU,、PLC等,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和慢速通訊的方式為主,，以單節(jié)點(diǎn)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(jìn),，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(gè)平臺(tái),，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(jì)與實(shí)現(xiàn)要充分的考慮到這些實(shí)際的需求,，以適應(yīng)多種需求,。

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

本項(xiàng)目采用的是西門(mén)子PCS7 TELECONROL SCADA解決方案。結(jié)構(gòu)圖如下,。這是一種過(guò)程控制應(yīng)用和SCADA應(yīng)用混合應(yīng)用的平臺(tái),。過(guò)程控制應(yīng)用主要針對(duì)地域上相對(duì)集中的自動(dòng)化裝置,，人機(jī)交互操作極為頻繁，實(shí)時(shí)性要求*,，以通訊網(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(diǎn)則相對(duì)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(shí)時(shí)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*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(kāi),，但邏輯上統(tǒng)一,。

 整個(gè)SCADA系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要考慮以下幾個(gè)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(xiàng)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(guò)程控制系統(tǒng)為核心,，無(wú)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(guò)程控制模式,。有人機(jī)交互極為頻繁，通訊可靠性*,，數(shù)據(jù)服務(wù)極穩(wěn)定,，將過(guò)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(diǎn),。而站外控制系統(tǒng)中的RTU或PLC,，以無(wú)人值守的運(yùn)行方式居多，人機(jī)交互相對(duì)較少,；即使在控制功能相對(duì)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(shí)，如關(guān)井,、放空等命令時(shí),，響應(yīng)要及時(shí)準(zhǔn)確。對(duì)于一般監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),，要保證數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性,。

因?yàn)檎緝?nèi)控制系統(tǒng)和站外控制系統(tǒng)的需求不同,，它們對(duì)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(shí)時(shí)性好,，無(wú)論上傳還是下發(fā),，除極個(gè)別要求較高的動(dòng)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(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(jí)別要高于上傳數(shù)據(jù)的指令級(jí)別,。總體而言,，站內(nèi)控制系統(tǒng)或者DCS系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求更高,，而站外控制系統(tǒng)相對(duì)一般。因此,，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求,，PCS7 TELECONTROL方案中對(duì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，無(wú)需經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)層,，這樣大大提高了數(shù)據(jù)訪問(wèn)的實(shí)時(shí)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(jī),，將站外所有需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,。

如果將這兩種數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)集中到一套數(shù)據(jù)服務(wù)器上,，DCS數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)必然會(huì)受到影響。因?yàn)檎就鈹?shù)據(jù)訪問(wèn)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(wú)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(wèn)效率會(huì)大大降低,。其次,，站內(nèi)控制系統(tǒng)是整個(gè)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(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，而穩(wěn)定性是氣田集輸自動(dòng)化項(xiàng)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(kāi),，邏輯上又可以通過(guò)CAS或PROCESS HISTORIAN等軟件進(jìn)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*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(gè)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(xiǎn)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(xiàng)目采用了冗余和分布式的模式，即每個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器都是冗余配置,，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)的不同特點(diǎn),，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(duì)通訊效率的同時(shí),，分散相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù),。

對(duì)于第三種措施，即高穩(wěn)定性的服務(wù)器,，從性價(jià)比的角度考慮本項(xiàng)目沒(méi)有采用,。這是一種成本*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(gè)原件都是冗余的,，并且可以實(shí)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(kù)。一般的SCADA應(yīng)用中都包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)（數(shù)據(jù)庫(kù)）和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)（數(shù)據(jù)庫(kù)）兩種,。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要特性就是實(shí)時(shí)性,，包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和事務(wù)實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性是現(xiàn)場(chǎng)IO數(shù)據(jù)的更新周期,。一般數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性主要受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的制約,，即控制器設(shè)備的通訊能力。事務(wù)實(shí)時(shí)性是指對(duì)事務(wù)處理的速度,，它可以是事件觸發(fā)方式或定時(shí)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(shí)觸發(fā)是在一定時(shí)間范圍內(nèi)獲得調(diào)度權(quán)。一般的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性而言,，必須同時(shí)提供兩種調(diào)度方式。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)一般以文件的形式保存。

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)一般是商用數(shù)據(jù)庫(kù),，如oracle,、SQL Server等，PCS7 TELECONTROL采用的是SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù),。歷史數(shù)據(jù)服務(wù)最主要的功能是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)采集到的大量的數(shù)據(jù),，通過(guò)特殊的壓縮算法，持久化到商用數(shù)據(jù)庫(kù)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(shì)以及報(bào)表服務(wù)中的數(shù)據(jù)均來(lái)自歷史數(shù)據(jù)庫(kù)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(bào)警信息,、操作記錄等,。

本項(xiàng)目中,，無(wú)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(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù),。除了站內(nèi)的多個(gè)控制系統(tǒng)間可以便捷的進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)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(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。從系統(tǒng)管理的角度出發(fā),，也必然要求一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù),，以便于將站內(nèi)系統(tǒng)和站外系統(tǒng)有機(jī)的融合到一起。

在PCS7 TELECONTROL解決方案中,，最多可支持11對(duì)(套)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)集中保存,。本項(xiàng)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(pán)陣列中進(jìn)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(pán)陣列來(lái)保存數(shù)據(jù)主要有以下優(yōu)勢(shì)：

• 它是、高可用性共享存儲(chǔ)解決方案,，可以連接多臺(tái)服務(wù)器,，在混合虛擬化工作負(fù)載中實(shí)現(xiàn)均衡的性能。
• 可滿足高性能的應(yīng)用要求,。
• 實(shí)現(xiàn)更高的管理效率,。
• 部署可擴(kuò)展性和靈活性，有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分層,，優(yōu)化系統(tǒng)性能,。
• 多種數(shù)據(jù)保護(hù)能力。
• 在線擴(kuò)展功能。
• 支持多種RAID 級(jí)別,。
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3,、編程方式；

無(wú)論是DCS系統(tǒng)還是SCADA系統(tǒng),，編程方式時(shí)*一樣的,。都采用同一個(gè)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(mén)子的基于MAR尋址方式的容錯(cuò)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(gè)網(wǎng)絡(luò)之上,，可以采用DNP,60870,，MODBUS-TCP等開(kāi)放的通訊協(xié)議，與非西門(mén)子產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,。從前端表現(xiàn)形式來(lái)講,，則是*統(tǒng)一的，即DCS和SCADA的操作方式,、報(bào)警形式,、界面風(fēng)格等幾乎*一樣。

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  SCADA系統(tǒng)的功能
  1. 對(duì)包括處理廠在內(nèi)的整個(gè)氣田各站場(chǎng)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(guò)TELECONTROL提供的高效率的通訊協(xié)議軟件,，與現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn),；
  2. 對(duì)包括處理廠在內(nèi)的整個(gè)氣田各站場(chǎng)的工藝流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)顯示各種工藝參數(shù),、設(shè)備狀態(tài),、報(bào)警信息等；
  3. 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(guò)程控制的模式,，實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)裝置設(shè)備可靠操作。
  4. 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(gè)節(jié)點(diǎn)上,，因此遠(yuǎn)程操作是SCADA系統(tǒng)的重要功能。采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)程序,，控制命令可即時(shí)下發(fā),，命令下發(fā)的實(shí)時(shí)性得到程度的保證,；另外，在通訊中斷時(shí)下發(fā)的命令,，不會(huì)在通訊恢復(fù)的時(shí)候生效,，可保證操作的安全。
  5. 報(bào)警和報(bào)警處理,。采用狀態(tài)閃爍顯示,、音響、顏色變換多種形式進(jìn)行故障報(bào)警,，同時(shí)顯示發(fā)生故障的名稱,、等級(jí)、位置,、時(shí)間和報(bào)警事件的處理或應(yīng)答情況,；
  6. 集中的數(shù)據(jù)平臺(tái)。無(wú)論是站內(nèi)數(shù)據(jù)還是站外數(shù)據(jù),，均集中到同一個(gè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中,，但是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)各種工作，互不影響,。單機(jī)或單系統(tǒng)的服務(wù)失效不會(huì)影響到整個(gè)SCADA系統(tǒng)的運(yùn)行,。
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  SCADA系統(tǒng)的作用

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

1. 1. 1. 1. 1. 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。
            2. 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。
            3. 冗余結(jié)構(gòu)的安全防護(hù)措施,、多種形式的故障報(bào)警,、遠(yuǎn)程控制功能為氣田安全生產(chǎn)提供了有力保障。
            4. 完整的數(shù)據(jù)采集與歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ),，為生產(chǎn)過(guò)程分析,、事故追憶、落實(shí)崗位責(zé)任,、提高生產(chǎn)管理水平提供了數(shù)據(jù)依據(jù),。
            5. 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(yíng)效益,。