淺談長(zhǎng)輸管道典型SCADA系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)比

李瑾

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026）

0 引言

SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），是以智能處理單元和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。但是，不同的SCADA系統(tǒng)廠商其結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式各不相同，適當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)對(duì)比不僅能夠加深對(duì)于SCADA系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，而且為選型提供了借鑒。

1 SCADA系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

SCADA系統(tǒng)是系列應(yīng)用軟件的組合，其主要功能是監(jiān)控長(zhǎng)輸管道沿線各站生產(chǎn)運(yùn)行情況及數(shù)據(jù)分析—包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢等[1]。

SCADA系統(tǒng)由站控系統(tǒng)和信息技術(shù)結(jié)合發(fā)展而來(lái)，可靈活選用光纖、GPRS或電臺(tái)等通信方式。此外，還可針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸所需帶寬，選擇最佳的通信傳輸方式[2]。由于，沿途各站需要達(dá)到集中控制的要求，一般設(shè)有兩個(gè)互不干擾的獨(dú)立物理網(wǎng)絡(luò)，保證了SCADA數(shù)據(jù)通信的冗余性。

已投運(yùn)的西氣東輸或者長(zhǎng)輸成品油管道SCADA系統(tǒng)，主要采用Honeywell或GE等國(guó)外產(chǎn)品[3]，其中各站控系統(tǒng)的PLC產(chǎn)品也以國(guó)外產(chǎn)品為主，如Siemens或AB等。

根據(jù)長(zhǎng)輸管道調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的來(lái)源是站控系統(tǒng)的控制器或站控系統(tǒng)的服務(wù)器來(lái)區(qū)分，典型SCADA系統(tǒng)分為集中式結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。

2 典型集中式結(jié)構(gòu)的SCADA系統(tǒng)

調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各個(gè)站控系統(tǒng)的控制器采集數(shù)據(jù)，同時(shí)具有自己獨(dú)立的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和磁盤(pán)陣列，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)備份等。但有時(shí)為了滿足各站控系統(tǒng)監(jiān)控的需要，避免出現(xiàn)緊急情況時(shí)，長(zhǎng)輸管道各站控系統(tǒng)也設(shè)分服務(wù)器。

各站控系統(tǒng)服務(wù)器從本站控系統(tǒng)控制器采集數(shù)據(jù)，擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)[4]。沿線各站控系統(tǒng)服務(wù)器分服務(wù)器和調(diào)度中心服務(wù)器不僅分別對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，而且對(duì)操作日志和處理記錄單獨(dú)進(jìn)行歸檔，從而實(shí)現(xiàn)了各站控系統(tǒng)與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)互為備用、相互備份的目的。集中式結(jié)構(gòu)的SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 集中式SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

集中式SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然效率高，但由于數(shù)據(jù)采集量大，負(fù)荷高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，如不及時(shí)清理過(guò)期數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致各站控系統(tǒng)和調(diào)度中心服務(wù)器處理速度下滑。由于一條長(zhǎng)輸管道的施工時(shí)間多有不同，不同管段選用的SCADA廠家也不同，為使沿線信息能夠統(tǒng)一集中顯示，調(diào)控中心必須選取集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]。不同管段的各站控系統(tǒng)需單獨(dú)設(shè)立服務(wù)器，統(tǒng)一上傳數(shù)據(jù)至調(diào)度中心總服務(wù)器[6]。目前，長(zhǎng)輸管道多采用這種集中式SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要調(diào)度中心服務(wù)器根據(jù)各站控系統(tǒng)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)一劃分。

3 典型分布式結(jié)構(gòu)的SCADA系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在集中式數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，雖然理論基礎(chǔ)已經(jīng)夯實(shí)，但少見(jiàn)成功的案例。分布式結(jié)構(gòu)的SCADA系統(tǒng)特點(diǎn)在于調(diào)度中心服務(wù)器對(duì)各站控系統(tǒng)分服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行不定時(shí)訪問(wèn)和信息互換，達(dá)到完整的分布式架構(gòu)。

報(bào)文處理與數(shù)據(jù)清洗可以靈活地使用任何語(yǔ)言編寫(xiě)，靈活地嵌入到系統(tǒng)，而不影響各站控系統(tǒng)的功能。

各站控系統(tǒng)分服務(wù)器響應(yīng)調(diào)度中心服務(wù)器的請(qǐng)求，不定時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務(wù)器，總服務(wù)器設(shè)置“過(guò)濾機(jī)制和門(mén)限坎”，只對(duì)重要數(shù)據(jù)，如外輸流量值、可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)值進(jìn)行處理和歸檔。各站控系統(tǒng)和調(diào)度中心服務(wù)器分別存儲(chǔ)操作記錄和處理日志[7]。分布式結(jié)構(gòu)的SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

圖2 分布式SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中，各站控服務(wù)器采集各自控制器獲得的數(shù)據(jù)，并承擔(dān)了數(shù)據(jù)入庫(kù)的任務(wù)，同時(shí)，只是將重要數(shù)據(jù)上傳中心服務(wù)器，極大的減輕了中心服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，不僅提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度，而且減少了系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的限制。實(shí)現(xiàn)了各站控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的交互共享、避免了各站控系統(tǒng)服務(wù)器和中心服務(wù)器的重疊，減少了各站控系統(tǒng)控制器的重疊響應(yīng)[8]。生產(chǎn)數(shù)據(jù)和敏感數(shù)據(jù)只有在發(fā)生變化，超越安全警戒線時(shí)，才會(huì)發(fā)送給調(diào)度中心服務(wù)器，沒(méi)有設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)部的輪詢應(yīng)答機(jī)制，也降低了對(duì)通信系統(tǒng)的要求。

4 集中式和分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比

集中式和分布式SCADA系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)比，如表1所示。

表1 集中式SCADA系統(tǒng)和分布式SCADA系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)比表

從表1可以看到，通過(guò)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相比，分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有自己的優(yōu)勢(shì)，并不是簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)庫(kù)拆解到沿線的各個(gè)站控系統(tǒng)，它在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、信息共享、控制器負(fù)載、數(shù)據(jù)冗余和安全性等方面含有深刻的內(nèi)容。不過(guò)，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于通信傳輸?shù)囊蟾撸敉ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)特殊情況，如數(shù)據(jù)擁塞和數(shù)據(jù)延遲時(shí)，能夠及時(shí)找到合適的路由或?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，必將在SCADA系統(tǒng)擴(kuò)展方面取得更大的發(fā)展。

5 SCADA系統(tǒng)可靠性分析

系統(tǒng)平均故障前時(shí)間（MTTF）、失效率λ(t)、可靠度R(t)、平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）和平均故障間隔時(shí)間（MTBF）是判斷SCADA系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。通過(guò)上述的指標(biāo)，可將圖1和圖2涉及的各個(gè)設(shè)備的可靠度分別進(jìn)行論證。

各站控系統(tǒng)的控制器均冗余配置，其可靠度為RC，站控系統(tǒng)單臺(tái)控制器計(jì)為Rc，站控系統(tǒng)服務(wù)器總體可靠度為RS，站控系統(tǒng)服務(wù)器計(jì)為Rs，調(diào)度中心服務(wù)器可靠度RZ，其中每臺(tái)服務(wù)器分別為[9]。

根據(jù)熱備冗余獨(dú)立可靠結(jié)構(gòu)理論，其站控系統(tǒng)冗余控制器的可靠度為

站控系統(tǒng)運(yùn)行期間控制器的失效率λ(t)=λ，單個(gè)控制器的可靠度可用以下分布函數(shù)表示：

串聯(lián)系統(tǒng)的平均故障前時(shí)間為：

所以對(duì)MTTFs積分，可得

服務(wù)器冗余并聯(lián)系統(tǒng)（2個(gè)）的平均故障前時(shí)間為：

對(duì)MTTFS積分，λ1=λ2=λ可得：

根據(jù)式(1)～(7)得到的計(jì)算結(jié)果，集中式和分布式SCADA系統(tǒng)可靠性對(duì)比，如表2所示。其中n表示站控系統(tǒng)的數(shù)量，λc為控制器的失效率，λs為站控系統(tǒng)服務(wù)器的失效率，λz為調(diào)度中心服務(wù)器的失效率[10]，調(diào)控中心系統(tǒng)的整體故障時(shí)間取決于各站控系統(tǒng)的失效率及站控系統(tǒng)的數(shù)量。

表2 集中式SCADA系統(tǒng)和分布式SCADA系統(tǒng)可靠性對(duì)比

假設(shè)集中式SCADA系統(tǒng)和分布式SCADA系統(tǒng)可靠性不考慮運(yùn)行載荷的因素，可以得出，根據(jù)不同長(zhǎng)輸管道實(shí)際工況的特點(diǎn)，SCADA系統(tǒng)是可擇優(yōu)選取，故障修復(fù)時(shí)間對(duì)于維護(hù)工作量略有差別，但并不影響各站控系統(tǒng)的生產(chǎn)和運(yùn)行[11]。因此，根據(jù)實(shí)際工藝流程，切合實(shí)際的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置方式是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸管道實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)，同時(shí)，也可以提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。

6 結(jié)束語(yǔ)

集中式SCADA系統(tǒng)目前比較成熟，應(yīng)用較多，效率高，但受制于數(shù)據(jù)采集量大和站控系統(tǒng)控制器多重響應(yīng)等因素的影響，系統(tǒng)硬件和軟件很難有擴(kuò)展的空間。而分布式SCADA系統(tǒng)在數(shù)據(jù)發(fā)送和控制器負(fù)載響應(yīng)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的集中式SCADA系統(tǒng)，但受制于通信技術(shù)的發(fā)展。因此，要吸取不同SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中要靈活選用，以達(dá)到在保證系統(tǒng)安全的前提下，切實(shí)提能增效。□

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