PCS7 Telecontrol在油氣集輸項(xiàng)目中的應(yīng)用

荊巍

(北京亞太摩爾自動(dòng)化設(shè)備有限公司，北京 100028)

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)包括分散型控制系統(tǒng)(DCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、火災(zāi)及氣體檢測(cè)系統(tǒng)(FGS)、可編程控制器(PLC)、壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)(ITCC)以及工業(yè)電視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(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，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、慢速通信和單節(jié)點(diǎn)的少量數(shù)據(jù)通信為主要特點(diǎn)。隨著數(shù)字化油田等信息化應(yīng)用的需求，SCADA系統(tǒng)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。

1 基于PCS7 Telecontrol的SCADA構(gòu)成

某項(xiàng)目采用的是西門子PCS7 Teleconrol SCADA解決方案，這是一種過(guò)程控制和SCADA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)性要求極高，以專用通信網(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，廣泛分布于幅員遼闊的地理區(qū)域內(nèi)，交互操作不頻繁，但對(duì)控制命令的實(shí)時(shí)性響應(yīng)一般要求較高，以專用通信網(wǎng)絡(luò)或通用網(wǎng)絡(luò)組成的廣域網(wǎng)為主。PCS7 Telecontrol方案是完全兼顧局域網(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，如圖1所示。

1.1 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)在控制需求上有著本質(zhì)的區(qū)別。站內(nèi)控制系統(tǒng)以DCS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。具有人機(jī)交互極為頻繁，通信可靠性極高，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)，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。

圖1 SCADA系統(tǒng)解決方案示意

站內(nèi)控制系統(tǒng)和站外控制系統(tǒng)的需求不同，二者對(duì)數(shù)據(jù)的處理也就不同。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，一般均采用同一周期數(shù)據(jù)更新頻率；而站外控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求一般，下發(fā)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)別通常要高于上傳數(shù)據(jù)的指令級(jí)別。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，從而大幅提高了數(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)通信的節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

如果將這兩種數(shù)據(jù)訪問(wèn)集中到1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)器自身無(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)，所以整體數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率會(huì)大幅降低。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，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。

1.2 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。

1) 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)性是指現(xiàn)場(chǎng)IO數(shù)據(jù)的更新周期，主要受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的制約，即控制器設(shè)備的通信能力。事務(wù)實(shí)時(shí)性是指對(duì)事務(wù)處理的速度，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。

2) 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)。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。

3) 該項(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)間可以便捷地進(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)地融合到一起。

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。該項(xiàng)目中，將2套數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)集中到1套磁盤陣列中進(jìn)行數(shù)據(jù)持久化保存。區(qū)別于傳統(tǒng)硬件技術(shù)，采用磁盤陣列來(lái)保存數(shù)據(jù)主要有以下優(yōu)勢(shì)：

a) 專用、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。

b) 可滿足高性能的應(yīng)用要求。

c) 實(shí)現(xiàn)更高的管理效率。

d) 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。

e) 多種數(shù)據(jù)保護(hù)能力。

f) 在線擴(kuò)展功能。

g) 支持多種RAID級(jí)別。

1.3 編程方式

無(wú)論是DCS還是SCADA，編程方式完全相同，都采用相同的PCS7編程環(huán)境，編程方法、面板、數(shù)據(jù)管理模式都相同。主要區(qū)別： DCS采用西門子專用的基于MAR尋址方式的容錯(cuò)鏈接，而SCADA應(yīng)用則采用普通的基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)鏈接，在該網(wǎng)絡(luò)之上，可以采用DNP，60870，Modbus-TCP等開放的通信協(xié)議，與非西門子產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。從前端表現(xiàn)形式來(lái)講，則是完全統(tǒng)一的，即DCS和SCADA的操作方式、報(bào)警形式、界面風(fēng)格等幾乎完全一樣。

2 SCADA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)備進(jìn)行完整的數(shù)據(jù)采集。通過(guò)Telecontrol提供的高效率的通信協(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)程控制模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)裝置設(shè)備的可靠操作。

4) 站外裝置設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。各裝置設(shè)備都位于通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，因而遠(yuǎn)程操作是SCADA的重要功能。采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的驅(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)性得到有效保證；另外，在通信中斷時(shí)下發(fā)的命令，不會(huì)在通信恢復(fù)時(shí)生效，可保證操作的安全性。

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)的各種工作互不影響，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。

3 SCADA的作用

SCADA應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其對(duì)生產(chǎn)管理所起的重要作用主要體現(xiàn)在：

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。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化應(yīng)用可以為用戶提供更多的功能，除了滿足用戶控制功能以外，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性、數(shù)據(jù)的保存和利用、可表現(xiàn)的數(shù)據(jù)形式等方面都有更多的選擇，能夠?yàn)橛脩籼峁﹥?nèi)容更為豐富的自動(dòng)化解決方案，以滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域多樣化的需求。

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