冗余技術(shù)在天然氣備控中心SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用

曹曉鋒

摘 要：陜西省天然氣股份有限公司西安調(diào)度控制指揮中心SCADA系統(tǒng)監(jiān)管著陜西省主要的天然氣管網(wǎng)，為了應(yīng)對(duì)突發(fā)事件（如地震、火災(zāi)、設(shè)備損壞等）給西安調(diào)度指揮中心造成的破壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，全省的天然氣管網(wǎng)處于失控狀態(tài)，公司建設(shè)了漢中容災(zāi)備份調(diào)控指揮中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)備控中心），該指揮中心與西安調(diào)度控制指揮中心功能完全一樣，在主中心失去調(diào)度指揮作用時(shí)，能履行主中心的全部職責(zé)，完成對(duì)所有管道的監(jiān)控。冗余技術(shù)是在一臺(tái)設(shè)備壞了后，另一臺(tái)馬上工作，不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，且同時(shí)修復(fù)該臺(tái)設(shè)備。通過(guò)對(duì)備控中心SCADA系統(tǒng)技術(shù)方案的分析，說(shuō)明冗余技術(shù)在保證天然氣長(zhǎng)輸管線SCADA系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性起到關(guān)鍵的作用。

關(guān)鍵詞：SCADA系統(tǒng) 天然氣 冗余技術(shù) PLC RTU

中圖分類(lèi)號(hào)：TE978 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（b）-0056-02

1 備控中心SCADA系統(tǒng)的組成（見(jiàn)圖1）

1.1 SCADA系統(tǒng)硬件

1.1.1 SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器

SCADA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)處理、存儲(chǔ)、管理從現(xiàn)場(chǎng)的PLC和RTU采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并為網(wǎng)絡(luò)中的其他服務(wù)器和工作站提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并向中間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)寫(xiě)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存放在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。操作員可通過(guò)任一操作員工作臺(tái)，從這個(gè)中心數(shù)據(jù)庫(kù)中了解任意場(chǎng)站、閥室的運(yùn)行狀況。操作員發(fā)出的指令通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器傳遞到相應(yīng)場(chǎng)站的PLC和閥室的RTU。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器中運(yùn)行通信管理軟件，完成與沿線各站的PLC和RTU的通信鏈接、協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)管理等任務(wù)，采用UNIX實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。采用熱備冗余配置（2臺(tái)）。

1.1.2 SCADA系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器

歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器主要完成歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理，并為網(wǎng)絡(luò)中的其他服務(wù)器和工作站提供數(shù)據(jù)。服務(wù)器運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件SQL，采用UNIX實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。采用熱備冗余配置（2臺(tái)）。

1.1.3 外存儲(chǔ)設(shè)備冗余磁盤(pán)陣列系統(tǒng)（RAID）

RAID用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)服務(wù)器的組成部分，能夠以標(biāo)準(zhǔn)的格式、使用標(biāo)準(zhǔn)的工具、支持熱插拔并以低成本實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

1.1.4 硬件防火墻

SCADA系統(tǒng)配置一套防火墻系統(tǒng)，防止外界的隨意侵入對(duì)SCADA系統(tǒng)造成破壞。

1.1.5 操作員工作站

操作人員通過(guò)操作人員工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的監(jiān)視和控制。通過(guò)此人機(jī)界面（HMI），操作員可詳細(xì)了解管道全線的運(yùn)行狀況并向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和站場(chǎng)下達(dá)命令。操作人員工作站通過(guò)冗余設(shè)置的局域網(wǎng)（LAN），使用TCP/IP通信協(xié)議與實(shí)時(shí)和歷史SCADA服務(wù)器互聯(lián)并交換信息。是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，有著自己的處理器、內(nèi)存和當(dāng)?shù)氐娘@示畫(huà)面格式。

1.1.6 工程師工作站

支持系統(tǒng)管理員來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)的資源并控制系統(tǒng)的冗余參數(shù)。工程師工作站具備性能測(cè)量軟件，以及SCADA系統(tǒng)重新組態(tài)的工具。通過(guò)工程師工作站的人機(jī)界面，工程師能夠?qū)?yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)和維修。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)點(diǎn)或站場(chǎng)增添進(jìn)SCADA系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)擴(kuò)展的任務(wù)也是在工程師工作站上完成的。

1.1.7 局域網(wǎng)（LAN）的交換機(jī)和路由器（見(jiàn)圖2）

圖2中局域網(wǎng)為冗余設(shè)置的SCADA局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)支持TCP/IP協(xié)議。局域網(wǎng)支持網(wǎng)絡(luò)上連接的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)交換并滿足實(shí)時(shí)、多任務(wù)的要求。局域網(wǎng)采用2臺(tái)交換機(jī)，工作站和服務(wù)器的2塊網(wǎng)卡，分別連接至2臺(tái)局域網(wǎng)交換機(jī)上。每臺(tái)局域網(wǎng)交換機(jī)都分別連接至具有DDN主通信的R1路由器上和具有衛(wèi)星備通信的R2路由器上。該方案集IPMP技術(shù)、HSRP技術(shù)為一體的綜合局域網(wǎng)絡(luò)冗余配置。

局域網(wǎng)設(shè)備的IPMP（IP Network Multipathing網(wǎng)絡(luò)多路徑）的網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)置方式，在雙網(wǎng)卡設(shè)備端將雙網(wǎng)卡設(shè)置為IPMP Team綁定，使兩塊物理網(wǎng)卡成為一塊邏輯網(wǎng)卡并定義一個(gè)邏輯IP地址。以負(fù)載均衡的方式增加帶寬的同時(shí)，采用基于鏈路的故障檢測(cè)和基于探測(cè)的故障檢測(cè)兩種類(lèi)型的故障檢測(cè)方式，使某臺(tái)設(shè)備的雙網(wǎng)卡切換在IPMP Team內(nèi)部即可透明完成，其它設(shè)備對(duì)該設(shè)備的數(shù)據(jù)訪問(wèn)將不發(fā)生切換，故障網(wǎng)卡的業(yè)務(wù)不會(huì)丟失，將平滑轉(zhuǎn)移到另一網(wǎng)卡上，增強(qiáng)了局域網(wǎng)的整網(wǎng)冗余性和穩(wěn)定性。

在高可靠性要求的SCADA系統(tǒng)工業(yè)局域網(wǎng)間采用雙星型互聯(lián)結(jié)構(gòu)，即采用兩臺(tái)交換機(jī)互連，使兩個(gè)物理交換機(jī)在邏輯上也形成一個(gè)交換機(jī)，局域網(wǎng)的切換在二層交換即可實(shí)現(xiàn)。這樣對(duì)于實(shí)時(shí)性要求非常高的SCADA系統(tǒng)在站場(chǎng)局域網(wǎng)內(nèi)部可以避免使用生成樹(shù)（spanning-tree）協(xié)議（當(dāng)網(wǎng)絡(luò)鏈路變化時(shí)，通過(guò)生成樹(shù)協(xié)議從新計(jì)算一次的時(shí)間為60秒，而且此時(shí)間將隨著網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度而增加）。

HSRP（Hot standby Redundancy Protocol 網(wǎng)關(guān)冗余協(xié)議），兩臺(tái)冗余路由器之間通過(guò)運(yùn)行高可靠性HSRP為每臺(tái)通訊終端提供第一跳網(wǎng)關(guān)冗余保護(hù)。調(diào)控中心的2臺(tái)物理設(shè)備路由器R1和R2通過(guò)HSRP協(xié)議后，可以虛擬出一臺(tái)邏輯設(shè)備路由器R3。終端的PC的缺省網(wǎng)關(guān)都設(shè)置在虛擬的路由器R3上。正常的數(shù)據(jù)走向是通過(guò)虛擬的路由器R3再到R1上。一旦R1路由器出現(xiàn)故障，即主動(dòng)路由器R1出現(xiàn)故障，備份路由器R2承接主動(dòng)路由器的所有任務(wù)，而虛擬的R3仍舊作為缺省的網(wǎng)關(guān)，只是數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂阶優(yōu)椋河商摂M的R3到R2再到廣域網(wǎng)鏈路。這樣做的好處在于：不會(huì)因?yàn)槁酚善鱎1出現(xiàn)故障，切換到R2時(shí)，導(dǎo)致主機(jī)與網(wǎng)關(guān)通信連通的中斷現(xiàn)象，以確保站場(chǎng)到漢中容災(zāi)備份調(diào)控指揮中心的數(shù)據(jù)連貫性。

1.2 SCADA系統(tǒng)軟件

備控中心采用的是加拿大Telvent公司的OASYS6.2 SCADA軟件系統(tǒng)，此系統(tǒng)基于開(kāi)放性設(shè)計(jì)的軟件，適用于UNIX（服務(wù)器）和windows（各工作站）操作系統(tǒng)，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支持分部式服務(wù)器結(jié)構(gòu)，支持冗余服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)。

OASYS系統(tǒng)主要由CMX（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件包）XOS（人機(jī)界面圖形軟件包）XIS（歷史數(shù)據(jù)軟件包）組成。

CMX主要功能為收集數(shù)據(jù)、報(bào)警監(jiān)測(cè)、計(jì)算數(shù)值、驅(qū)動(dòng)程序、并為當(dāng)前采集數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間，而且能是用戶通過(guò)指令控制遠(yuǎn)端設(shè)備等功能。CMX同遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTUS）或可編程邏輯控制器（PLCS）進(jìn)行通訊，并傳輸指令和采集系統(tǒng)當(dāng)前信息。定時(shí)運(yùn)行程序和打印報(bào)表（告）。雙機(jī)冗余切換。

XIS主要用來(lái)將CMX數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)歸檔存儲(chǔ)起來(lái)，以備歷史趨勢(shì)圖和打印報(bào)表用。XIS提供大容量冗余切換的外部存儲(chǔ)器，如同CMX。兩個(gè)冗余切換的XIS運(yùn)行在不同的服務(wù)器上，保證了系統(tǒng)的可靠性。與CMX是相連接的，把信息從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)傳送至歷史數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

XOS主要作用是繪制流程圖并將繪制好的控制流程圖動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)，提供給運(yùn)行調(diào)度作為人機(jī)界面。調(diào)度員通過(guò)XOS完成SCADA功能。用鼠標(biāo)器在屏幕上輕擊功能鍵，調(diào)出一副畫(huà)面，也可以輕擊控制鍵，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)漢中備控中心SCADA系統(tǒng)技術(shù)方案的分析，可以得出在實(shí)時(shí)服務(wù)器、歷史服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、局域網(wǎng)的軟、硬件上都采用了冗余熱備配置。從而有效的保證了漢中容災(zāi)備份調(diào)控指揮中心SCADA系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)冗余技術(shù)有助于減少天然氣管道運(yùn)營(yíng)中的安全生產(chǎn)事故隱患。

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