工業領域大規模分布式SCADA系統設計與研究

摘? 要：當前SCADA系統已具備分布式信息采集、監視等功能，但由于項目實施時往往以工程為單位逐個定制，不同系統間兼容性差，數據集成與融合較為困難。文章基于對行業用戶需求的深度分析，研制了大規模分布式綜合監控系統，創造性地引入了對象模型概念，通過模塊化、通用化實現了分布式測控和智能互聯，能夠提高操作效率、控制應用成本。該系統在油田行業完成了典型應用，實踐證明，該系統適用于大型生產企業或廣域分布的大型復雜系統。

關鍵詞：SCADA；工業軟件；分布式；自動化控制

中圖分類號：TP277? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）06-0165-04

Design and Research of Large-Scale Distributed SCADA System in Industrial Field

LI Hongbo

（Zhejiang Guoli Security Technology Co.， Ltd.， Hangzhou? 310000， China）

Abstract： At present， SCADA system has distributed information collection， monitoring and other functions. However， due to the project implementation is often customized one by one， the compatibility between different systems is poor， and data integration and fusion are difficult. Based on the in-depth analysis of the needs of industry users， this paper develops a large-scale distributed integrated monitoring system， creatively introduces the concept of object model， and realizes distributed measurement and control and intelligent interconnection through modularization and generalization， which can improve the operation efficiency and control application cost. The system has completed a typical application in the oilfield industry， and the practice has proved that the system is suitable for large-scale production enterprises or large-scale complex systems distributed in wide areas.

Keywords： SCADA; industrial software; distributed; automatic control

0? 引? 言

數據采集與監視控制系統（Supervisory Control And Data AcquiSition System， SCADA）其可以實時采集現場數據，對工業現場進行自動控制，從而對生產工藝執行情況進行全面的實時的監控。

自誕生之日起，SCADA系統的發展已歷經三代，從集中式發展到了分布式，在基本的采集與監視功能基礎上，借助分布式計算機網絡以及關系據庫技術，實現了負載均衡和冗余備份，極大提升了系統性能和可靠性。而工業信息化、智能化的發展，則進一步要求所有系統與設備之間互聯互通、數據共享，廣域分布的大型復雜系統中由于存在大量異構，面臨著更大的困難和挑戰。

該論文研發的大規模分布式SCADA系統（以下簡稱“本系統”或者“VxSCADA系統”），集成了多種驅動接口，可以支持業界各個廠商的DCS、PLC和RTU產品，具有高效、安全、通用、易用的特點，可作為工業軟件應用平臺，廣泛應用于油氣田、長輸管線、電網輸配電、長距離水傳輸等大范圍、大規模控制領域。

1? 系統應用需求分析

SCADA的發展取決于其應用領域的需求特點，因此，面向不同領域的SCADA軟件發展路徑和過程也不完全相同。

本文研究設計的SCADA系統，其主要面向大規模分布式工業生產現場應用，需要實現廣域范圍內大量異構系統、海量數據的融合集成，為企業提供自下到上完整的生產數據采集、生產綜合監視、控制及集成服務，并為生產安全、優化調度、故障診斷以及生產數字化轉型提供支撐平臺。因此，該工業領域大規模分布式SCADA系統在設計與實現過程中必須充分考慮四個方面的需求：

（1）對各類異構系統的全兼容能力，具有支持所有硬件設備與軟件協議的開放接口，包括：

1）支持所有主流品牌PLC數據無縫對接。

2）支持主流攝像頭監控系統的融合集成。

3）支持WebSocket、ADO、OPC DA＼UA、http等第三方系統數據接口。

4）具備與監控設備及系統、門禁設備及系統、工業互聯網等平臺的對接能力。

（2）通用的人機接口、易用的人機交互界面、靈活的部署能力。

1）支持多人組態及面向設備的結構化組態。

2）支持行業功能封裝和復用能力。

3）具備豐富的圖庫、模板及動態效果，支持趨勢可視化工具，且能夠高效復用；

4）支持多語言自適應，提供完備的在線幫助文檔及教程。

（3）穩定卓越的控制性能，主要包括：

1）工業實時數據庫支持千萬點秒級刷新。

2）歷史數據記錄保存十年以上。

3）支持毫秒遠程指令下發、秒級預警報警計算處置、以及多操作站并發處置。

（4）強力有效的安全保障和可靠性，主要包括：

1）具有冗余備份功能、防誤操作機制。

2）全天候不宕機運行保障機制。

3）進程守護機制、信息安全保護機制。

4）具備數據完整性保障的相關功能。

2? 系統設計與實現思路

基于前述系統應用需求分析，工業領域大規模分布式SCADA系統軟件在設計，在保障常規數據采集與監視控制功能的前提下，必須充分考慮其通用性與擴展性，提供與DCS系統、混合控制系統（GCS）、大型數據庫（VxHistorian）以及生產信息管理系統（PIMS）等產品的無縫集成能力，同時支持與第三方智能設備、異構系統或專業應用系統進行數據交互和信息互聯。

因此，該SCADA系統的總體設計如圖1所示，系統結構上采用基于網絡的分布式形態，功能實現上做到業務分層、模塊劃分，從而將系統部署簡化為“搭積木”式的組合操作，可任意定制系統規模、修改節點形態，在兼顧功能、性能的同時具備了極強的兼容性、靈活性和可擴展性；而面向對象的設計思想與通用的行業對象元素，又極大地提升了組態開發的效率。具體實現方式如下：

（1）總體架構上采用分級設計，通過多站控、中心兩級控制，構建高性能的分布式/單機系統，滿足大范圍分布式部署要求。

（2）業務邏輯上采用分層設計，基于C/S架構，將前端、后端與通信鏈路分離，職能清晰。其中后端專司分布式數據采集、處理和分發，著重于高性能、高可靠；前端采用輕型HMI客戶端，強調功能易用、交互人性化、資源占用低，除了傳統的PC客戶端，還可利用平板電腦、手機等多種智能終端發起安全訪問，獲取生產工藝實時數據、畫面以及報警信息。

（3）功能實現上采用模塊化設計，將各子系統的子功能進行模塊劃分，逐個實現并定義通用接口，包括報表、報警、歷史數據庫等，形成模塊庫，用戶可根據需求直接從庫中選配所需功能，“搭積木”式完成定制方案。

（4）網絡通信上集成所有標準化的工業軟硬件接口驅動，建立“縱向—橫向”交叉通信，實現各類關聯系統的兼容接入，采用內部高速通信協議（UCP），實現組態一體化自動載入和更新。從而有效地支持人機交互、機器與機器的交互，實現真正的分布式測控和智能互聯應用。

（5）人機交互中應用面向對象的設計思想，預先內置覆蓋行業應用的大量對象元素，包括過程信息、故障診斷信息、流程圖模板及其他所有相關信息，用戶可直接重用對象庫中的元素，也可自定義對象。

（6）組態開發采用動態模式，通過組態檢入檢出功能，支持多人在不同分布式節點上同時組態，極大提高工程組態進度，并支持在線發布組態應用，無須停止生產線。

（7）數據庫同時支持內置實時、歷史數據庫，并集成工業級大型數據庫VxHistorian應用。提供豐富的數據庫數據應用與維護工具，滿足數據分析、工藝優化、系統管理等要求。

3? 系統構成與行業應用

3.1? 系統架構設計

工業領域大規模分布式SCADA系統軟件作為SCADA組態和運行平臺的核心部件集，提供豐富的常用監控組態功能。如圖2所示，軟件平臺包括五個層次，每個層次的功能以模塊集、應用接口的方式構建和集成。根據行業解決方案的要求，可對軟件平臺進行靈活配置和部署。

3.2? 系統模塊設計

本系統主要由三部分組成，即SCADA服務器、SCADA客戶端、SCADA遠程I/O服務。

3.2.1? SCADA服務器

SCADA服務器用于采集各設備的實時數據、記錄歷史數據、產生并記錄報警，通過C/S網絡向各操作站提供實時數據、實時報警、歷史數據、歷史報警。同時，SCADA服務器兼具操作員站的功能。SCADA服務器承擔了整個系統的數據服務，運行時負荷較大，故一般SCADA服務器均部署在高性能計算機上，SCADA服務器架構如圖3所示。

VxSCADA系統的SCADA服務器主要實現實施數據采集、存儲和歷史數據的存儲，提供面向其他系統數據的集成接入；同時，所有的數據通過通信總線，對外提供基于數據的各類功能。

3.2.2? SCADA客戶端

主要用來實現組態應用構建，基于統一的組態服務器進行工程開發，客戶端所有數據通過訂閱模式來源于SCADA服務器。

3.2.3? SCADA遠程I/O服務

實現VxSCADA采集驅動的遠程部署，實現數據的遠端就地采集、轉換和預處理。支持公網、城域網的通信網絡拓撲方式，支持組態遠程維護、故障診斷。

3.3? 系統部署設計

本系統在實際使用過程中，可以將服務器、客戶端、通信服務器都部署在一臺計算機上，也可以根據業務要求，靈活的部署在不同網絡的不同計算機中。無論是簡單的單機人機界面，還是復雜的多節點、多現場的數據采集和控制系統，本系統適用于各種應用類型和應用規模的需要，通過可擴展的網絡結構來構建分布式系統。

3.4? 行業應用

本系統作為大規模分布式SCADA系統，在油田行業的應用主要是面向大容量油氣集輸及管網自動化領域，實現相關數據的綜合監控。該系統配套PIMS油田行業生產數字化管理軟件，可幫助企業上層管理者及時了解生產現場的運行情況，填補管理層和控制層之間的空白，無縫實現管控一體化目標。

在油田行業的一個應用實例如圖4所示，面向整個作業區的SCADA系統部署分三級結構，第一級為SCADA調控中心；第二級為聯合站的站內站控系統；第三級為現場就地控制單元。SCADA調控中心預留有生產數據上傳油田生產指揮中心的接口，為油田實現數字化奠定基礎。

其中SCADA調控中心接收聯合站的站內站控系統上傳的生產數據，以及站外計量站、油水井RTU上傳的生產數據，從而實現聯合站及所轄計量站、油水井工藝生產過程的遠程監控、調度和管理；同時預留上傳生產數據到油田生產調度中心的接口。

聯合站中的混合控制系統一方面獨立完成對所在站場的數據采集和控制，實現本工藝站場的監控及聯鎖保護等任務；同時需要將有關信息傳送給SCADA控制中心并接受其下達的指令。

RTU控制系統就地采集各類型井口、計量配水間數據，相關數據通過油水井RTU經無線網橋方式上傳至計量站通信設備，再以光纖方式傳入聯合站SCADA系統。而計量站RTU以光纖方式直接傳入聯合站SCADA系統。

4? 結? 論

由于技術發展的歷史局限性，工業企業（尤其是生產場景在地域上較為分散的企業）中的大部分自動化和信息系統建設初期缺少自覺統一的規劃部署，而是由各業務系統能根據自身的發展需要來逐步開展相關建設工作。從單獨業務角度看，每個業務系統可能都運行良好，且積累了大量基礎數據。但是，由于業務對象不同，系統架構不同，運行環境不同等因素制約，企業內部的大量業務系統相互獨立，形成一個個“孤島”，數據不能共享與利用，控制與生產不能協同，嚴重制約了企業生產與管理效率的提升。如何將孤立系統聯結成一個有機整體，讓管理和生產控制如臂使指，成為企業信息化建設中亟待解決的問題。

本文設計研究的工業領域大規模分布式SCADA系統軟件，在基本的數據采集與監視控制基礎上，進一步在網絡化、通用化方面取得突破，能夠打破企業內部、或廣域分布的生產系統內一座座“孤島”，構建企業系統與設備的互聯互通，促進企業的系統融合與數據集成。在此基礎上的生產全過程實時數據自動采集、設備遠程控制，可幫助工業企業實現生產綜合監控，減輕操作人員負荷、及時異常預警與處理，極大程度提高生產運營管理效率。對深化全過程全鏈條數據挖掘，推進企業數字技術的應用也有深遠的意義。

參考文獻：

[1] 項曉春，劉廣魁. SCADA系統及其應用 [J].自動化技術與應用，2000，19（6）：19-22.

[2] 舒大有，馮暄，盧軍，等.一種分布式SCADA系統設計與實現 [J].計算機科學，2013，40（8）：83-85.

[3] 顧雪平，劉道兵，孫海新，等.面向SCADA系統的電網故障診斷信息的獲取 [J].電網技術，2012，36（6）：64-70.

[4] 吳海平.分布式實時數據庫在廣域網SCADA中的應用 [J].工業控制計算機，2017，30（2）：16-17+20.

[5] 史耀政，庫流亨.一種分布式SCADA消息中間件設計方案測控技術與儀器儀表 [J].電子技術應用，2016，42（3）：84-86.

[6] 鄭宗強，翟明玉，彭暉，等.電網調控分布式SCADA系統體系架構與關鍵技術 [J].電力系統自動化，2017，41（5）：71-77.

作者簡介：李紅波（1980.09—），女，漢族，遼寧沈陽人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：先進制造與自動化。

收稿日期：2022-11-17