靳海鵬,田世澄,周 勇
(1.中國地質(zhì)大學(xué),北京 100083;2.中國石油海外勘探開發(fā)公司,北京 100034; 3.中國石油北京油氣調(diào)控中心,北京 100007)
信息技術(shù)及應(yīng)用
嵌入式中間數(shù)據(jù)庫在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用
靳海鵬1,2,田世澄1,周 勇3
(1.中國地質(zhì)大學(xué),北京 100083;2.中國石油海外勘探開發(fā)公司,北京 100034; 3.中國石油北京油氣調(diào)控中心,北京 100007)
采用基于中間件的技術(shù),在SCADA系統(tǒng)分布式異構(gòu)異種環(huán)境下,對異構(gòu)實時數(shù)據(jù)庫采用統(tǒng)一的、開放的標準數(shù)據(jù)通信接口進行實時數(shù)據(jù)傳送,搭建油氣管道統(tǒng)一中間實時數(shù)據(jù)庫平臺,供不同應(yīng)用程序和系統(tǒng)等共享在線生產(chǎn)數(shù)據(jù),提高了數(shù)據(jù)庫開發(fā)的效率。同時該系統(tǒng)采取相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)安全措施,實現(xiàn)了其他業(yè)務(wù)與管道實時監(jiān)控系統(tǒng)的有效隔離,確保油氣管道SCADA系統(tǒng)安全可靠運行。通過對嵌入式實時數(shù)據(jù)庫在油氣管道信息化中的應(yīng)用,解決了SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)孤島問題,極大地提升了油氣管道生產(chǎn)經(jīng)營各方面信息的綜合水平,在實際生產(chǎn)應(yīng)用中取得很好效果。
嵌入式;中間數(shù)據(jù)庫;SCADA系統(tǒng)
近十幾年來,隨著SCADA技術(shù)的迅猛發(fā)展,油氣管道行業(yè)在長期的信息化工作中積累了大量數(shù)據(jù),油氣管道行業(yè)迫切需要利用中間件系統(tǒng)進行企業(yè)信息數(shù)據(jù)的整合。原不同廠商的SCADA系統(tǒng)均使用Oracle和Sybase通用關(guān)系數(shù)據(jù)庫,對于時序性要求很強的管道生產(chǎn)數(shù)據(jù),鑒于目前幾十萬數(shù)據(jù)點的規(guī)模,通用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的處理和存儲能力并不具備優(yōu)勢。同時由于實施SCADA系統(tǒng)的階段性、技術(shù)差異性以及其他因素的影響,例如檢索5個以上數(shù)據(jù)點在1個月時間段的生產(chǎn)數(shù)據(jù),請求響應(yīng)時間超出5 min;200 M/d以上的數(shù)據(jù)歸檔和備份難以管理等,不同的數(shù)據(jù)庫間的互操作、傳輸不可靠等問題,導(dǎo)致信息孤島問題越來越突出,這種分布式異種異構(gòu)信息環(huán)境,造成了數(shù)據(jù)重復(fù)錄入、數(shù)據(jù)利用率不高等弊端,極大地降低了工作效率,也影響了相關(guān)油氣管道生產(chǎn)經(jīng)營決策工作的開展。
該文以應(yīng)用嵌入式中間數(shù)據(jù)庫在油氣管道SCADA系統(tǒng)分布式異構(gòu)異種環(huán)境下,從軟硬件配置、通信接口、數(shù)據(jù)采集存儲以及安全措施等多方面進行研究,搭建中間實時數(shù)據(jù)資源平臺中心,解決企業(yè)信息孤島問題的實際案例,該系統(tǒng)在油氣管道信息化中的應(yīng)用取得較好的實際效果。
中間數(shù)據(jù)庫平臺系統(tǒng)是一個面向油氣SCADA系統(tǒng)的生產(chǎn)過程實時監(jiān)視系統(tǒng),從信息化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來看,位于SCADA系統(tǒng)控制網(wǎng)與辦公網(wǎng)之間,實現(xiàn)油氣管道SCADA系統(tǒng)的安全隔離,完成生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)庫的平臺整合。系統(tǒng)基于工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫PI系統(tǒng)搭建,采用Window Cluster群集技術(shù)部署數(shù)據(jù)庫平臺,支持服務(wù)器冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余,保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行;在數(shù)據(jù)存儲方面,系統(tǒng)使用光存儲域網(wǎng)絡(luò)(SAN)不僅支持高效數(shù)據(jù)讀寫速率,同時也提供了海量的、可擴展的數(shù)據(jù)存儲空間,為上層應(yīng)用系統(tǒng)如在線仿真、能耗分析和ERP信息化系統(tǒng)等提供安全可靠的數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺網(wǎng)絡(luò)拓撲示意
1.1 系統(tǒng)軟件及功能
鑒于不同油氣SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)量極多的情況,為了便于今后管理和維護,PI數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu),即數(shù)據(jù)通信服務(wù)器分布式采集數(shù)據(jù),實時和歷史數(shù)據(jù)集中管理。PI數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基于Windows Server操作系統(tǒng)。
PI數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以數(shù)據(jù)原型儲存,數(shù)據(jù)源是惟一的。PI服務(wù)器存儲的數(shù)據(jù)類型有整形、實型、字符型、開關(guān)量和二進制數(shù)值。生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)是整個中間數(shù)據(jù)庫平臺系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ),實時數(shù)據(jù)庫的性能與穩(wěn)定性直接關(guān)系到其他應(yīng)用軟件的運行效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,該系統(tǒng)采用工業(yè)中應(yīng)用較為成熟的PI實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),利用其先進獨創(chuàng)的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、數(shù)據(jù)處理能力、豐富的各客戶端軟件以及SDK應(yīng)用程序接口開發(fā)等組件,把不同廠商SCADA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)資源進行有效地整合,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)源和分析數(shù)據(jù)的分離。雖然PI數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有諸多優(yōu)點,但是PI服務(wù)器軟件運行性能與其硬件和網(wǎng)絡(luò)的性能密切相關(guān)。
1.2 系統(tǒng)硬件及功能
SCADA實時數(shù)據(jù)服務(wù)器(A~D):不同的廠商、運行在不同平臺上的異構(gòu)實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過廣域網(wǎng),利用CIP,IEC 60870-5-104,Modbus等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,采集現(xiàn)場實時生產(chǎn)數(shù)據(jù),為中間實時數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)資源。
通信服務(wù)器:直接與SCADA服務(wù)器通信,實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的采集。
中間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器:安裝了PI數(shù)據(jù)庫,負責接收、處理和存儲來自通信服務(wù)器采集來的SCADA系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù),主、備冗余機制。
磁盤存儲系統(tǒng):為中間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)以及鏡像數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)存儲空間。
PI通信服務(wù)器:用于將實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)向鏡像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行單向傳輸,其中一臺負責從實時數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù),并用單向傳輸協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù),另一臺負責接收單向傳輸數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)送至鏡像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。
鏡像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器:安裝了PI數(shù)據(jù)庫,負責從PI通信服務(wù)器接收、處理和存儲來自SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù),并為高級應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持,主、備冗余機制。
Web服務(wù)器:用于系統(tǒng)組態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布,支持Web方式的數(shù)據(jù)訪問。
1.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及功能
防火墻。用于中間實時數(shù)據(jù)庫網(wǎng)與SCADA系統(tǒng)控制網(wǎng)之間的安全防護。
單向隔離裝置。使用單向隔離裝置的目的是為了隔離業(yè)務(wù)的同時,進行安全的數(shù)據(jù)交換,只進行文件數(shù)據(jù)的擺渡,確保數(shù)據(jù)只能從中間實時數(shù)據(jù)庫網(wǎng)向外單向傳輸數(shù)據(jù),阻止了辦公信息網(wǎng)任何數(shù)據(jù)向中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的逆向數(shù)據(jù)流動,保證了整個系統(tǒng)的安全運行。
中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺網(wǎng)絡(luò)主要包含3個網(wǎng)絡(luò):SCADA系統(tǒng)控制網(wǎng)、中間實時數(shù)據(jù)庫網(wǎng)以及辦公信息網(wǎng)。從系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)看,中間實時數(shù)據(jù)庫網(wǎng)既與SCADA系統(tǒng)控制網(wǎng)相交,負責采集SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù),又與辦公信息網(wǎng)相連,負責為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)應(yīng)用支撐,完成了從現(xiàn)場生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)到辦公信息網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)主要包括:中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與 SCADA系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信、中間實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)部之間數(shù)據(jù)通信、中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與辦公信息網(wǎng)之間數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)如圖 2所示。
圖2 中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)
2.1 中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信
不同SCADA實時服務(wù)器上各安裝了OPC Server作為數(shù)據(jù)源,并各自設(shè)置一臺通信服務(wù)器,對應(yīng)安裝一個 PI-Opcint的OPC客戶端接口程序,采用OPC通信方式[1],實時采集SCADA實時服務(wù)器上在線生產(chǎn)數(shù)據(jù),實時數(shù)據(jù)經(jīng)過防火墻,通過PI-SDK模塊把數(shù)據(jù)上傳至 PI-System進行過濾、壓縮、存儲等處理,從而完成為中間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的采集數(shù)據(jù)工作。
PI數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所有 PI-Opcint接口都具有數(shù)據(jù)緩存功能,當通信服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間通信中斷時,接口獲取所有帶時間標簽的數(shù)據(jù)會緩存在本地,待通信恢復(fù)后,自動將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整性。
2.2 中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部通信
PI通信服務(wù)器(發(fā)送)從中間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取SCADA系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù),通過單向隔離裝置,把原有的雙向通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為單向通信協(xié)議,將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至PI通信服務(wù)器(接收),它將收到數(shù)據(jù)作為鏡像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)作為仿真等高級應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。中間實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器到鏡像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換如圖3所示。
在PI通信服務(wù)器(發(fā)送)上安裝PI通信程序組件DataSender[2],負責通過 PI-SDK獲取 PI數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù),然后對數(shù)據(jù)進行重新組合、封裝,使得轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通信可以通過單向隔離裝置;在PI通信服務(wù)器(接收)上安裝 PI通信程序組件DataOPC,負責接收來自DataSender發(fā)送的實時數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行拆包、重新組合,將數(shù)據(jù)封裝到OPC Server中,此OPC Server將作為數(shù)據(jù)源,向位于辦公信息網(wǎng)的鏡像數(shù)據(jù)庫提供實時數(shù)據(jù)。
鏡像數(shù)據(jù)庫通過在PI通信服務(wù)器(接收)上安裝PI-Opcint的OPC Client接口程序,實時采集OPC Server中的數(shù)據(jù),并通過 PI-SDK模塊將數(shù)據(jù)上傳至鏡像數(shù)據(jù)庫PI系統(tǒng)進行過濾、壓縮、存儲等處理,從而完成實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)到鏡像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實時傳輸過程。
圖3 中間實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器到鏡像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間通信協(xié)議轉(zhuǎn)換
2.3 中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與辦公信息網(wǎng)通信
中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在辦公信息網(wǎng)提供基于C/S的系統(tǒng)訪問模式以及基于B/S的數(shù)據(jù)瀏覽模式。
基于C/S的系統(tǒng)訪問模式:在擁有授權(quán)訪問許可的情況下,辦公信息網(wǎng)的高級應(yīng)用系統(tǒng)通過安裝PI系統(tǒng)的接口客戶端訪問程序或者數(shù)據(jù)源,可以實時訪問鏡像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。
基于B/S的數(shù)據(jù)瀏覽模式:在擁有授權(quán)訪問許可的情況下,辦公信息網(wǎng)的任何終端利用IE瀏覽器,能夠通過PI-ActiveView組件對系統(tǒng)發(fā)布的組態(tài)畫面和實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)趨勢進行在線查詢。
2.4 數(shù)據(jù)存儲與SAN網(wǎng)絡(luò)
中間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和鏡像數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采集的數(shù)據(jù),通過存儲域網(wǎng)絡(luò)(SAN)存儲在磁盤陣列中,兩套服務(wù)器數(shù)據(jù)庫共用一套磁盤存儲系統(tǒng),互不干擾。其中磁盤存儲系統(tǒng)采用光纖作為數(shù)據(jù)通道,提供了強大的數(shù)據(jù)讀寫能力。該系統(tǒng)配置了大量高速SAS硬盤,并以RAID 6模式的數(shù)據(jù)存儲方式,這種數(shù)據(jù)存儲模式既充分地利用了磁盤存儲空間,又有效地保證了存儲數(shù)據(jù)的安全。
中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點規(guī)劃容量45萬點以上,目前系統(tǒng)運行的采集點占規(guī)劃的1/8,為中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供了海量的、可擴展的數(shù)據(jù)存儲空間。
磁盤存儲系統(tǒng)采用RIAD 6的存儲模式,在此模式下即使有2塊硬盤損壞,系統(tǒng)也能夠恢復(fù)數(shù)據(jù),保證了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全運行;配置熱備份硬盤,若某塊磁盤出現(xiàn)故障,該系統(tǒng)能夠及時自動進行切換,保證了系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。下面以中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)配置和數(shù)據(jù)存儲為例,說明中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的存儲情況。
中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)磁盤存儲系統(tǒng)指標:實時數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)可用存儲空間2 T;實時數(shù)據(jù)庫單個歷史數(shù)據(jù)文件大小400 M以上,單個歷史數(shù)據(jù)文件可存儲約35 h;按照當前系統(tǒng)容量計算,可存儲約4 000天以上數(shù)據(jù);按照系統(tǒng)45萬點的計算,可存儲約500天數(shù)據(jù)。
SCADA網(wǎng)絡(luò)直接對現(xiàn)場設(shè)備進行操作,屬于生產(chǎn)控制網(wǎng),絕對不允許有網(wǎng)絡(luò)攻擊或者病毒,擁有最高的安全級別。中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在各個網(wǎng)絡(luò)之間做了充分的安全防御措施。中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立了一套完整的系統(tǒng)安全體系,包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)訪問安全、用戶認證及授權(quán)安全。
通過部署單向隔離裝置、物理防火墻等硬件設(shè)備,實現(xiàn)了SCADA系統(tǒng)控制網(wǎng)和中間實時數(shù)據(jù)庫網(wǎng)之間邏輯隔離,中間實時數(shù)據(jù)庫網(wǎng)與辦公信息網(wǎng)之間物理隔離,阻止辦公信息網(wǎng)任何數(shù)據(jù)向SCADA系統(tǒng)和中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的逆向流動,在物理鏈路上是絕對的單向;通過配置數(shù)據(jù)庫不同訪問權(quán)限的賬戶以及防火墻的端口訪問、IP地址訪問權(quán)限以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行檢測和過濾等安全策略的集中配置,數(shù)據(jù)訪問安全、認證授權(quán)策略與現(xiàn)有系統(tǒng)防火墻安全策略進行集成,共同實現(xiàn)用戶認證及授權(quán)安全管理功能。
這些安全防護措施不僅有效地保護SCADA網(wǎng)絡(luò)和中間實時數(shù)據(jù)庫網(wǎng),防止網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒入侵,提供安全的網(wǎng)絡(luò)連接,確保SCADA系統(tǒng)和中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
中間實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能指標:系統(tǒng)可靠性為99.99%;群集模式下主備服務(wù)器冗余切換時間小于60 s;系統(tǒng)最大容量達80萬數(shù)據(jù)點;系統(tǒng)吞吐量達5萬數(shù)據(jù)記錄/s;在線可管理最大數(shù)據(jù)量達64 T;對于典型管道歷史數(shù)據(jù)壓縮比,在滿足精度要求的情況下,可以達到10∶1;支持32個以上客戶端并發(fā)訪問;查詢一個浮點型變量的8.64×104個數(shù)據(jù)記錄所需時間小于50 s;設(shè)備平均CPU占用率小于20%。
嵌入式中間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用,建立了一個資源共享、統(tǒng)一管理、安全可靠的智能數(shù)據(jù)平臺,解決了各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換問題,徹底解決了油氣管道信息孤島問題,為油氣管道數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化控制、負荷優(yōu)化與節(jié)能診斷提供了重要的生產(chǎn)信息管理工具與決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),使管道的生產(chǎn)計劃、資源平衡、節(jié)能降耗和預(yù)測決策等應(yīng)用取得良好的效果,提高了企業(yè)的整體運行和管理水平。
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The Application of the Embedded Intermediate Database in SCADA System
Jin Haipeng1,2,Tian Shicheng1,Zhou Yong3
(1.China Uni.of Geosciences,Beijing,100083,China;2.China National Oil and Gas Exploration and Development Co.Ltd.,100034,China;3.Beijing Oil& Gas Pipeline Control Center,PetroChina,100007,China)
Based on middleware technique,the uniform and open standard data communication interface is adopted for different structure realtime database to transmit realtime data under the SCADA system distributed circumstance of pipeline,which structure the intermediate realtime database platform and share line production data with different program or different system.This technology has improved the efficiency of development of database.At the same time the appropriate network security measures is adopted in this system,which isolate SCADA system of pipeline from other works and ensure the SCADA system of pipeline safe and reliable.The data island issue in SCADA system is resolved by the application of this technique and the management level is greatly improved;and it has achieved very good effect in the practical production application.
embedded;intermediate database;SCADA systems
TP274
B
1007-7324(2010)06-0052-05
2010-07-26。
靳海鵬(1970—),男,1994年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院采油工程專業(yè),長期從事油氣田開發(fā)和油田自動化工作,目前為中國地質(zhì)大學(xué)(北京)在讀博士,已發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇,任高級工程師。