長輸管道SCADA系統(tǒng)選型及應(yīng)用

張繼光 王鳳琴

【摘 要】隨著國內(nèi)成品油管道的大量建設(shè)，特別是長距離數(shù)字化管道的發(fā)展，要求其控制系統(tǒng)在控制、安全等方面具有更高的可靠性、開放性。對于工廠企業(yè)等最終用戶而言，面對各種各樣的 SCADA 系統(tǒng)，由于國內(nèi)外眾多廠商SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方式各不相同，恰當?shù)倪x型成為重要的核心問題。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制；長輸管道；集中式結(jié)構(gòu)；分布式結(jié)構(gòu)

1.長輸管道監(jiān)控特點

長輸管道一般分布廣泛、站點較多，輸送介質(zhì)多為天然氣、原油、成品油、液態(tài)天然氣、水和其他液態(tài)化工產(chǎn)品等。一般采用密閉輸送流程，所有泵站、壓氣站、分輸下載站、配氣站、截斷閥室和管路等構(gòu)成完整的水力系統(tǒng)。因此，長輸管道一般設(shè)立調(diào)度控制中心由SCADA系統(tǒng)進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)中心控制、站控和就地控制相結(jié)合的控制方式。有的管道設(shè)立站點監(jiān)控，有的并不設(shè)立站點監(jiān)控，而是通過調(diào)度控制中心統(tǒng)一進行管理。站點的遠程端由PLC或RTU進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)督控制，將控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心，從而完成整個管道的自動化控制。長輸管道的通信系統(tǒng)是決定整個SCADA系統(tǒng)可靠性和有效性的重要基礎(chǔ)，目前多采用自建光纖、衛(wèi)星、微波、電話等多種方式，不同的通信基礎(chǔ)直接決定了SCADA系統(tǒng)調(diào)控中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇方式。通過以上分析，可以看到非光纖通信條件下，長輸管道要求SCADA系統(tǒng)設(shè)計必須滿足低速和有限帶寬的長距離通信要求。在SCADA系統(tǒng)中，控制器中的數(shù)據(jù)以非常小的數(shù)據(jù)包進行傳輸，許多歷史數(shù)據(jù)存儲在中心數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控數(shù)據(jù)以逢變則報或進行內(nèi)部輪詢以達到最小數(shù)據(jù)的目的傳輸，并且控制器都具有歷史回填的功能，在通信恢復時，能夠?qū)魉褪〉臍v史數(shù)據(jù)重新傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)庫，以保證數(shù)據(jù)的完整性。

2.長輸管道SCADA系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展

SCADA系統(tǒng)是建立在數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)之上的一系列應(yīng)用軟件的組合，其主要功能有系統(tǒng)模擬圖實時監(jiān)控—實時監(jiān)測沿線各站庫生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)；歷史數(shù)據(jù)分析—包括歷史數(shù)據(jù)曲線、超限額運行時間統(tǒng)計等。經(jīng)概括，SCADA系統(tǒng)的硬件構(gòu)成有四種形式：PC+板卡，PLC，DCS及RTU遠程終端單元，在功能上都有完成數(shù)據(jù)采集與控制的能力，但它們各有不同的適用范圍。DCS適合于大型生產(chǎn)裝置，如煉油廠、化工廠的大型成套化工裝置，DCS具有獨立的軟硬件，運行穩(wěn)定可靠；缺點是價格昂貴，擴充麻煩。PLC適用于控制，規(guī)模可大可小。RTU則適用于小型局部的場合，優(yōu)點是通信靈活，計算與數(shù)據(jù)存儲能力強，如用于輸氣管道進出口的流量采集，天然氣計量采用RTU產(chǎn)品，具有明顯的甚至不可替代的優(yōu)勢?？蓪崿F(xiàn)SY/N6143計量標準嵌入式應(yīng)用，大幅提高可計量程序運行的可靠性和實時性；流量累計等重要數(shù)據(jù)在RTU內(nèi)做備份，而不僅依賴傳統(tǒng)的計算機做數(shù)據(jù)備份，即使計算機和通信設(shè)備出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)依舊可恢復，大幅提高了數(shù)據(jù)存儲的安全性。SCADA系統(tǒng)由 PLC和通信技術(shù)共同發(fā)展而來，具備高度靈活的通信方式；可選擇自建光纖，租用公網(wǎng)，衛(wèi)星通信，CDMA，GPRS等有線和無線通信方式；根據(jù)不同的通信方式選擇適合的通信協(xié)議，目前常用的有DNP，OPC，CIP，Modbus TCP/IP，IEC60870-5-104 TCP/IP 等；可根據(jù)施工和投資的具體方案及數(shù)據(jù)通信所需帶寬的要求，選擇合適的通信方式。基于目前采用集中控制的要求，一般設(shè)有兩個獨立的物理網(wǎng)絡(luò)，并保證SCADA 通信系統(tǒng)的冗余性。

3.調(diào)度控制中心數(shù)據(jù)庫的集中式和分布式結(jié)構(gòu)

集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然效率高，但由于負荷集中，計算機硬件和軟件的擴充受到限制，目前國外很多廠家的遠程站點的數(shù)據(jù)庫都限制在25000點以內(nèi)。如中石油北京油氣調(diào)控中心，由于不同管段的建設(shè)時間不同，其選用的 SCADA系統(tǒng)不同，造成調(diào)控中心必須選取集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其天然氣管道，為保證調(diào)度中心SCADA 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將所有站點分為幾套服務(wù)器分別進行處理。在這種特大型結(jié)構(gòu)中，必須選擇最佳數(shù)據(jù)存儲方法和訪問結(jié)構(gòu)，集中式也要解決這些差異問題。再如，中國石化運行的珠三角成品油管道，采用 ABB公司的SCADAVISON集中式數(shù)據(jù)庫，目前站點為22個，數(shù)據(jù)點達22000點，也基本達到了它的運行負荷能力。目前，世界范圍內(nèi)天然氣長輸管道多采用該種結(jié)構(gòu)，需要調(diào)度中心數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)站點數(shù)量進行統(tǒng)籌劃分設(shè)置。

在集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展了分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，雖然已發(fā)展成熟，但工業(yè)化控制系統(tǒng)采用這種數(shù)據(jù)庫的SCADA系統(tǒng)的情況出現(xiàn)在20世紀90年代末，成功推出應(yīng)用的也不是很多。各個站點服務(wù)器的采集數(shù)據(jù)原理同集中式；區(qū)別在于調(diào)度中心總服務(wù)器對各個站點服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進行實時訪問，通過一定的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限和驗證模式的設(shè)置和授權(quán)形成了全局共享結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了全局數(shù)據(jù)庫信息的調(diào)用。歷史存儲信息分布在各個遠程站點中，站點中的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)實時發(fā)布到調(diào)度中心總服務(wù)器內(nèi)存中，調(diào)度中心總服務(wù)器僅對重要數(shù)據(jù)進行處理和歸檔，而實時操作日志分別存儲在調(diào)度中心總服務(wù)器和相應(yīng)數(shù)據(jù)源的站點服務(wù)器中，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的高效數(shù)據(jù)庫。目前典型應(yīng)用的場合是中國石化的西南成品油管道，全線共21個站點，2座調(diào)度控制中心。這種分布式數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了對處于極度分散的遠程數(shù)據(jù)的無縫訪問，實現(xiàn)操作控制信息的交互、動態(tài)調(diào)整用戶和信息應(yīng)用需求。不同數(shù)據(jù)庫間的歷史查詢，避免了數(shù)據(jù)庫的復制，同時避免了控制層 PLC控制器數(shù)據(jù)的雙重響應(yīng)。實時數(shù)據(jù)、報警、操作日志只有在發(fā)生變化時才會遞交給調(diào)度中心服務(wù)器；沒有設(shè)置內(nèi)部系統(tǒng)的輪詢機制，也降低了對通信系統(tǒng)的要求。雖然目前工業(yè)用分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還處于中小型階段，能否向更大數(shù)據(jù)庫的規(guī)模化發(fā)展，受到通信系統(tǒng)、計算機和軟件應(yīng)用系統(tǒng)的可用性、可靠性及數(shù)據(jù)的存取效率等的直接影響，有待理論的進一步突破。

4.集中式和分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較

兩種數(shù)據(jù)庫技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域都有實際的應(yīng)用，分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是在集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但并不是簡單地將集中數(shù)據(jù)庫分散到不同的場地，它在實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的獨立性、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)冗余、并發(fā)控制、完整性、安全性、事務(wù)處理等方面具有更加豐富的內(nèi)容。分布式數(shù)據(jù)庫較集中式數(shù)據(jù)庫有著自己不可替代的優(yōu)勢，若網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中通信恢復、診斷、優(yōu)化的問題能得到解決，必將在SCADA系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)等融合擴展方面取得更大的發(fā)展。

5.結(jié)束語

集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SCADA系統(tǒng)作為經(jīng)典、成熟的結(jié)構(gòu)方式，已在長輸管道領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用；而分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩者相互滲透和有機結(jié)合的成果。作為一門創(chuàng)新技術(shù)，若網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中通信恢復、診斷、優(yōu)化的問題能得到解決，分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SCADA系統(tǒng)將有更加長足的發(fā)展。因此，在實際應(yīng)用中要靈活選用，根據(jù)系統(tǒng)的安全可靠性和運行模式要求配置主控中心、備用控制中心、分控站和站控，最大限度地發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)的作用。

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