淺談長輸管道典型SCADA系統(tǒng)特點對比

李瑾

（中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），是以智能處理單元和計算機為基礎的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)。但是，不同的SCADA系統(tǒng)廠商其結構和實現(xiàn)方式各不相同，適當?shù)奶攸c對比不僅能夠加深對于SCADA系統(tǒng)的認識，而且為選型提供了借鑒。

1 SCADA系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀

SCADA系統(tǒng)是系列應用軟件的組合，其主要功能是監(jiān)控長輸管道沿線各站生產(chǎn)運行情況及數(shù)據(jù)分析—包括實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢等[1]。

SCADA系統(tǒng)由站控系統(tǒng)和信息技術結合發(fā)展而來，可靈活選用光纖、GPRS或電臺等通信方式。此外，還可針對數(shù)據(jù)傳輸所需帶寬，選擇最佳的通信傳輸方式[2]。由于，沿途各站需要達到集中控制的要求，一般設有兩個互不干擾的獨立物理網(wǎng)絡，保證了SCADA數(shù)據(jù)通信的冗余性。

已投運的西氣東輸或者長輸成品油管道SCADA系統(tǒng)，主要采用Honeywell或GE等國外產(chǎn)品[3]，其中各站控系統(tǒng)的PLC產(chǎn)品也以國外產(chǎn)品為主，如Siemens或AB等。

根據(jù)長輸管道調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)的來源是站控系統(tǒng)的控制器或站控系統(tǒng)的服務器來區(qū)分，典型SCADA系統(tǒng)分為集中式結構和分布式結構。

2 典型集中式結構的SCADA系統(tǒng)

調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對各個站控系統(tǒng)的控制器采集數(shù)據(jù)，同時具有自己獨立的歷史數(shù)據(jù)庫和磁盤陣列，進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)備份等。但有時為了滿足各站控系統(tǒng)監(jiān)控的需要，避免出現(xiàn)緊急情況時，長輸管道各站控系統(tǒng)也設分服務器。

各站控系統(tǒng)服務器從本站控系統(tǒng)控制器采集數(shù)據(jù)，擁有獨立的數(shù)據(jù)庫[4]。沿線各站控系統(tǒng)服務器分服務器和調(diào)度中心服務器不僅分別對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行存儲，而且對操作日志和處理記錄單獨進行歸檔，從而實現(xiàn)了各站控系統(tǒng)與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)互為備用、相互備份的目的。集中式結構的SCADA系統(tǒng)結構框圖，如圖1所示。

圖1 集中式SCADA系統(tǒng)結構框圖

集中式SCADA系統(tǒng)結構雖然效率高，但由于數(shù)據(jù)采集量大，負荷高，經(jīng)過一段時間的運行，如不及時清理過期數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)，會導致各站控系統(tǒng)和調(diào)度中心服務器處理速度下滑。由于一條長輸管道的施工時間多有不同，不同管段選用的SCADA廠家也不同，為使沿線信息能夠統(tǒng)一集中顯示，調(diào)控中心必須選取集中式系統(tǒng)結構[5]。不同管段的各站控系統(tǒng)需單獨設立服務器，統(tǒng)一上傳數(shù)據(jù)至調(diào)度中心總服務器[6]。目前，長輸管道多采用這種集中式SCADA系統(tǒng)結構，需要調(diào)度中心服務器根據(jù)各站控系統(tǒng)數(shù)量進行統(tǒng)一劃分。

3 典型分布式結構的SCADA系統(tǒng)

隨著信息技術的發(fā)展，在集中式數(shù)據(jù)庫的基礎上，發(fā)展出了分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，雖然理論基礎已經(jīng)夯實，但少見成功的案例。分布式結構的SCADA系統(tǒng)特點在于調(diào)度中心服務器對各站控系統(tǒng)分服務器數(shù)據(jù)庫進行不定時訪問和信息互換，達到完整的分布式架構。

報文處理與數(shù)據(jù)清洗可以靈活地使用任何語言編寫，靈活地嵌入到系統(tǒng)，而不影響各站控系統(tǒng)的功能。

各站控系統(tǒng)分服務器響應調(diào)度中心服務器的請求，不定時將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務器，總服務器設置“過濾機制和門限坎”，只對重要數(shù)據(jù)，如外輸流量值、可燃氣體和有毒氣體檢測值進行處理和歸檔。各站控系統(tǒng)和調(diào)度中心服務器分別存儲操作記錄和處理日志[7]。分布式結構的SCADA系統(tǒng)結構框圖，如圖2所示。

圖2 分布式SCADA系統(tǒng)結構框圖

分布式數(shù)據(jù)庫中，各站控服務器采集各自控制器獲得的數(shù)據(jù)，并承擔了數(shù)據(jù)入庫的任務，同時，只是將重要數(shù)據(jù)上傳中心服務器，極大的減輕了中心服務器的負擔，不僅提高了系統(tǒng)的運行速度，而且減少了系統(tǒng)存儲容量的限制。實現(xiàn)了各站控系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的交互共享、避免了各站控系統(tǒng)服務器和中心服務器的重疊，減少了各站控系統(tǒng)控制器的重疊響應[8]。生產(chǎn)數(shù)據(jù)和敏感數(shù)據(jù)只有在發(fā)生變化，超越安全警戒線時，才會發(fā)送給調(diào)度中心服務器，沒有設置系統(tǒng)內(nèi)部的輪詢應答機制，也降低了對通信系統(tǒng)的要求。

4 集中式和分布式系統(tǒng)結構對比

集中式和分布式SCADA系統(tǒng)特點對比，如表1所示。

表1 集中式SCADA系統(tǒng)和分布式SCADA系統(tǒng)特點對比表

從表1可以看到，通過分布式系統(tǒng)結構與集中式系統(tǒng)結構的相比，分布式系統(tǒng)結構具有自己的優(yōu)勢，并不是簡單地將數(shù)據(jù)庫拆解到沿線的各個站控系統(tǒng)，它在實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、信息共享、控制器負載、數(shù)據(jù)冗余和安全性等方面含有深刻的內(nèi)容。不過，分布式數(shù)據(jù)庫對于通信傳輸?shù)囊蟾?，若通信網(wǎng)絡出現(xiàn)特殊情況，如數(shù)據(jù)擁塞和數(shù)據(jù)延遲時，能夠及時找到合適的路由或實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸，必將在SCADA系統(tǒng)擴展方面取得更大的發(fā)展。

5 SCADA系統(tǒng)可靠性分析

系統(tǒng)平均故障前時間（MTTF）、失效率λ(t)、可靠度R(t)、平均故障修復時間（MTTR）和平均故障間隔時間（MTBF）是判斷SCADA系統(tǒng)可靠性的重要指標。通過上述的指標，可將圖1和圖2涉及的各個設備的可靠度分別進行論證。

各站控系統(tǒng)的控制器均冗余配置，其可靠度為RC，站控系統(tǒng)單臺控制器計為Rc，站控系統(tǒng)服務器總體可靠度為RS，站控系統(tǒng)服務器計為Rs，調(diào)度中心服務器可靠度RZ，其中每臺服務器分別為[9]。

根據(jù)熱備冗余獨立可靠結構理論，其站控系統(tǒng)冗余控制器的可靠度為

站控系統(tǒng)運行期間控制器的失效率λ(t)=λ，單個控制器的可靠度可用以下分布函數(shù)表示：

串聯(lián)系統(tǒng)的平均故障前時間為：

所以對MTTFs積分，可得

服務器冗余并聯(lián)系統(tǒng)（2個）的平均故障前時間為：

對MTTFS積分，λ1=λ2=λ可得：

根據(jù)式(1)～(7)得到的計算結果，集中式和分布式SCADA系統(tǒng)可靠性對比，如表2所示。其中n表示站控系統(tǒng)的數(shù)量，λc為控制器的失效率，λs為站控系統(tǒng)服務器的失效率，λz為調(diào)度中心服務器的失效率[10]，調(diào)控中心系統(tǒng)的整體故障時間取決于各站控系統(tǒng)的失效率及站控系統(tǒng)的數(shù)量。

表2 集中式SCADA系統(tǒng)和分布式SCADA系統(tǒng)可靠性對比

假設集中式SCADA系統(tǒng)和分布式SCADA系統(tǒng)可靠性不考慮運行載荷的因素，可以得出，根據(jù)不同長輸管道實際工況的特點，SCADA系統(tǒng)是可擇優(yōu)選取，故障修復時間對于維護工作量略有差別，但并不影響各站控系統(tǒng)的生產(chǎn)和運行[11]。因此，根據(jù)實際工藝流程，切合實際的系統(tǒng)結構配置方式是實現(xiàn)長輸管道實時監(jiān)控的基礎，同時，也可以提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)運行速度。

6 結束語

集中式SCADA系統(tǒng)目前比較成熟，應用較多，效率高，但受制于數(shù)據(jù)采集量大和站控系統(tǒng)控制器多重響應等因素的影響，系統(tǒng)硬件和軟件很難有擴展的空間。而分布式SCADA系統(tǒng)在數(shù)據(jù)發(fā)送和控制器負載響應等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的集中式SCADA系統(tǒng)，但受制于通信技術的發(fā)展。因此，要吸取不同SCADA系統(tǒng)結構的優(yōu)缺點，在實際應用中要靈活選用，以達到在保證系統(tǒng)安全的前提下，切實提能增效?！?/p>

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