PCS7 Telecontrol在油氣集輸項目中的應(yīng)用

荊巍

(北京亞太摩爾自動化設(shè)備有限公司，北京 100028)

內(nèi)部集輸包括天然氣處理與集輸兩大基本功能。天然氣處理集中在處理廠內(nèi)，相對獨立，常用的控制系統(tǒng)包括分散型控制系統(tǒng)(DCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、火災(zāi)及氣體檢測系統(tǒng)(FGS)、可編程控制器(PLC)、壓縮機組控制系統(tǒng)(ITCC)以及工業(yè)電視監(jiān)測系統(tǒng)(CCTV)等生產(chǎn)輔助系統(tǒng)；處理廠外的單井站、集氣站、計量間、閥室等則是實現(xiàn)集輸功能的重要組成單元，常用的控制系統(tǒng)包括RTU，PLC，SIS以及氣體檢漏系統(tǒng)、防腐檢測系統(tǒng)等生產(chǎn)輔助系統(tǒng)。

在早期的油氣項目中，以點對點結(jié)構(gòu)、慢速通信和單節(jié)點的少量數(shù)據(jù)通信為主要特點。隨著數(shù)字化油田等信息化應(yīng)用的需求，SCADA系統(tǒng)成為生產(chǎn)數(shù)據(jù)大集中的一個平臺，承擔為信息化應(yīng)用提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)的重要職能。

1 基于PCS7 Telecontrol的SCADA構(gòu)成

某項目采用的是西門子PCS7 Teleconrol SCADA解決方案，這是一種過程控制和SCADA混合應(yīng)用的平臺。過程控制應(yīng)用主要針對地域上相對集中的自動化裝置，人機交互操作極為頻繁，實時性要求極高，以專用通信網(wǎng)絡(luò)組成的局域網(wǎng)為主；而SCADA應(yīng)用中的數(shù)據(jù)節(jié)點則相對分散，廣泛分布于幅員遼闊的地理區(qū)域內(nèi)，交互操作不頻繁，但對控制命令的實時性響應(yīng)一般要求較高，以專用通信網(wǎng)絡(luò)或通用網(wǎng)絡(luò)組成的廣域網(wǎng)為主。PCS7 Telecontrol方案是完全兼顧局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)應(yīng)用的解決方案，將這兩類應(yīng)用物理上分開，但邏輯上統(tǒng)一，如圖1所示。

1.1 站內(nèi)數(shù)據(jù)與站外數(shù)據(jù)的物理分隔

在油氣集輸項目中，站內(nèi)控制系統(tǒng)與站外控制系統(tǒng)在控制需求上有著本質(zhì)的區(qū)別。站內(nèi)控制系統(tǒng)以DCS等過程控制系統(tǒng)為核心，無論是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)配置、操控模式等，都屬于標準的過程控制模式。具有人機交互極為頻繁，通信可靠性極高，數(shù)據(jù)服務(wù)極穩(wěn)定，將過程儀器儀表高度抽象化，以工藝單元為監(jiān)控目標等特點。

而站外控制系統(tǒng)中的RTU或PLC，以無人值守的運行方式居多，人機交互相對較少；即使在控制功能相對較多的集氣站單元，一般也以“自治”模式為主，較少需要操作員干預。但是在緊急情況下，需要人工緊急干預，如關(guān)井、放空等命令時，響應(yīng)要及時準確。對于一般監(jiān)控數(shù)據(jù)，要保證數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。

圖1 SCADA系統(tǒng)解決方案示意

站內(nèi)控制系統(tǒng)和站外控制系統(tǒng)的需求不同，二者對數(shù)據(jù)的處理也就不同。站內(nèi)控制系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)實時性好，無論上傳還是下發(fā)，除極個別要求較高的動作指令外，一般均采用同一周期數(shù)據(jù)更新頻率；而站外控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實時性要求一般，下發(fā)和上傳數(shù)據(jù)采用不同的數(shù)據(jù)更新頻率，下發(fā)數(shù)據(jù)的指令級別通常要高于上傳數(shù)據(jù)的指令級別。因此，為了實現(xiàn)這個要求，PCS7 Telecontrol方案中對于站內(nèi)控制系統(tǒng)采用標準的PCS7解決方案，采用冗余快速工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，以MAC地址尋址的模式，即在數(shù)據(jù)鏈路層就實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，無需經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層，從而大幅提高了數(shù)據(jù)訪問的實時性。站外控制系統(tǒng)，則采用標準的工業(yè)以太網(wǎng)模式，利用支持路由功能的三層工業(yè)以太網(wǎng)交換機，將站外所有需要進行數(shù)據(jù)通信的節(jié)點連接起來，以進行數(shù)據(jù)通信。

如果將這兩種數(shù)據(jù)訪問集中到1套數(shù)據(jù)服務(wù)器上，DCS數(shù)據(jù)訪問服務(wù)必然會受到影響。因為站外數(shù)據(jù)訪問服務(wù)的周期要遠大于站內(nèi)DCS數(shù)據(jù)服務(wù)周期，隨著站外控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的增加，數(shù)據(jù)服務(wù)器自身無法區(qū)分站內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)和站外數(shù)據(jù)服務(wù)，所以整體數(shù)據(jù)訪問效率會大幅降低。其次，站內(nèi)控制系統(tǒng)是整個SCADA系統(tǒng)的核心，而這種基于C/S結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)服務(wù)器的穩(wěn)定性直接決定整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而穩(wěn)定性是氣田集輸自動化項目最基本也是最高的要求。PCS7 Telecontrol可以物理上將這兩種應(yīng)用分隔開，邏輯上又可以通過CAS或Process Historian等軟件進行數(shù)據(jù)的集中管理。

1.2 站內(nèi)數(shù)據(jù)與站外數(shù)據(jù)的邏輯統(tǒng)一

SCADA系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)庫，一般的SCADA應(yīng)用中都包含實時數(shù)據(jù)服務(wù)(數(shù)據(jù)庫)和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)(數(shù)據(jù)庫)兩種。

1) 實時數(shù)據(jù)庫的重要特性就是實時性，包括數(shù)據(jù)實時性和事務(wù)實時性。數(shù)據(jù)實時性是指現(xiàn)場IO數(shù)據(jù)的更新周期，主要受現(xiàn)場設(shè)備的制約，即控制器設(shè)備的通信能力。事務(wù)實時性是指對事務(wù)處理的速度，可以是事件觸發(fā)方式或定時觸發(fā)方式。事件觸發(fā)是該事件一旦發(fā)生可以立刻獲得響應(yīng)，這類事件可以得到立即處理，但比較消耗系統(tǒng)資源；而定時觸發(fā)是在一定時間范圍內(nèi)獲得調(diào)度權(quán)。一般的實時數(shù)據(jù)庫，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性而言，必須同時提供兩種調(diào)度方式，實時數(shù)據(jù)庫一般以文件的形式保存。

2) 歷史數(shù)據(jù)庫一般是商用數(shù)據(jù)庫，如Oracle， SQL Server等，PCS7 Telecontrol采用的是SQL Server數(shù)據(jù)庫。歷史數(shù)據(jù)服務(wù)最主要的功能是將實時數(shù)據(jù)庫采集到的大量數(shù)據(jù)，通過特殊的壓縮算法，持久化到商用數(shù)據(jù)庫中，以便可靠保存，即利用較少的物理空間保存大量的數(shù)據(jù)信息。歷史趨勢以及報表服務(wù)中的數(shù)據(jù)均來自歷史數(shù)據(jù)庫。在Telecontrol解決方案中，除了生產(chǎn)數(shù)據(jù)外，任何可采集的信息都能夠做歷史數(shù)據(jù)保存，如報警信息、操作記錄等。

3) 該項目中，無論站外控制系統(tǒng)和站內(nèi)控制系統(tǒng)如何劃分，都需要一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)。除了站內(nèi)的多個控制系統(tǒng)間可以便捷地進行數(shù)據(jù)訪問外，站外系統(tǒng)之間以及站外系統(tǒng)和站內(nèi)系統(tǒng)間也需要能夠進行數(shù)據(jù)訪問。從系統(tǒng)管理的角度出發(fā)，也必然要求一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，以便于將站內(nèi)系統(tǒng)和站外系統(tǒng)有機地融合到一起。

在PCS7 Telecontrol解決方案中，最多可支持11對(套)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)集中保存。該項目中，將2套數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)集中到1套磁盤陣列中進行數(shù)據(jù)持久化保存。區(qū)別于傳統(tǒng)硬件技術(shù)，采用磁盤陣列來保存數(shù)據(jù)主要有以下優(yōu)勢：

a) 專用、高可用性共享存儲解決方案，可以連接多臺服務(wù)器，在混合虛擬化工作負載中實現(xiàn)均衡的性能。

b) 可滿足高性能的應(yīng)用要求。

c) 實現(xiàn)更高的管理效率。

d) 部署可擴展性和靈活性，有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)分層，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

e) 多種數(shù)據(jù)保護能力。

f) 在線擴展功能。

g) 支持多種RAID級別。

1.3 編程方式

無論是DCS還是SCADA，編程方式完全相同，都采用相同的PCS7編程環(huán)境，編程方法、面板、數(shù)據(jù)管理模式都相同。主要區(qū)別： DCS采用西門子專用的基于MAR尋址方式的容錯鏈接，而SCADA應(yīng)用則采用普通的基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)鏈接，在該網(wǎng)絡(luò)之上，可以采用DNP，60870，Modbus-TCP等開放的通信協(xié)議，與非西門子產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)交換。從前端表現(xiàn)形式來講，則是完全統(tǒng)一的，即DCS和SCADA的操作方式、報警形式、界面風格等幾乎完全一樣。

2 SCADA的功能

1) 對包括處理廠在內(nèi)的整個氣田各站場裝置設(shè)備進行完整的數(shù)據(jù)采集。通過Telecontrol提供的高效率的通信協(xié)議軟件，與現(xiàn)場各種設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)訪問。

2) 對包括處理廠在內(nèi)的整個氣田各站場的工藝流程進行動態(tài)顯示，同時顯示各種工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、報警信息等。

3) 站內(nèi)裝置設(shè)備的可靠操作。站內(nèi)系統(tǒng)還是采用傳統(tǒng)的過程控制模式，實現(xiàn)對站內(nèi)裝置設(shè)備的可靠操作。

4) 站外裝置設(shè)備的遠程操作。各裝置設(shè)備都位于通信網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點上，因而遠程操作是SCADA的重要功能。采用經(jīng)過優(yōu)化的驅(qū)動程序，控制命令可即時下發(fā)，命令下發(fā)的實時性得到有效保證；另外，在通信中斷時下發(fā)的命令，不會在通信恢復時生效，可保證操作的安全性。

5) 報警和報警處理。采用狀態(tài)閃爍顯示、音響、顏色變換多種形式進行故障報警，同時顯示發(fā)生故障的名稱、等級、位置、時間和報警事件的處理或應(yīng)答情況。

6) 集中的數(shù)據(jù)平臺。無論是站內(nèi)數(shù)據(jù)還是站外數(shù)據(jù)，均集中到同一個歷史數(shù)據(jù)庫中，但是實時數(shù)據(jù)服務(wù)的各種工作互不影響，單機或單系統(tǒng)的服務(wù)失效不會影響到整個SCADA系統(tǒng)的運行。

3 SCADA的作用

SCADA應(yīng)用越來越廣泛，其對生產(chǎn)管理所起的重要作用主要體現(xiàn)在：

1) 為氣田安全生產(chǎn)、集中管理、統(tǒng)一調(diào)度指揮提供了完整的數(shù)據(jù)支持和設(shè)備條件。

2) 為優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率提供了數(shù)據(jù)及技術(shù)支持。

3) 冗余結(jié)構(gòu)的安全防護措施、多種形式的故障報警、遠程控制功能為氣田安全生產(chǎn)提供了有力保障。

4) 完整的數(shù)據(jù)采集與歷史數(shù)據(jù)存儲，為生產(chǎn)過程分析、事故追憶、落實崗位責任、提高生產(chǎn)管理水平提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

5) 完備的遠程監(jiān)控功能可以節(jié)省人力資源，降低生產(chǎn)成本，提高氣田的生產(chǎn)經(jīng)營效益。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，自動化應(yīng)用可以為用戶提供更多的功能，除了滿足用戶控制功能以外，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性、數(shù)據(jù)的保存和利用、可表現(xiàn)的數(shù)據(jù)形式等方面都有更多的選擇，能夠為用戶提供內(nèi)容更為豐富的自動化解決方案，以滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域多樣化的需求。

參考文獻：

[1]皮金梅特.西門子 Profinet 工業(yè)通信指南[M].北京： 人民郵電出版社，2007.

[2]李昭原.數(shù)據(jù)庫技術(shù)新進展[M].北京： 清華大學出版社，2007.

[3]馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M].北京： 清華大學出版社，2001.

[4]黃德先，王京春，金以慧，等.過程控制系統(tǒng)[M].北京： 清華大學出版社，2012.

[5]王琦，朱亞清，黃衛(wèi)劍，等.分散控制系統(tǒng)性能測試技術(shù)[M].北京： 科學出版社，2010.

[6]崔堅，李佳，楊光.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南(下冊)[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2009.

[7]米勒.西門子自動化系統(tǒng)實戰(zhàn)S7和PCS7應(yīng)用實例[M]. 張懷勇，譯.北京： 人民郵電出版社，2007.

[8]王華忠 .監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其應(yīng)用 [M].2版.北京： 電子工業(yè)出版社，2012.

[9]黃澤俊，虞南正，尹旭東.石油天然氣管道SCADA系統(tǒng)技術(shù)[M].北京： 石油工業(yè)出版社，2013.

[10]特南鮑姆，韋瑟羅爾. 計算機網(wǎng)絡(luò)[M].5版.嚴偉，潘愛民，譯.北京： 清華大學出版社，2012.