工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)設(shè)計與研究

摘? 要：當(dāng)前SCADA系統(tǒng)已具備分布式信息采集、監(jiān)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(tǒng)間兼容性差，數(shù)據(jù)集成與融合較為困難。文章基于對行業(yè)用戶需求的深度分析，研制了大規(guī)模分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)，創(chuàng)造性地引入了對象模型概念，通過模塊化、通用化實現(xiàn)了分布式測控和智能互聯(lián)，能夠提高操作效率、控制應(yīng)用成本。該系統(tǒng)在油田行業(yè)完成了典型應(yīng)用，實踐證明，該系統(tǒng)適用于大型生產(chǎn)企業(yè)或廣域分布的大型復(fù)雜系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：SCADA；工業(yè)軟件；分布式；自動化控制

中圖分類號：TP277? ? 文獻標(biāo)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(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data AcquiSition System， SCADA）其可以實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對工業(yè)現(xiàn)場進行自動控制，從而對生產(chǎn)工藝執(zhí)行情況進行全面的實時的監(jiān)控。

自誕生之日起，SCADA系統(tǒng)的發(fā)展已歷經(jīng)三代，從集中式發(fā)展到了分布式，在基本的采集與監(jiān)視功能基礎(chǔ)上，借助分布式計算機網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)了負載均衡和冗余備份，極大提升了系統(tǒng)性能和可靠性。而工業(yè)信息化、智能化的發(fā)展，則進一步要求所有系統(tǒng)與設(shè)備之間互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享，廣域分布的大型復(fù)雜系統(tǒng)中由于存在大量異構(gòu)，面臨著更大的困難和挑戰(zhàn)。

該論文研發(fā)的大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)（以下簡稱“本系統(tǒng)”或者“VxSCADA系統(tǒng)”），集成了多種驅(qū)動接口，可以支持業(yè)界各個廠商的DCS、PLC和RTU產(chǎn)品，具有高效、安全、通用、易用的特點，可作為工業(yè)軟件應(yīng)用平臺，廣泛應(yīng)用于油氣田、長輸管線、電網(wǎng)輸配電、長距離水傳輸?shù)却蠓秶?、大?guī)?？刂祁I(lǐng)域。

1? 系統(tǒng)應(yīng)用需求分析

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

本文研究設(shè)計的SCADA系統(tǒng)，其主要面向大規(guī)模分布式工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用，需要實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)大量異構(gòu)系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)的融合集成，為企業(yè)提供自下到上完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)綜合監(jiān)視、控制及集成服務(wù)，并為生產(chǎn)安全、優(yōu)化調(diào)度、故障診斷以及生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供支撐平臺。因此，該工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)在設(shè)計與實現(xiàn)過程中必須充分考慮四個方面的需求：

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

1）支持所有主流品牌PLC數(shù)據(jù)無縫對接。

2）支持主流攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)的融合集成。

3）支持WebSocket、ADO、OPC DA＼UA、http等第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口。

4）具備與監(jiān)控設(shè)備及系統(tǒng)、門禁設(shè)備及系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(tài)及面向設(shè)備的結(jié)構(gòu)化組態(tài)。

2）支持行業(yè)功能封裝和復(fù)用能力。

3）具備豐富的圖庫、模板及動態(tài)效果，支持趨勢可視化工具，且能夠高效復(fù)用；

4）支持多語言自適應(yīng)，提供完備的在線幫助文檔及教程。

（3）穩(wěn)定卓越的控制性能，主要包括：

1）工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫支持千萬點秒級刷新。

2）歷史數(shù)據(jù)記錄保存十年以上。

3）支持毫秒遠程指令下發(fā)、秒級預(yù)警報警計算處置、以及多操作站并發(fā)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(shù)據(jù)完整性保障的相關(guān)功能。

2? 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)思路

基于前述系統(tǒng)應(yīng)用需求分析，工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)軟件在設(shè)計，在保障常規(guī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)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(tǒng)、混合控制系統(tǒng)（GCS）、大型數(shù)據(jù)庫（VxHistorian）以及生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)（PIMS）等產(chǎn)品的無縫集成能力，同時支持與第三方智能設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)或?qū)I(yè)應(yīng)用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互和信息互聯(lián)。

因此，該SCADA系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用基于網(wǎng)絡(luò)的分布式形態(tài)，功能實現(xiàn)上做到業(yè)務(wù)分層、模塊劃分，從而將系統(tǒng)部署簡化為“搭積木”式的組合操作，可任意定制系統(tǒng)規(guī)模、修改節(jié)點形態(tài)，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?qū)ο蟮脑O(shè)計思想與通用的行業(yè)對象元素，又極大地提升了組態(tài)開發(fā)的效率。具體實現(xiàn)方式如下：

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

（2）業(yè)務(wù)邏輯上采用分層設(shè)計，基于C/S架構(gòu)，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(shù)據(jù)采集、處理和分發(fā)，著重于高性能、高可靠；前端采用輕型HMI客戶端，強調(diào)功能易用、交互人性化、資源占用低，除了傳統(tǒng)的PC客戶端，還可利用平板電腦、手機等多種智能終端發(fā)起安全訪問，獲取生產(chǎn)工藝實時數(shù)據(jù)、畫面以及報警信息。

（3）功能實現(xiàn)上采用模塊化設(shè)計，將各子系統(tǒng)的子功能進行模塊劃分，逐個實現(xiàn)并定義通用接口，包括報表、報警、歷史數(shù)據(jù)庫等，形成模塊庫，用戶可根據(jù)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(wǎng)絡(luò)通信上集成所有標(biāo)準化的工業(yè)軟硬件接口驅(qū)動，建立“縱向—橫向”交叉通信，實現(xiàn)各類關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的兼容接入，采用內(nèi)部高速通信協(xié)議（UCP），實現(xiàn)組態(tài)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(xiàn)真正的分布式測控和智能互聯(lián)應(yīng)用。

（5）人機交互中應(yīng)用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，預(yù)先內(nèi)置覆蓋行業(yè)應(yīng)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(guān)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(tài)開發(fā)采用動態(tài)模式，通過組態(tài)檢入檢出功能，支持多人在不同分布式節(jié)點上同時組態(tài)，極大提高工程組態(tài)進度，并支持在線發(fā)布組態(tài)應(yīng)用，無須停止生產(chǎn)線。

（7）數(shù)據(jù)庫同時支持內(nèi)置實時、歷史數(shù)據(jù)庫，并集成工業(yè)級大型數(shù)據(jù)庫VxHistorian應(yīng)用。提供豐富的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)應(yīng)用與維護工具，滿足數(shù)據(jù)分析、工藝優(yōu)化、系統(tǒng)管理等要求。

3? 系統(tǒng)構(gòu)成與行業(yè)應(yīng)用

3.1? 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)軟件作為SCADA組態(tài)和運行平臺的核心部件集，提供豐富的常用監(jiān)控組態(tài)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(yīng)用接口的方式構(gòu)建和集成。根據(jù)行業(yè)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(tǒng)模塊設(shè)計

本系統(tǒng)主要由三部分組成，即SCADA服務(wù)器、SCADA客戶端、SCADA遠程I/O服務(wù)。

3.2.1? SCADA服務(wù)器

SCADA服務(wù)器用于采集各設(shè)備的實時數(shù)據(jù)、記錄歷史數(shù)據(jù)、產(chǎn)生并記錄報警，通過C/S網(wǎng)絡(luò)向各操作站提供實時數(shù)據(jù)、實時報警、歷史數(shù)據(jù)、歷史報警。同時，SCADA服務(wù)器兼具操作員站的功能。SCADA服務(wù)器承擔(dān)了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)，運行時負荷較大，故一般SCADA服務(wù)器均部署在高性能計算機上，SCADA服務(wù)器架構(gòu)如圖3所示。

VxSCADA系統(tǒng)的SCADA服務(wù)器主要實現(xiàn)實施數(shù)據(jù)采集、存儲和歷史數(shù)據(jù)的存儲，提供面向其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成接入；同時，所有的數(shù)據(jù)通過通信總線，對外提供基于數(shù)據(jù)的各類功能。

3.2.2? SCADA客戶端

主要用來實現(xiàn)組態(tài)應(yīng)用構(gòu)建，基于統(tǒng)一的組態(tài)服務(wù)器進行工程開發(fā)，客戶端所有數(shù)據(jù)通過訂閱模式來源于SCADA服務(wù)器。

3.2.3? SCADA遠程I/O服務(wù)

實現(xiàn)VxSCADA采集驅(qū)動的遠程部署，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠端就地采集、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理。支持公網(wǎng)、城域網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓撲方式，支持組態(tài)遠程維護、故障診斷。

3.3? 系統(tǒng)部署設(shè)計

本系統(tǒng)在實際使用過程中，可以將服務(wù)器、客戶端、通信服務(wù)器都部署在一臺計算機上，也可以根據(jù)業(yè)務(wù)要求，靈活的部署在不同網(wǎng)絡(luò)的不同計算機中。無論是簡單的單機人機界面，還是復(fù)雜的多節(jié)點、多現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)適用于各種應(yīng)用類型和應(yīng)用規(guī)模的需要，通過可擴展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建分布式系統(tǒng)。

3.4? 行業(yè)應(yīng)用

本系統(tǒng)作為大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)，在油田行業(yè)的應(yīng)用主要是面向大容量油氣集輸及管網(wǎng)自動化領(lǐng)域，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的綜合監(jiān)控。該系統(tǒng)配套PIMS油田行業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化管理軟件，可幫助企業(yè)上層管理者及時了解生產(chǎn)現(xiàn)場的運行情況，填補管理層和控制層之間的空白，無縫實現(xiàn)管控一體化目標(biāo)。

在油田行業(yè)的一個應(yīng)用實例如圖4所示，面向整個作業(yè)區(qū)的SCADA系統(tǒng)部署分三級結(jié)構(gòu)，第一級為SCADA調(diào)控中心；第二級為聯(lián)合站的站內(nèi)站控系統(tǒng)；第三級為現(xiàn)場就地控制單元。SCADA調(diào)控中心預(yù)留有生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳油田生產(chǎn)指揮中心的接口，為油田實現(xiàn)數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。

其中SCADA調(diào)控中心接收聯(lián)合站的站內(nèi)站控系統(tǒng)上傳的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及站外計量站、油水井RTU上傳的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)聯(lián)合站及所轄計量站、油水井工藝生產(chǎn)過程的遠程監(jiān)控、調(diào)度和管理；同時預(yù)留上傳生產(chǎn)數(shù)據(jù)到油田生產(chǎn)調(diào)度中心的接口。

聯(lián)合站中的混合控制系統(tǒng)一方面獨立完成對所在站場的數(shù)據(jù)采集和控制，實現(xiàn)本工藝站場的監(jiān)控及聯(lián)鎖保護等任務(wù)；同時需要將有關(guān)信息傳送給SCADA控制中心并接受其下達的指令。

RTU控制系統(tǒng)就地采集各類型井口、計量配水間數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)通過油水井RTU經(jīng)無線網(wǎng)橋方式上傳至計量站通信設(shè)備，再以光纖方式傳入聯(lián)合站SCADA系統(tǒng)。而計量站RTU以光纖方式直接傳入聯(lián)合站SCADA系統(tǒng)。

4? 結(jié)? 論

由于技術(shù)發(fā)展的歷史局限性，工業(yè)企業(yè)（尤其是生產(chǎn)場景在地域上較為分散的企業(yè)）中的大部分自動化和信息系統(tǒng)建設(shè)初期缺少自覺統(tǒng)一的規(guī)劃部署，而是由各業(yè)務(wù)系統(tǒng)能根據(jù)自身的發(fā)展需要來逐步開展相關(guān)建設(shè)工作。從單獨業(yè)務(wù)角度看，每個業(yè)務(wù)系統(tǒng)可能都運行良好，且積累了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是，由于業(yè)務(wù)對象不同，系統(tǒng)架構(gòu)不同，運行環(huán)境不同等因素制約，企業(yè)內(nèi)部的大量業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互獨立，形成一個個“孤島”，數(shù)據(jù)不能共享與利用，控制與生產(chǎn)不能協(xié)同，嚴重制約了企業(yè)生產(chǎn)與管理效率的提升。如何將孤立系統(tǒng)聯(lián)結(jié)成一個有機整體，讓管理和生產(chǎn)控制如臂使指，成為企業(yè)信息化建設(shè)中亟待解決的問題。

本文設(shè)計研究的工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)軟件，在基本的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制基礎(chǔ)上，進一步在網(wǎng)絡(luò)化、通用化方面取得突破，能夠打破企業(yè)內(nèi)部、或廣域分布的生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)一座座“孤島”，構(gòu)建企業(yè)系統(tǒng)與設(shè)備的互聯(lián)互通，促進企業(yè)的系統(tǒng)融合與數(shù)據(jù)集成。在此基礎(chǔ)上的生產(chǎn)全過程實時數(shù)據(jù)自動采集、設(shè)備遠程控制，可幫助工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)綜合監(jiān)控，減輕操作人員負荷、及時異常預(yù)警與處理，極大程度提高生產(chǎn)運營管理效率。對深化全過程全鏈條數(shù)據(jù)挖掘，推進企業(yè)數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用也有深遠的意義。

參考文獻：

[1] 項曉春，劉廣魁. SCADA系統(tǒng)及其應(yīng)用 [J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2000，19（6）：19-22.

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

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

[4] 吳海平.分布式實時數(shù)據(jù)庫在廣域網(wǎng)SCADA中的應(yīng)用 [J].工業(yè)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(shè)計方案測控技術(shù)與儀器儀表 [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（3）：84-86.

[6] 鄭宗強，翟明玉，彭暉，等.電網(wǎng)調(diào)控分布式SCADA系統(tǒng)體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) [J].電力系統(tǒng)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