關于SCADA系統

　　塔里木油田是“西氣東輸”重要的氣源地。自2000左右年開始，與“西氣東輸”相關的油氣田地面建設工程在塔里木油田全面展開。天然氣作為清潔能源，目前國內需求量顯著增加，呈現供不應求的局面。保證安全穩定的能源供應是油氣生產的最高目標。為了實現這個目標，在自動化生產技術上必須有相應的選擇。針對天然氣生產領域地域廣、節點分散的特點，采用SCADA系統是不二的選擇。SCADA系統是近些年來，針對分布式應用而逐漸發展起來的控制系統，它與一般的控制系統有著明顯的不同。

　　首先，SCADA系統的數據源往往是數十個甚至成百上千個，與這些數據源高效通訊是SCADA系統最基本也是最重要的功能。所謂高效，是指SCADA系統能夠與所有的節點建立可靠的通訊聯系，同時建立高速的通訊鏈路。這里的高速并不是指絕對速度，因為通訊網絡千差萬別，有線與無線，光纖與數傳電臺，PSTN與CDMA，都有可能在一個通訊網絡中同時使用，甚至一個數據包要經過幾種通訊網絡的傳輸才能到達。SCADA系統具有將這些通訊網絡優化的功能，使數據包能夠在最短的時間內傳輸到目的地。

　　其次，SCADA系統數量眾多的數據源在地域上是分散的，這種分散，往往是十幾公里，上百公里甚至上千公里。這種地域上的分散對于普通的控制系統來說，影響是極大的，無論是數據的實時性、可靠性以及連續性都是難以得到保障。尤其對于連續性，它是SCADA系統對數據的一種特殊要求，即在通訊中斷的情況下，數據能夠自動緩存，當通訊恢復時，這些緩存的數據自動補傳至數據庫，使數據庫的所有數據始終保持一定的時間連續性。這種需求有時也稱作存儲轉發功能。

　　內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，相對獨立，常用的控制系統包括DCS、SIS、FGS、PLC或ITCC，以及CCTV等生產輔助系統；處理廠外的單井站、集氣站、計量間、閥室等則是實現集輸功能的重要組成單元，常用的控制系統包括RTU、PLC、SIS，以及氣體檢漏系統、防腐檢測系統等生產輔助系統。

　　在早期的油氣項目中，SCADA系統實際上只包含處理廠外的RTU、PLC等，結構簡單，以點對點結構和慢速通訊的方式為主，以單節點的少量數據為主。隨著信息技術的發展，SCADA系統的定義有了廣泛的外延，尤其是通訊技術的突飛猛進，使得廣泛的快速通訊成為可能，因此，一切與生產相關的系統都可能被納入到SCADA系統中，除了一般的控制系統外，包括地理信息系統、應急廣播系統、CCTV系統、防腐檢漏系統等等；除此之外，隨著數字化油田等信息化應用的需求，SCADA系統還成為生產數據大集中的一個平臺，承擔為信息化應用提供生產數據的重要職能。因此，目前的SCADA系統的設計與實現要充分的考慮到這些實際的需求，以適應多種需求。

　　基于PCS7 TELECONTROL的SCADA系統構成

　　本項目采用的是西門子PCS7 TELECONROL SCADA解決方案。結構圖如下。這是一種過程控制應用和SCADA應用混合應用的平臺。過程控制應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，以專用通訊網絡組成的局域網為主；而SCADA應用中的數據節點則相對分散，大多廣泛分布于幅員遼闊的地理區域內，交互操作不頻繁，但是控制命令的實時性響應要求較高，一般生產數據的完整性要求較高，以專用通訊網絡或通用網絡組成的廣域網為主。PCS7 TELECONTROL方案則是完全兼顧局域網和廣域網應用的解決方案，將這兩類應用物理上分開，但邏輯上統一。

　　整個SCADA系統在結構設計上主要考慮以下幾個方面：

　　1、站內數據與站外數據的物理分隔；

　　在油氣集輸項目中，站內控制系統與站外控制系統在控制需求上是有著本質區別的。站內控制系統以DCS系統等過程控制系統為核心，無論是系統結構、網絡配置、操控模式等，都屬于標準的過程控制模式。有人機交互極為頻繁，通訊可靠性極高，數據服務極穩定，將過程儀器儀表高度抽象化，以工藝單元為監控目標等特點。而站外控制系統中的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，需要人工緊急干預時，如關井、放空等命令時，響應要及時準確。對于一般監控數據，要保證數據的完整性和連續性。

　　因為站內控制系統和站外控制系統的需求不同，它們對數據的處理上就有不同。站內控制系統要求數據實時性好，無論上傳還是下發，除極個別要求較高的動作指令外，一般都是采用同一周期數據更新頻率；而站外控制系統相對數據實時性要求一般，下發數據和上傳數據采用不同的數據更新頻率，下發數據的指令級別要高于上傳數據的指令級別。總體而言，站內控制系統或者DCS系統對數據的實時性要求更高，而站外控制系統相對一般。因此，為了實現這個要求，PCS7 TELECONTROL方案中對于站內控制系統采用標準的PCS7解決方案，采用冗余快速工業以太網的結構，以MAC地址尋址的模式，即在數據鏈路層就實現數據的交換，無需經過網絡層，這樣大大提高了數據訪問的實時性。站外控制系統，則采用標準的工業以太網模式，利用支持路由功能的三層工業以太網交換機，將站外所有需要進行數據通訊的節點連接起來，以進行數據通訊。

　　如果將這兩種數據訪問服務集中到一套數據服務器上，DCS數據訪問服務必然會受到影響。因為站外數據訪問服務的周期要遠大于站內DCS數據服務周期，隨著站外控制系統數據量的增加，數據服務器本身無法區分站內數據服務和站外數據服務，因此整體數據訪問效率會大大降低。其次，站內控制系統是整個SCADA系統的核心，而這種基于C/S結構的控制系統，數據服務器的穩定性直接決定整個控制系統的穩定性，而穩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用分隔開，邏輯上又可以通過CAS或PROCESS HISTORIAN等軟件進行數據的集中管理。

　　冗余結構是提高穩定性的最直接也是最有效的手段。其次，可以采用將不同的數據服務分散到多個或者分布式的數據服務器中的模式，將數據風險分散。再次，就是提高數據服務器本身的可靠性。這三種方案都能夠有效提高系統的穩定性。本項目采用了冗余和分布式的模式，即每個數據服務器都是冗余配置，同時根據數據訪問服務的不同特點，將站內數據服務和站外數據服務分別部署到兩套不同的數據服務器中，在提高單數據服務器對通訊效率的同時，分散相應的數據服務。

　　對于第三種措施，即高穩定性的服務器，從性價比的角度考慮本項目沒有采用。這是一種成本極高的解決方案，也是一種真正的冗余的服務器。服務器中的任何一個原件都是冗余的，并且可以實現內存的同步。

　　2、站內數據與站外數據的邏輯統一；

　　SCADA系統的核心是數據庫。一般的SCADA應用中都包含實時數據服務（數據庫）和歷史數據服務（數據庫）兩種。

　　實時數據庫的重要特性就是實時性，包括數據實時性和事務實時性。數據實時性是現場IO數據的更新周期。一般數據的實時性主要受現場設備的制約，即控制器設備的通訊能力。事務實時性是指對事務處理的速度，它可以是事件觸發方式或定時觸發方式。事件觸發是該事件一旦發生可以立刻獲得響應，這類事件可以得到立即處理，但比較消耗系統資源；而定時觸發是在一定時間范圍內獲得調度權。一般的實時數據庫，從系統的穩定性和實時性而言，必須同時提供兩種調度方式。實時數據庫一般以文件的形式保存。

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

　　本項目中，無論站外控制系統和站內控制系統如何劃分，都需要一個統一的數據服務。除了站內的多個控制系統間可以便捷的進行數據訪問外，站外系統之間以及站外系統和站內系統間也需要能夠進行數據訪問。從系統管理的角度出發，也必然要求一個統一的數據庫，以便于將站內系統和站外系統有機的融合到一起。

　　在PCS7 TELECONTROL解決方案中，最多可支持11對(套)數據服務器的數據集中保存。本項目中，將兩套數據服務器的數據集中到一套磁盤陣列中進行數據持久化保存。區別于傳統硬件技術，采用磁盤陣列來保存數據主要有以下優勢：

　　•   它是專用、高可用性共享存儲解決方案，可以連接多臺服務器，在混合虛擬化工作負載中實現均衡的性能。

　　•   可滿足高性能的應用要求。

　　•   實現更高的管理效率。

　　•   部署可擴展性和靈活性，有助于實現數據分層，優化系統性能。

　　•   多種數據保護能力。

　　•   在線擴展功能。

　　•   支持多種RAID 級別。

　　3、編程方式；

　　無論是DCS系統還是SCADA系統，編程方式時完全一樣的。都采用同一個PCS7的編程環境，同一種編程方法，同一種面板，同一種數據管理模式。主要的不同在于，DCS采用西門子專用的基于MAR尋址方式的容錯連接，而SCADA應用則采用普通的基于TCP/IP的網絡連接，在這個網絡之上，可以采用DNP,60870，MODBUS-TCP等開放的通訊協議，與非西門子產品進行數據交換。從前端表現形式來講，則是完全統一的，即DCS和SCADA的操作方式、報警形式、界面風格等幾乎完全一樣。

　　SCADA系統的功能

　　•    對包括處理廠在內的整個氣田各站場裝置設備完整的數據采集；這是SCADA系統最基本的功能，也是最重要的功能。通過TELECONTROL提供的高效率的通訊協議軟件，與現場各種設備通過網絡進行數據訪問；

　　•    對包括處理廠在內的整個氣田各站場的工藝流程進行動態顯示，同時顯示各種工藝參數、設備狀態、報警信息等；

　　•    站內裝置設備的可靠操作。站內系統還是采用傳統的過程控制的模式，實現對站內裝置設備可靠操作。

　　•    站外裝置設備的遠程操作。各裝置設備都位于通訊網絡的各個節點上，因此遠程操作是SCADA系統的重要功能。采用經過優化驅動程序，控制命令可即時下發，命令下發的實時性得到最大程度的保證；另外，在通訊中斷時下發的命令，不會在通訊恢復的時候生效，可保證操作的安全。

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

　　•    集中的數據平臺。無論是站內數據還是站外數據，均集中到同一個歷史數據庫中，但是實時數據服務各種工作，互不影響。單機或單系統的服務失效不會影響到整個SCADA系統的運行。

　　SCADA系統的作用

　　SCADA系統目前越來越廣泛，它對生產管理所起了重要的作用：

　　•    為氣田安全生產、集中管理、統一調度指揮提供了完整的數據支持和設備條件。

　　•    為優化生產工藝、提高生產效率提供了數據及技術支持。

　　•    冗余結構的安全防護措施、多種形式的故障報警、遠程控制功能為氣田安全生產提供了有力保障。

　　•    完整的數據采集與歷史數據存儲，為生產過程分析、事故追憶、落實崗位責任、提高生產管理水平提供了數據依據。

　　•    完備的遠程監控功能可以節省人力資源，降低生產成本，提高氣田的生產經營效益。