謝孝宏（1975－）

男，四川達(dá)州人，工程師,1998年大學(xué)畢業(yè)于湖南湘潭工學(xué)院，2006年工程碩士畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，現(xiàn)工作于中石化天然氣川氣東送管道分公司生產(chǎn)運(yùn)行處，負(fù)責(zé)SCADA系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)和管理工作等。

摘要：文章首先簡述了長輸管道SCADA系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，接著從通信與網(wǎng)絡(luò)軟件、操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件等五個(gè)方面對系統(tǒng)的軟件架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，同時(shí)對SCADA系統(tǒng)軟件的性能進(jìn)行論述，主要包括功能性、安全性、維護(hù)性和實(shí)用性等。

關(guān)鍵詞：長輸管道；SCADA；架構(gòu)；性能

Abstract: The article first outlines the long-distance pipeline SCADA system hardware structure, then dissertates the system software architecture from the communications and networking software, operating systems, real-time database, the configuration software and application software in the details, and finally gives the discussion on the performance of software, including features, security, maintenance and utility.

Key words: Long-distance Pipeline；SCADA；Architecture；Performance

    SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)督控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備和工況的監(jiān)督和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、狀態(tài)檢測、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢等多項(xiàng)功能。由于各行各業(yè)的應(yīng)用重點(diǎn)不同，對具體的SCADA系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)情況差別較大，由于它是位于控制設(shè)備之上，側(cè)重于管理的軟件，在不同行業(yè)中的SCADA系統(tǒng)軟件上更是各有特色。

1  長輸管道的特點(diǎn)

    管道運(yùn)輸是綜合運(yùn)輸體系的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。管道運(yùn)輸具有輸送能力大、效率高、能耗少、成本低、運(yùn)輸安全可靠、輸送產(chǎn)品損耗小、易于實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)視與控制等優(yōu)點(diǎn)，這些獨(dú)特的優(yōu)勢使得管線運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅速。

    長輸管道通常是指距離長、管徑大、輸量高的管道，在正常生產(chǎn)過程中輸送壓力高、流量和溫度相對平穩(wěn)，主要是由站場（Stations）和管路(Pipeline)兩部分組成。根據(jù)輸送介質(zhì)的不同，站場主要有首站、加壓站、加熱站、分輸站、計(jì)量站、清管站和末站等，其任務(wù)是供給輸送介質(zhì)一定的動能和熱能，將輸送介質(zhì)安全、經(jīng)濟(jì)地輸送支目的地；管路上每隔一定距離設(shè)有為減少事故危害、便于搶修，可緊急關(guān)閉的若干截?cái)嚅y室以及陰極保護(hù)站等。在地理位置上，跨度較大、站場及管道分散；在功能上，設(shè)備操作相對簡單，站場間具有相似性，調(diào)節(jié)時(shí)間要求低；在安全性上，可靠性較高，要求有故障檢測功能等。

2  長輸管道SCADA系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

    長輸管道的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)督控制系統(tǒng)，主要由設(shè)在控制中心的主機(jī)/服務(wù)器、設(shè)在各站的遠(yuǎn)程控制終端（RTU）或智能控制設(shè)備（LED）或可編程邏輯控制（PLC）和高性能的通信系統(tǒng)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。控制中心的計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對各站場和遠(yuǎn)控閥室的RTU/LED/PLC設(shè)備進(jìn)行控制，不斷采集各站的操作數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并向這些設(shè)備發(fā)出操作或調(diào)整設(shè)定值的指令，從而實(shí)現(xiàn)對整條長輸管道的統(tǒng)一監(jiān)視、控制和調(diào)度管理。各站場控制系統(tǒng)的RTU/LED/ PLC等控制器與現(xiàn)場傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和成套裝置的操作站（UPC）直接連接。長輸管道采用的SCADA系統(tǒng)的硬件配置形式如圖1所示。

 
                                     圖1   SCADA系統(tǒng)硬件構(gòu)架

3  SCADA軟件的結(jié)構(gòu)

    軟件是系統(tǒng)的靈魂，SCADA軟件主要分為通信與網(wǎng)絡(luò)軟件、操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件等5個(gè)方面，其中操作系統(tǒng)是所有軟件的基礎(chǔ)，通信與網(wǎng)絡(luò)軟件是聯(lián)系硬件設(shè)備的紐帶，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)信息交換的平臺，組態(tài)軟件是系統(tǒng)架構(gòu)的工具，應(yīng)用軟件則是SCADA系統(tǒng)功能的體現(xiàn)。SCADA軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2   SCADA軟件結(jié)構(gòu)圖示

3.1 操作系統(tǒng)

    操作系統(tǒng)是所有軟件的基礎(chǔ)。常用的主要有DOS、Windows和Unix（或Linux）三種普遍使用的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是為了方便用戶，管理和控制計(jì)算機(jī)軟硬件資源的系統(tǒng)軟件（或程序集合）。操作系統(tǒng)的主要功能是作業(yè)管理、文件管理、存儲管理、設(shè)備管理和進(jìn)程管理。嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺，主要有：Windows CE，VxWorks，Psos等。

3.2 通信與網(wǎng)絡(luò)軟件

    通信與網(wǎng)絡(luò)軟件是聯(lián)系硬件設(shè)備的紐帶。SCADA網(wǎng)絡(luò)和通信是將信號檢測、數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲、計(jì)算、控制等設(shè)備或系統(tǒng)連接在一起，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的資源共享、信息交換、和設(shè)備聯(lián)動，使得各項(xiàng)事務(wù)協(xié)調(diào)運(yùn)作，它是直接與硬件設(shè)備或軟件連接的信息公路。在與I/O設(shè)備通信過程中，一般采用請求式，大多數(shù)設(shè)備都支持這種通訊方式，也有的設(shè)備支持主動發(fā)送方式。主動發(fā)送方式即I/O設(shè)備在數(shù)據(jù)改變時(shí)主動向外界報(bào)告數(shù)據(jù)。有的設(shè)備也支持訂閱式通信。設(shè)備驅(qū)動程序應(yīng)該能夠支持各種通信模式。通信協(xié)議可以理解為一種簡單的交流語言，常見的協(xié)議有Modbus，Profibus等。設(shè)備驅(qū)動程序必須為每種協(xié)議編制相應(yīng)的代碼，軟件商一般將該部分做成標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)包，用戶可以自己開發(fā)。

3.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

    實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)信息交換的平臺。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫理論是在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，研究實(shí)時(shí)事務(wù)、實(shí)時(shí)并發(fā)控制和實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)用等有時(shí)間特點(diǎn)而發(fā)展的。在生產(chǎn)裝置運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，隨時(shí)掌握裝置的運(yùn)行狀況，并通過對生產(chǎn)過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，對出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行處理，使生產(chǎn)的運(yùn)行狀態(tài)保持平穩(wěn)。當(dāng)生產(chǎn)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，可以及時(shí)地做出反映；通過對影響原材料用量的過程以及對能量用量的監(jiān)測和分析，可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題，特別是對生產(chǎn)調(diào)度人員來說，可以及時(shí)地平衡物料供應(yīng)，減少單耗，提高經(jīng)濟(jì)效益；利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動態(tài)地監(jiān)控生產(chǎn)成本，可以使成本控制發(fā)生在生產(chǎn)過程中，而不是在生產(chǎn)過程完成后，以達(dá)到降低成本的目的等。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)平臺，可以利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)對生產(chǎn)的工藝過程進(jìn)行先進(jìn)控制、優(yōu)化控制和在線分析，反映生產(chǎn)的規(guī)律，實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，使過程處于優(yōu)化狀態(tài)。同時(shí)也可以通過對影響產(chǎn)量及質(zhì)量的過程參數(shù)的監(jiān)控，達(dá)到提高產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量的目的。還可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律對產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)和利潤進(jìn)行在線分析，預(yù)測產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖三所示：

         

                                     圖3   實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

3.4 組態(tài)軟件

    組態(tài)軟件是系統(tǒng)架構(gòu)的工具。一般來說，組態(tài)軟件與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是相互綁定的。目前常用的SCADA組態(tài)軟件主要有：三維力控、Wonderware、IFIX、OAsys等，組態(tài)軟件主要完成功能有：遠(yuǎn)程終端查詢、數(shù)據(jù)采集、傳指令、建立及管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、HMI顯示、記錄報(bào)警、報(bào)告生成軟件及運(yùn)行調(diào)度決策指導(dǎo)等。一般來說，具備SCADA系統(tǒng)的軟件都帶有一定功能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

    組態(tài)軟件提供了各種繪畫工具，同時(shí)提供了動畫連接手段，使圖形、文字等與現(xiàn)場的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)變化則畫面上圖形顏色、位置等也相應(yīng)改變，通過觀察畫面上的圖形文字就可以了解現(xiàn)場的狀態(tài)，并稱這種圖形文字與數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系為“動畫鏈接”。為了滿足過程控制和管理要求，同時(shí)還提供趨勢圖、報(bào)表、報(bào)警、腳本工具等。

3.5應(yīng)用軟件

    應(yīng)用軟件則是SCADA系統(tǒng)功能的體現(xiàn)。應(yīng)用軟件是基于動態(tài)數(shù)據(jù)采集的二次開發(fā)專業(yè)性軟件，這些專業(yè)性應(yīng)用軟件是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為平臺，以長輸管道的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為管理目的。主要包括有：長輸管道動態(tài)仿真軟件，包括管理地理信息GIS系統(tǒng)，水力模型仿真，熱力模型仿真，能量模型仿真等；泄漏檢測與定位軟件，包括目前流行的壓力波檢測系統(tǒng)，流量檢測，超聲波檢測以及模型法檢測等；水擊動態(tài)分析及保護(hù)軟件，基于生產(chǎn)流程的切換而造成的水擊預(yù)測及硬件保護(hù)等；長輸系統(tǒng)能耗綜合分析軟件，主要管道運(yùn)行效率動態(tài)分析，設(shè)備效率動態(tài)分析，系統(tǒng)綜合分析等；安全風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)分析軟件，包括防腐層狀態(tài)檢測與評價(jià)、動力機(jī)組振動檢測、站庫“數(shù)字化”安全管理等。

4  長輸管道SCADA 性能

    軟件應(yīng)用涉及系統(tǒng)的操作控制層、管理層和決策層等三個(gè)層次，充分利用信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的網(wǎng)上共享，業(yè)務(wù)處理自動化、數(shù)據(jù)共享信息化，保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。SCADA系統(tǒng)性能主要包括功能性、安全性、維護(hù)性和實(shí)用性等。

4.1 功能性

    SCADA系統(tǒng)的功能性主要是指該系統(tǒng)所有設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)程度，它可以根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)硬件、軟件和通信功能的實(shí)現(xiàn)度的總合來表示，功能性可以簡單定義為在一定運(yùn)行時(shí)間下，一套SCADA系統(tǒng)所有功能實(shí)現(xiàn)的百分度：

    軟件功能的實(shí)現(xiàn)與配套的硬件設(shè)備密切相關(guān)，不能單方面說硬件和軟件哪個(gè)功能更好。SCADA系統(tǒng)的軟件功能的核心不在于某一軟件系統(tǒng)的本身，而在于集成技術(shù)人員對應(yīng)用現(xiàn)場、基本功能的調(diào)查程度以及對相關(guān)接口程序的實(shí)現(xiàn)方法。沒有做不好的系統(tǒng)功能，只有做不完的功能調(diào)查；沒有全能的應(yīng)用軟件，只有不斷更新的軟件技術(shù)。針對具體的SCADA系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員、工程技術(shù)人員和現(xiàn)場用戶需要不斷地進(jìn)行交流和討論，只有將系統(tǒng)的應(yīng)用目的完全了解、熟悉、掌握后才能將功能做得更加完善。鑒于目前很多系統(tǒng)中采用多種應(yīng)用軟件，如何將不同軟件的接口程序編制成安全、可靠的代碼，這需要設(shè)計(jì)人員不斷地應(yīng)用新的技術(shù)、方法和思想。

4.2 安全性

    SCADA系統(tǒng)的安全性是功能實(shí)現(xiàn)的保證。安全性與可靠性在某種意義上沒有嚴(yán)格的區(qū)分。安全性更注重?cái)?shù)據(jù)的保密和整個(gè)系統(tǒng)的不易遭受外部攻擊，可靠性更偏重于系統(tǒng)功能的連續(xù)工作時(shí)間和突發(fā)事件的處理上。由于現(xiàn)場大部分計(jì)算機(jī)和過程控制器都具有網(wǎng)絡(luò)通訊能力，這使得網(wǎng)絡(luò)接口的安全性顯得格外重要。同樣，對數(shù)據(jù)存取的權(quán)限設(shè)置和安全性的不同類型及定義也十分重要。為了保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性和保密性，設(shè)定現(xiàn)場數(shù)據(jù)的共享、公開、保護(hù)等屬性和數(shù)據(jù)的分組使用權(quán)限，這些對于系統(tǒng)的安全性是非常必要的。

    在現(xiàn)代SCADA系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的連續(xù)長期穩(wěn)定工作，冗余是必不可少的。大部分計(jì)算機(jī)通常都構(gòu)架在冗余的本地局域網(wǎng)中，如果其中一臺操作站通信發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)上其它的操作站可以進(jìn)行 “無縫”連接和操作。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，核心工作站通常都設(shè)計(jì)成兩套，在某一操作站的硬件或應(yīng)用程序出現(xiàn)問題時(shí)，另一臺計(jì)算機(jī)可以立即接管正在處理的運(yùn)行過程，提高系統(tǒng)的安全性。

4.3 維護(hù)性

    可維護(hù)性是設(shè)計(jì)SCADA系統(tǒng)性能中又一個(gè)重要因素。如果一個(gè)SCADA系統(tǒng)具有良好而實(shí)用的診斷工具，不管在硬件還是軟件的故障檢測中，維護(hù)和維修時(shí)間都可以降到最低。根據(jù)不同行業(yè)SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用功能重點(diǎn)，制定科學(xué)合理和切合實(shí)際的診斷手段來保證系統(tǒng)可維護(hù)性是十分必要的。在保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行下，維護(hù)人員通過調(diào)試工具、糾錯(cuò)功能程序、更新手段等，準(zhǔn)確及時(shí)檢測到系統(tǒng)故障和存在問題，對系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行是非常必要的。可維護(hù)性也包括了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。系統(tǒng)的擴(kuò)展性是指增加新點(diǎn)、功能或設(shè)備等相對輕松與方便，同時(shí)滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求的停工時(shí)間。特定系統(tǒng)的擴(kuò)展性主要由現(xiàn)場應(yīng)用情況來決定，一般來說主要包括以下方面：

        ●  可用物理空間的擴(kuò)展

●  各種類型內(nèi)存容量的擴(kuò)展

●  處理容量和處理數(shù)據(jù)的擴(kuò)展

●  硬件點(diǎn)數(shù)、軟件及協(xié)議的可擴(kuò)展性

●  總線長度、連接點(diǎn)和數(shù)據(jù)量的擴(kuò)展等

4.4 實(shí)用性

    SCADA系統(tǒng)的實(shí)用性，簡單定義為在功能性、安全性和維護(hù)性滿足現(xiàn)場應(yīng)用的情況下，某一具體系統(tǒng)的整體性價(jià)比，也是系統(tǒng)的綜合性指標(biāo)的重要內(nèi)容。可以根據(jù)應(yīng)用場合/地理范圍/生產(chǎn)流程要求、系統(tǒng)硬件/軟件選型、通信網(wǎng)絡(luò)選型、現(xiàn)場安全性要求、維護(hù)周期要求等方面綜合考慮。以上關(guān)于SCADA性能的關(guān)系如圖4所示。

                           圖4   SCADA系統(tǒng)特性關(guān)系圖

5  結(jié)束語

    成熟的SCADA軟件在技術(shù)和管理上不斷完善，不斷發(fā)展，其技術(shù)進(jìn)步一刻也沒有停止過，并與現(xiàn)代控制理論進(jìn)行了緊密的結(jié)合，如專家系統(tǒng)、模糊決策、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，同時(shí)與當(dāng)前流行的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、Internet技術(shù)以及JAVA技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。面對當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)和現(xiàn)場管理日益精細(xì)化的要求，需要工程技術(shù)人員在應(yīng)用過程中，不斷融合和更新相關(guān)信息技術(shù)，取長補(bǔ)短，揚(yáng)長避短，不斷推出新一代的SCADA軟件和功能。

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