油气长输管道SCADA系统

图11-16 系统分层多级冗余

全线分成若干个区域。每个区设一个区域控制中心，负责该区所辖站的监控和数据采集，并将信息发送给中心控制室主计算机。中央主机从区域控制中心计算机处提取数据，监视全线工况。一旦区域控制中心计算机发生故障，中央主计算机可立即对该区进行监控。因此，区域中心计算机不设冗余。站PLC 可分区进行冗余。按所在区的工艺流程、设备，功能及在全线所处的位置进行组配，灵活冗余。对于特长管道，还可分为大区、小区设置。

对于管道较长，设站较多的情况宜采用这种冗余结构。这种配置既减轻了中央主机的负担，又能提高系统的可靠性，缩小故障发生范围，方便操作和维修根据管道输送的具体情况，区域中心计算机可以仅监视该区各站，并负责维修。国外一些大型管道多采用这种冗余结构。这种结构需占用较多的通讯线路。因此，在工程设计中，如何合理使用通信线路、选择什么样的通信方式，应视具体情况而定。

（5）全冗余结构（包括站级I/ O模件，如图11-17 所示）

图11-17 全冗余结构

这种大规模整体冗余结构，是在同一条管道上同时使用完整的两套SCADA 系统，占（租）用一条线路。这种结构可使用于环境恶劣、无人或少人的地区。这种系统的可靠性无可置疑，但是费用昂贵。因此，一般的工程很少采用。

11.5.2 SCADA 系统控制中心冗余结构

由以上分析可知，在SCADA系统的设计与运行中，控制中心是系统的心脏和核心。因此，在SCADA系统冗余结构中，控制中心计算机系统冗余的设计与研究是首要的和关键的。SCADA系统控制中心冗余结构大致可分为以下三类：

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（1）服务器冗余

在控制中心计算机系统中，若只有一套服务器，则系统存在一个脆弱点。一旦这套服务器发生故障，整个控制中心计算机系统就不能正常监视和控制全线工况。但是，配置一套与此服务器完全相同的冗余服务器将会消除这个脆弱点，使系统稳定。（如图11-18 所示）

图11-18 服务器冗余

服务器冗余方式下，系统正常工作时，由主服务器行使控制权，冗余服务器从主服务器读取数据以更新自身数据库，同时还可暂时充当显示终端；一旦主服务器发生故障，控制权立刻移交给冗余服务器，系统依然能够正常工作；当主服务器排除故障、能正常工作后，系统再次将控制权交回主服务器，并确保无数据丢失。

这种冗余结构简单、经济，适用于短距离、且没有复杂严格的逻辑控制要求的管道。 （2）局域网冗余

在控制中心计算机系统中设置一套完全冗余的局域网将使系统更加稳定，排除因网络故障而造成的监控失败（如图11-19所示）。

图11-19 局域网冗余

在这种系统中，若服务器或局域网发生故障，控制中心计算机系统中仍有近一半的计算机可以正常工作。

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若在每个计算机中装两个网卡，那么，即使局域网中有一半计算机发生故障，整个控制中心计算机系统人仍能正常执行监控功能。

这种冗余结构可靠性较高，且经济、实用，应用较为广泛。 （6）系统冗余

这种整体系统冗余结构具有两套并行的报警、报表、趋势服务器和三个可暂时充当显示终端的冗余服务器（I/O SERVER）。（如图11-20所示）

图11-20 系统冗余

正常运行情况，系统下镜像所有的主服务器和冗余服务器。一旦主服务器（报警、报表、趋势服务器或输入/输出服务器）发生故障，控制权立刻移交给冗余服务器，所有的客户终端均从冗余服务器读写数据。当主服务器排除故障、能正常工作后，系统再次将控制权交回主服务器，并确保无数据丢失。

这种冗余结构稳定、可靠，适用于较大规模的SCADA系统。但是，在工程设计中，应精心规划系统主、从服务器的数据通信方式，做到最优。

11.6 油气管道SCADA系统发展动态

11.6.1 RTU技术的发展

在长输管道SCADA系统中，最初的RTU用来采集本地设备数据并进行远传，没有逻辑计算功能。经过几十年的发展，除原有的功能外，增加了数据滤波、数据整定、复杂数据计算以及过程控制功能。由于智能仪表及其它自动控制设备的发展，在长输管道中，现场总线（Field Bus）技术越来越受到人们的重视和应用。用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级控制功能，系统集成得到简化，并且维护十分方便。从现场总线接线盒到中央控制室仅需一根线即可完成数字通信。现场总线技术的应用最终会导致新一代的全数字、全分散、全开放的控制系统FSCS（Filed Control System）取代今天DCS和PLC的统治地位。

目前存在的问题是如何把现场总线技术应用到油气长输管道大型站场ACS系统中。 11.6.2 软件的发展

SCADA系统软件由操作系统，图形用户接口(GUI)软件，应用功能软件，数据采集软件以及离线编译器，图形编辑，编程软件，系统诊断软件等组成。目前操作系统有两大主流：一是以Microsoft Windows 98/NT为操作系统的软件群，随着微机性能的提高和普及，以Windows 98/NT为基础的应用越来越被广大的SCADA系统商和用户采用；另一个是以DEC的OPENVMS和UNIX为基础的操作系统，它有着相当成熟的SCADA系统软件和应用软件。图形用户界面软件大多采用以XINDOW为标准的界面软件，它可提供在一个显示器上进行多画面的共享功能，在更高级别的中断出现后，操作人员无需退出正在显示的画面就可以调出另一个画面进行处理。SCADA系统以正常的扫描速率将各RTU的数据读进SCADA数据库，存入硬盘，允许操作人员以各种方式对数据进行检索。另外，这些现场数据还在终端上以组合趋势画面的方式显示出来，给操作人员提供直观的提示和分析手段，而且还可被其它诸如检漏、优化、拟和MIS等应用软件调用。在一些新的SCADA系统中，还提供电子表格功能，结合实时数据\\历史数据，给操作人员提供了任意编制报表，计算功能而不需专用的报表生成软件系统。

计算机技术与网络技术的最新发展给长输管道SCADA系统带来了新的曙光。高速数据传输网络，电子信息公报栏（BBS），改进的自控系统和通信系统给运营决策者提供了比以往更为及时准确的实时数据。

SCADA系统未来的发展是朝着声音控制识别，提高数据处理能力，更快的时钟速率，更大的内存，更完善的应用软件方向发展。运用多媒体技术，对设备操作运作、故障及突发事件的监视、识别、诊断和预报，进

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行声、光、像等多种信息显示，提高系统操作的可视性和安全性。

11.6.3 SCADA系统功能与结构的发展

目前，随着基本的管道SCADA系统应用技术成熟，以及计算机功能的强大，使管道运营管理向更深层次发展。新一代的SCADA系统中所实现的目标是提供具有开放的SCADA系统，先进的网络技术，可移植在不同环境中的SCADA系统和MIS系统通过网络结合在一起，摆脱处于管理世界的边缘孤岛式SCADA系统，它带有用户财政系统和客户记帐系统和系统内的实时操作系统数据库，以帮助用户改善生产，优化管理，支持安全运行管理，完全实现了SCADA系统与整个企业的MIS联网。因此，新一代的SCADA系统具有优化支持系统、专家系统的高级SCADA系统功能。

在SCADA系统中，终端、工作站与PLC，通过局域网（LAN）或广域网（WAN）所有传统的实时SCADA系统的控制功能。如交互式区域设备显示，实时趋势显示图形，在线数据库生成，用户定义应用等。开放式结构可使用户在不受专用硬件、软件、网络限制的情况下，根据不断变化的需求配置用户所需的系统，使SCADA系统不断处于新的硬件和软件环境中。SCADA开放系统的标准已成为如ANSI、ISO、IEEE等国际组织认可的标准。许多标准SCADA系统设备厂商已达成了生产开放系统的协议，这就使SCADA系统标准化已成为一种趋势。开放系统具有以下优点。

（a）灵活性：增加或更新系统的组件不会影响系统的运行。

（b）经济性：开放的SCADA系统增加了软件、硬件的竞争者,从而降低了SCADA用户的成本。

目前，系统实时数据的接口，与RTU的接口及应用程序接口尚无标准。作为SCADA的核心,人机界面和数据管理系统由客户机/服务器模式构成。这种开放式计算机工作环境,可使计算机共享网内的资源和设备,便于实现多机互联,配置灵活,伸缩性强,提高系统的可靠性和可用性。新的SCADA系统为分布式系统结构,允许多处理器、外设等通过公共LAN互联起来,它们之间交换数据已无需建立个别的硬件连接,因此某个硬件故障不会影响网上的其它设备的正常运行。同时,网上增加设备将更加容易。这些系统的特点是使用多服务的,多工作站和外设连接在冗余的局域网上。因此,如果一个硬件出现故障,冗余的设备就会自动接替。另外,由于系统任务和数据库是分散在各处理机上执行和保存,系统因故障中断重新运行的时间就大大缩短,并且系统显示画面的数据更新、更快。在许多SCADA系统应用中还有应急备用系统(EBS),该系统是区别于SCASA系统的双机备份的另一套与主控SCADA在异地的远程监控系统。它可以完成SCADA的功能,并可直接和RTU或其它数据源及控制点进行通信,而无需主控机的中继数据作用,使系统的运营更安全可靠。目前在一些系统中,工作站已使用了RISC技术,主频达450MHz或更高。同时,内部接口驱动板支持4个彩色图形终端,文件服务器的CPU性能更高,内存也更大。在大多数的SCADA系统中已应用了小型过程处理专业服务器,一些终端服务器通过电话线或局城网专门与远程终端及其它计算机通信,终端服务器可以以不同的速率和协议同8-16个终端或计算机接口。一些性能更高的工作站,可以用来运行专门的SCADA任务,如历史数据库服务,它具有超大容量外存和数据备份机,用以保存系统大量的数据,为用户日后分析利用这些数据提供了基础。网络设备有了很大的发展,如桥、路由器、中继器、网关、调制解调器等技术的发展,给现代SCADA系统的发展提供了必要的手段。高分辨率彩显、投影显示系统、激光彩色打印机等外设给操作人员提供了一套更为完好的,更易于理解的控制系统辅助设备,同时也开发出了一整套安全系统保密措施以防非法用户侵入系统。光纤电缆已进入管道控制领域,应用逐渐扩大,通过卫星进行数据传输也日益增多。

综上所述,目前国内在长输管道行业的SCADA系统建设及应用方面已有相当大的进步。但总体来看, SCADA系统的许多重要功能还未完善与实施，尚需继续开发与研究,以达到世界长输管道行业SCADA系统的先进水平。

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