嵌入式中间数据库在SCADA系统中的应用

靳海鹏,田世澄,周 勇

(1.中国地质大学,北京 100083;2.中国石油海外勘探开发公司,北京 100034; 3.中国石油北京油气调控中心,北京 100007)

信息技术及应用

嵌入式中间数据库在SCADA系统中的应用

靳海鹏1,2,田世澄1,周 勇3

(1.中国地质大学,北京 100083;2.中国石油海外勘探开发公司,北京 100034; 3.中国石油北京油气调控中心,北京 100007)

采用基于中间件的技术,在SCADA系统分布式异构异种环境下,对异构实时数据库采用统一的、开放的标准数据通信接口进行实时数据传送,搭建油气管道统一中间实时数据库平台,供不同应用程序和系统等共享在线生产数据,提高了数据库开发的效率。同时该系统采取相应网络安全措施,实现了其他业务与管道实时监控系统的有效隔离,确保油气管道SCADA系统安全可靠运行。通过对嵌入式实时数据库在油气管道信息化中的应用,解决了SCADA系统数据孤岛问题,极大地提升了油气管道生产经营各方面信息的综合水平,在实际生产应用中取得很好效果。

嵌入式;中间数据库;SCADA系统

0 引 言

近十几年来,随着SCADA技术的迅猛发展,油气管道行业在长期的信息化工作中积累了大量数据,油气管道行业迫切需要利用中间件系统进行企业信息数据的整合。原不同厂商的SCADA系统均使用Oracle和Sybase通用关系数据库,对于时序性要求很强的管道生产数据,鉴于目前几十万数据点的规模,通用关系数据库的处理和存储能力并不具备优势。同时由于实施SCADA系统的阶段性、技术差异性以及其他因素的影响,例如检索5个以上数据点在1个月时间段的生产数据,请求响应时间超出5 min;200 M/d以上的数据归档和备份难以管理等,不同的数据库间的互操作、传输不可靠等问题,导致信息孤岛问题越来越突出,这种分布式异种异构信息环境,造成了数据重复录入、数据利用率不高等弊端,极大地降低了工作效率,也影响了相关油气管道生产经营决策工作的开展。

该文以应用嵌入式中间数据库在油气管道SCADA系统分布式异构异种环境下,从软硬件配置、通信接口、数据采集存储以及安全措施等多方面进行研究,搭建中间实时数据资源平台中心,解决企业信息孤岛问题的实际案例,该系统在油气管道信息化中的应用取得较好的实际效果。

1 系统架构及功能

中间数据库平台系统是一个面向油气SCADA系统的生产过程实时监视系统,从信息化网络架构来看,位于SCADA系统控制网与办公网之间,实现油气管道SCADA系统的安全隔离,完成生产实时数据库的平台整合。系统基于工业实时数据库PI系统搭建,采用Window Cluster群集技术部署数据库平台,支持服务器冗余、网络冗余,保证了系统的安全稳定运行;在数据存储方面,系统使用光存储域网络(SAN)不仅支持高效数据读写速率,同时也提供了海量的、可扩展的数据存储空间,为上层应用系统如在线仿真、能耗分析和ERP信息化系统等提供安全可靠的数据源。系统的总体结构如图1所示。

图1 中间实时数据库系统平台网络拓扑示意

1.1 系统软件及功能

鉴于不同油气SCADA系统数据量极多的情况,为了便于今后管理和维护,PI数据库系统采用分布式结构,即数据通信服务器分布式采集数据,实时和历史数据集中管理。PI数据库系统基于Windows Server操作系统。

PI数据库系统以数据原型储存,数据源是惟一的。PI服务器存储的数据类型有整形、实型、字符型、开关量和二进制数值。生产过程的实时数据和历史数据是整个中间数据库平台系统的核心和基础,实时数据库的性能与稳定性直接关系到其他应用软件的运行效率和系统的稳定性,该系统采用工业中应用较为成熟的PI实时数据库系统,利用其先进独创的数据压缩技术、数据处理能力、丰富的各客户端软件以及SDK应用程序接口开发等组件,把不同厂商SCADA系统的实时数据资源进行有效地整合,实现了数据源和分析数据的分离。虽然PI数据库系统有诸多优点,但是PI服务器软件运行性能与其硬件和网络的性能密切相关。

1.2 系统硬件及功能

SCADA实时数据服务器(A～D):不同的厂商、运行在不同平台上的异构实时数据库服务器通过广域网,利用CIP,IEC 60870-5-104,Modbus等数据传输协议,采集现场实时生产数据,为中间实时数据库提供数据资源。

通信服务器:直接与SCADA服务器通信,实现SCADA系统实时数据的采集。

中间数据库服务器:安装了PI数据库,负责接收、处理和存储来自通信服务器采集来的SCADA系统的实时数据,主、备冗余机制。

磁盘存储系统:为中间数据库数据以及镜像数据库数据提供数据存储空间。

PI通信服务器:用于将实时数据库服务器的数据向镜像数据库服务器进行单向传输,其中一台负责从实时数据库获取数据,并用单向传输协议发送数据,另一台负责接收单向传输数据,并将数据送至镜像数据库服务器。

镜像数据库服务器:安装了PI数据库,负责从PI通信服务器接收、处理和存储来自SCADA系统实时数据,并为高级应用系统提供数据支持,主、备冗余机制。

Web服务器:用于系统组态数据发布,支持Web方式的数据访问。

1.3 网络设备及功能

防火墙。用于中间实时数据库网与SCADA系统控制网之间的安全防护。

单向隔离装置。使用单向隔离装置的目的是为了隔离业务的同时,进行安全的数据交换,只进行文件数据的摆渡,确保数据只能从中间实时数据库网向外单向传输数据,阻止了办公信息网任何数据向中间实时数据库系统的逆向数据流动,保证了整个系统的安全运行。

2 数据传输网络

中间实时数据库系统平台网络主要包含3个网络:SCADA系统控制网、中间实时数据库网以及办公信息网。从系统拓扑结构看,中间实时数据库网既与SCADA系统控制网相交,负责采集SCADA系统实时数据,又与办公信息网相连,负责为上层应用系统提供数据应用支撑,完成了从现场生产实时数据到办公信息网应用系统的数据转换。中间实时数据库系统通信网络主要包括:中间实时数据库系统与 SCADA系统之间数据通信、中间实时数据库内部之间数据通信、中间实时数据库系统与办公信息网之间数据通信。系统整体数据通信结构如图 2所示。

图2 中间实时数据库系统数据通信结构

2.1 中间实时数据库系统与SCADA系统之间数据通信

不同SCADA实时服务器上各安装了OPC Server作为数据源,并各自设置一台通信服务器,对应安装一个 PI-Opcint的OPC客户端接口程序,采用OPC通信方式[1],实时采集SCADA实时服务器上在线生产数据,实时数据经过防火墙,通过PI-SDK模块把数据上传至 PI-System进行过滤、压缩、存储等处理,从而完成为中间数据库服务器的采集数据工作。

PI数据库系统所有 PI-Opcint接口都具有数据缓存功能,当通信服务器与数据库服务器之间通信中断时,接口获取所有带时间标签的数据会缓存在本地,待通信恢复后,自动将数据上传至数据库服务器,保证生产数据的完整性。

2.2 中间实时数据库系统内部通信

PI通信服务器(发送)从中间数据库服务器获取SCADA系统采集的实时数据,通过单向隔离装置,把原有的双向通信协议转换为单向通信协议,将实时数据发送至PI通信服务器(接收),它将收到数据作为镜像数据库服务器的数据,这些数据作为仿真等高级应用系统的数据源。中间实时数据库服务器到镜像数据库服务器之间通信协议转换如图3所示。

在PI通信服务器(发送)上安装PI通信程序组件DataSender[2],负责通过 PI-SDK获取 PI数据库实时数据,然后对数据进行重新组合、封装,使得转换后的数据通信可以通过单向隔离装置;在PI通信服务器(接收)上安装 PI通信程序组件DataOPC,负责接收来自DataSender发送的实时数据,并对数据进行拆包、重新组合,将数据封装到OPC Server中,此OPC Server将作为数据源,向位于办公信息网的镜像数据库提供实时数据。

镜像数据库通过在PI通信服务器(接收)上安装PI-Opcint的OPC Client接口程序,实时采集OPC Server中的数据,并通过 PI-SDK模块将数据上传至镜像数据库PI系统进行过滤、压缩、存储等处理,从而完成实时数据库系统的数据到镜像数据库系统的实时传输过程。

图3 中间实时数据库服务器到镜像数据库服务器之间通信协议转换

2.3 中间实时数据库系统与办公信息网通信

中间实时数据库系统在办公信息网提供基于C/S的系统访问模式以及基于B/S的数据浏览模式。

基于C/S的系统访问模式:在拥有授权访问许可的情况下,办公信息网的高级应用系统通过安装PI系统的接口客户端访问程序或者数据源,可以实时访问镜像数据库服务器上的数据。

基于B/S的数据浏览模式:在拥有授权访问许可的情况下,办公信息网的任何终端利用IE浏览器,能够通过PI-ActiveView组件对系统发布的组态画面和实时数据以及历史数据趋势进行在线查询。

2.4 数据存储与SAN网络

中间数据库服务器和镜像数据库服务器采集的数据,通过存储域网络(SAN)存储在磁盘阵列中,两套服务器数据库共用一套磁盘存储系统,互不干扰。其中磁盘存储系统采用光纤作为数据通道,提供了强大的数据读写能力。该系统配置了大量高速SAS硬盘,并以RAID 6模式的数据存储方式,这种数据存储模式既充分地利用了磁盘存储空间,又有效地保证了存储数据的安全。

3 数据存储

中间实时数据库系统数据采集点规划容量45万点以上,目前系统运行的采集点占规划的1/8,为中间实时数据库系统提供了海量的、可扩展的数据存储空间。

磁盘存储系统采用RIAD 6的存储模式,在此模式下即使有2块硬盘损坏,系统也能够恢复数据,保证了系统的数据安全运行;配置热备份硬盘,若某块磁盘出现故障,该系统能够及时自动进行切换,保证了系统的连续稳定运行。下面以中间实时数据库系统配置和数据存储为例,说明中间实时数据库系统的存储情况。

中间实时数据库系统的历史数据磁盘存储系统指标:实时数据库历史数据可用存储空间2 T;实时数据库单个历史数据文件大小400 M以上,单个历史数据文件可存储约35 h;按照当前系统容量计算,可存储约4 000天以上数据;按照系统45万点的计算,可存储约500天数据。

4 安全防护

SCADA网络直接对现场设备进行操作,属于生产控制网,绝对不允许有网络攻击或者病毒,拥有最高的安全级别。中间实时数据库系统在各个网络之间做了充分的安全防御措施。中间实时数据库系统建立了一套完整的系统安全体系,包括系统网络安全、数据访问安全、用户认证及授权安全。

通过部署单向隔离装置、物理防火墙等硬件设备,实现了SCADA系统控制网和中间实时数据库网之间逻辑隔离,中间实时数据库网与办公信息网之间物理隔离,阻止办公信息网任何数据向SCADA系统和中间实时数据库系统的逆向流动,在物理链路上是绝对的单向;通过配置数据库不同访问权限的账户以及防火墙的端口访问、IP地址访问权限以及网络数据包进行检测和过滤等安全策略的集中配置,数据访问安全、认证授权策略与现有系统防火墙安全策略进行集成,共同实现用户认证及授权安全管理功能。

这些安全防护措施不仅有效地保护SCADA网络和中间实时数据库网,防止网络攻击、病毒入侵,提供安全的网络连接,确保SCADA系统和中间实时数据库系统的安全稳定运行。

5 主要性能指标

中间实时数据库系统的性能指标:系统可靠性为99.99%;群集模式下主备服务器冗余切换时间小于60 s;系统最大容量达80万数据点;系统吞吐量达5万数据记录/s;在线可管理最大数据量达64 T;对于典型管道历史数据压缩比,在满足精度要求的情况下,可以达到10∶1;支持32个以上客户端并发访问;查询一个浮点型变量的8.64×104个数据记录所需时间小于50 s;设备平均CPU占用率小于20%。

6 结束语

嵌入式中间数据库系统的应用,建立了一个资源共享、统一管理、安全可靠的智能数据平台,解决了各系统间的数据交换问题,彻底解决了油气管道信息孤岛问题,为油气管道数据分析、优化控制、负荷优化与节能诊断提供了重要的生产信息管理工具与决策支持系统的基础数据,使管道的生产计划、资源平衡、节能降耗和预测决策等应用取得良好的效果,提高了企业的整体运行和管理水平。

[1] 杨 譞.PI实时数据库系统在石油化工生产管理中的应用[J].石油化工应用,2007,26(8):69-70.

[2] 班建民,付保川,朱 音.基于嵌入式数据库的实时数据采集方法[J].微计算机信息,2005,21(7):1-3.

[3] 林伟潞,钱 宇,李秀喜,等.化工过程集成运行系统的研究[J].化工自动化及仪表,2000,27(1):6-7.

[4] 王成光.流程工业大型实时数据库理论:技术与应用[D].杭州:浙江大学,2003.

[5] 叶建位,苏宏业.实时数据库关键技术及实现[J].计算机应用研究,2005,22(3):45-47.

[6] 蒋文刚,陈 选.兰州石化公司实时数据库应用系统[J].甘肃科技,2007,23(12):38-41.

[7] 黄文君,徐 慧.数据压缩技术在实时数据库的应用研究[J].仪器仪表学报,2006,27(6):26-28.

The Application of the Embedded Intermediate Database in SCADA System

Jin Haipeng1,2,Tian Shicheng1,Zhou Yong3
(1.China Uni.of Geosciences,Beijing,100083,China;2.China National Oil and Gas Exploration and Development Co.Ltd.,100034,China;3.Beijing Oil& Gas Pipeline Control Center,PetroChina,100007,China)

Based on middleware technique,the uniform and open standard data communication interface is adopted for different structure realtime database to transmit realtime data under the SCADA system distributed circumstance of pipeline,which structure the intermediate realtime database platform and share line production data with different program or different system.This technology has improved the efficiency of development of database.At the same time the appropriate network security measures is adopted in this system,which isolate SCADA system of pipeline from other works and ensure the SCADA system of pipeline safe and reliable.The data island issue in SCADA system is resolved by the application of this technique and the management level is greatly improved;and it has achieved very good effect in the practical production application.

embedded;intermediate database;SCADA systems

TP274

B

1007-7324(2010)06-0052-05

2010-07-26。

靳海鹏(1970—),男,1994年毕业于江汉石油学院采油工程专业,长期从事油气田开发和油田自动化工作,目前为中国地质大学(北京)在读博士,已发表学术论文十余篇,任高级工程师。