长输管道SCADA系统选型及应用

张继光 王凤琴

【摘 要】随着国内成品油管道的大量建设，特别是长距离数字化管道的发展，要求其控制系统在控制、安全等方面具有更高的可靠性、开放性。对于工厂企业等最终用户而言，面对各种各样的 SCADA 系统，由于国内外众多厂商SCADA系统的结构及实现方式各不相同，恰当的选型成为重要的核心问题。

【关键词】数据采集与监视控制；长输管道；集中式结构；分布式结构

1.长输管道监控特点

长输管道一般分布广泛、站点较多，输送介质多为天然气、原油、成品油、液态天然气、水和其他液态化工产品等。一般采用密闭输送流程，所有泵站、压气站、分输下载站、配气站、截断阀室和管路等构成完整的水力系统。因此，长输管道一般设立调度控制中心由SCADA系统进行集中监控、统一调度，实现中心控制、站控和就地控制相结合的控制方式。有的管道设立站点监控，有的并不设立站点监控，而是通过调度控制中心统一进行管理。站点的远程端由PLC或RTU进行数据采集和监督控制，将控制数据传输到调度中心，从而完成整个管道的自动化控制。长输管道的通信系统是决定整个SCADA系统可靠性和有效性的重要基础，目前多采用自建光纤、卫星、微波、电话等多种方式，不同的通信基础直接决定了SCADA系统调控中心数据库系统结构的选择方式。通过以上分析，可以看到非光纤通信条件下，长输管道要求SCADA系统设计必须满足低速和有限带宽的长距离通信要求。在SCADA系统中，控制器中的数据以非常小的数据包进行传输，许多历史数据存储在中心数据库中。监控数据以逢变则报或进行内部轮询以达到最小数据的目的传输，并且控制器都具有历史回填的功能，在通信恢复时，能够将传送失败的历史数据重新传输到中心数据库，以保证数据的完整性。

2.长输管道SCADA系统国内外现状及发展

SCADA系统是建立在数据库基础之上的一系列应用软件的组合，其主要功能有系统模拟图实时监控—实时监测沿线各站库生产运行数据；历史数据分析—包括历史数据曲线、超限额运行时间统计等。经概括，SCADA系统的硬件构成有四种形式：PC+板卡，PLC，DCS及RTU远程终端单元，在功能上都有完成数据采集与控制的能力，但它们各有不同的适用范围。DCS适合于大型生产装置，如炼油厂、化工厂的大型成套化工装置，DCS具有独立的软硬件，运行稳定可靠；缺点是价格昂贵，扩充麻烦。PLC适用于控制，规模可大可小。RTU则适用于小型局部的场合，优点是通信灵活，计算与数据存储能力强，如用于输气管道进出口的流量采集，天然气计量采用RTU产品，具有明显的甚至不可替代的优势。可实现SY/N6143计量标准嵌入式应用，大幅提高可计量程序运行的可靠性和实时性；流量累计等重要数据在RTU内做备份，而不仅依赖传统的计算机做数据备份，即使计算机和通信设备出现故障，数据依旧可恢复，大幅提高了数据存储的安全性。SCADA系统由 PLC和通信技术共同发展而来，具备高度灵活的通信方式；可选择自建光纤，租用公网，卫星通信，CDMA，GPRS等有线和无线通信方式；根据不同的通信方式选择适合的通信协议，目前常用的有DNP，OPC，CIP，Modbus TCP/IP，IEC60870-5-104 TCP/IP 等；可根据施工和投资的具体方案及数据通信所需带宽的要求，选择合适的通信方式。基于目前采用集中控制的要求，一般设有两个独立的物理网络，并保证SCADA 通信系统的冗余性。

3.调度控制中心数据库的集中式和分布式结构

集中式系统结构虽然效率高，但由于负荷集中，计算机硬件和软件的扩充受到限制，目前国外很多厂家的远程站点的数据库都限制在25000点以内。如中石油北京油气调控中心，由于不同管段的建设时间不同，其选用的 SCADA系统不同，造成调控中心必须选取集中式系统结构。其天然气管道，为保证调度中心SCADA 系统的稳定性，将所有站点分为几套服务器分别进行处理。在这种特大型结构中，必须选择最佳数据存储方法和访问结构，集中式也要解决这些差异问题。再如，中国石化运行的珠三角成品油管道，采用 ABB公司的SCADAVISON集中式数据库，目前站点为22个，数据点达22000点，也基本达到了它的运行负荷能力。目前，世界范围内天然气长输管道多采用该种结构，需要调度中心数据服务器根据站点数量进行统筹划分设置。

在集中式数据库系统和通信技术发展的基础上产生和发展了分布式数据库系统，虽然已发展成熟，但工业化控制系统采用这种数据库的SCADA系统的情况出现在20世纪90年代末，成功推出应用的也不是很多。各个站点服务器的采集数据原理同集中式；区别在于调度中心总服务器对各个站点服务器数据库进行实时访问，通过一定的数据访问权限和验证模式的设置和授权形成了全局共享结构，实现了全局数据库信息的调用。历史存储信息分布在各个远程站点中，站点中的数据库服务器的数据实时发布到调度中心总服务器内存中，调度中心总服务器仅对重要数据进行处理和归档，而实时操作日志分别存储在调度中心总服务器和相应数据源的站点服务器中，从而实现了数据、网络优化的高效数据库。目前典型应用的场合是中国石化的西南成品油管道，全线共21个站点，2座调度控制中心。这种分布式数据库实现了对处于极度分散的远程数据的无缝访问，实现操作控制信息的交互、动态调整用户和信息应用需求。不同数据库间的历史查询，避免了数据库的复制，同时避免了控制层 PLC控制器数据的双重响应。实时数据、报警、操作日志只有在发生变化时才会递交给调度中心服务器；没有设置内部系统的轮询机制，也降低了对通信系统的要求。虽然目前工业用分布式数据库系统还处于中小型阶段，能否向更大数据库的规模化发展，受到通信系统、计算机和软件应用系统的可用性、可靠性及数据的存取效率等的直接影响，有待理论的进一步突破。

4.集中式和分布式系统结构比较

两种数据库技术在工业领域都有实际的应用，分布式系统结构是在集中式系统结构的基础上发展起来的，但并不是简单地将集中数据库分散到不同的场地，它在实现数据库的独立性、数据共享、数据冗余、并发控制、完整性、安全性、事务处理等方面具有更加丰富的内容。分布式数据库较集中式数据库有着自己不可替代的优势，若网络结构中通信恢复、诊断、优化的问题能得到解决，必将在SCADA系统和生产管理系统等融合扩展方面取得更大的发展。

5.结束语

集中式系统结构的SCADA系统作为经典、成熟的结构方式，已在长输管道领域得到广泛的应用；而分布式系统结构是数据库技术和网络技术两者相互渗透和有机结合的成果。作为一门创新技术，若网络结构中通信恢复、诊断、优化的问题能得到解决，分布式系统结构的SCADA系统将有更加长足的发展。因此，在实际应用中要灵活选用，根据系统的安全可靠性和运行模式要求配置主控中心、备用控制中心、分控站和站控，最大限度地发挥不同结构的作用。

【参考文献】

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