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謝孝宏（1975－）

男，四川達州人，工程師,1998年大學畢業于湖南湘潭工學院，2006年工程碩士畢業于中國石油大學(華東)信息與控制工程學院，現工作于中石化天然氣川氣東送管道分公司生產運行處，負責SCADA系統建設、維護和管理工作等。

摘要：文章首先簡述了長輸管道SCADA系統硬件結構，接著從通信與網絡軟件、操作系統、實時數據庫、組態軟件和應用軟件等五個方面對系統的軟件架構進行了詳細闡述，同時對SCADA系統軟件的性能進行論述，主要包括功能性、安全性、維護性和實用性等。

關鍵詞：長輸管道；SCADA；架構；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，即數據采集與監督控制系統，該系統是以計算機技術、網絡技術和現代控制理論為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。系統通過對現場運行設備和工況的監督和控制，以實現數據采集、設備控制、狀態檢測、參數調節以及各類信號報警、歷史數據查詢等多項功能。由于各行各業的應用重點不同，對具體的SCADA系統功能實現情況差別較大，由于它是位于控制設備之上，側重于管理的軟件，在不同行業中的SCADA系統軟件上更是各有特色。

1  長輸管道的特點

    管道運輸是綜合運輸體系的重要組成部分，在國民經濟發展中占有重要地位。管道運輸具有輸送能力大、效率高、能耗少、成本低、運輸安全可靠、輸送產品損耗小、易于實現自動監視與控制等優點，這些獨特的優勢使得管線運輸行業發展迅速。

    長輸管道通常是指距離長、管徑大、輸量高的管道，在正常生產過程中輸送壓力高、流量和溫度相對平穩，主要是由站場（Stations）和管路(Pipeline)兩部分組成。根據輸送介質的不同，站場主要有首站、加壓站、加熱站、分輸站、計量站、清管站和末站等，其任務是供給輸送介質一定的動能和熱能，將輸送介質安全、經濟地輸送支目的地；管路上每隔一定距離設有為減少事故危害、便于搶修，可緊急關閉的若干截斷閥室以及陰極保護站等。在地理位置上，跨度較大、站場及管道分散；在功能上，設備操作相對簡單，站場間具有相似性，調節時間要求低；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系統的硬件結構

    長輸管道的數據采集與監督控制系統，主要由設在控制中心的主機/服務器、設在各站的遠程控制終端（RTU）或智能控制設備（LED）或可編程邏輯控制（PLC）和高性能的通信系統構成分布式控制系統。控制中心的計算機通過數據傳輸系統對各站場和遠控閥室的RTU/LED/PLC設備進行控制，不斷采集各站的操作數據和狀態信息，并向這些設備發出操作或調整設定值的指令，從而實現對整條長輸管道的統一監視、控制和調度管理。各站場控制系統的RTU/LED/ PLC等控制器與現場傳感器、變送器、執行機構和成套裝置的操作站（UPC）直接連接。長輸管道采用的SCADA系統的硬件配置形式如圖1所示。

 
                                     圖1   SCADA系統硬件構架

3  SCADA軟件的結構

    軟件是系統的靈魂，SCADA軟件主要分為通信與網絡軟件、操作系統、實時數據庫、組態軟件和應用軟件等5個方面，其中操作系統是所有軟件的基礎，通信與網絡軟件是聯系硬件設備的紐帶，實時數據庫是系統信息交換的平臺，組態軟件是系統架構的工具，應用軟件則是SCADA系統功能的體現。SCADA軟件結構如圖2所示。

圖2   SCADA軟件結構圖示

3.1 操作系統

    操作系統是所有軟件的基礎。常用的主要有DOS、Windows和Unix（或Linux）三種普遍使用的操作系統，操作系統是為了方便用戶，管理和控制計算機軟硬件資源的系統軟件（或程序集合）。操作系統的主要功能是作業管理、文件管理、存儲管理、設備管理和進程管理。嵌入式操作系統是嵌入應用軟件的基礎和開發平臺，主要有：Windows CE，VxWorks，Psos等。

3.2 通信與網絡軟件

    通信與網絡軟件是聯系硬件設備的紐帶。SCADA網絡和通信是將信號檢測、數據傳輸、處理、存儲、計算、控制等設備或系統連接在一起，以實現系統內的資源共享、信息交換、和設備聯動，使得各項事務協調運作，它是直接與硬件設備或軟件連接的信息公路。在與I/O設備通信過程中，一般采用請求式，大多數設備都支持這種通訊方式，也有的設備支持主動發送方式。主動發送方式即I/O設備在數據改變時主動向外界報告數據。有的設備也支持訂閱式通信。設備驅動程序應該能夠支持各種通信模式。通信協議可以理解為一種簡單的交流語言，常見的協議有Modbus，Profibus等。設備驅動程序必須為每種協議編制相應的代碼，軟件商一般將該部分做成標準開發包，用戶可以自己開發。

3.3 實時數據庫

    實時數據庫是系統信息交換的平臺。實時數據庫理論是在關系數據庫的基礎上，研究實時事務、實時并發控制和實時任務調用等有時間特點而發展的。在生產裝置運行過程中，實時數據庫系統實時采集的運行數據，隨時掌握裝置的運行狀況，并通過對生產過程的關鍵數據的監控和分析，對出現的問題及時進行處理，使生產的運行狀態保持平穩。當生產狀態發生變化時，可以及時地做出反映；通過對影響原材料用量的過程以及對能量用量的監測和分析，可以及時地發現問題，特別是對生產調度人員來說，可以及時地平衡物料供應，減少單耗，提高經濟效益；利用實時數據動態地監控生產成本，可以使成本控制發生在生產過程中，而不是在生產過程完成后，以達到降低成本的目的等。通過實時數據庫的數據平臺，可以利用實時數據和歷史數據對生產的工藝過程進行先進控制、優化控制和在線分析，反映生產的規律，實時調整工藝參數，使過程處于優化狀態。同時也可以通過對影響產量及質量的過程參數的監控，達到提高產品產量及質量的目的。還可以根據統計規律對產品的質量數據和利潤進行在線分析，預測產品的產量和質量，從而達到提高經濟效益的目的。實時數據庫結構如圖三所示：

         

                                     圖3   實時數據庫結構

3.4 組態軟件

    組態軟件是系統架構的工具。一般來說，組態軟件與實時數據庫是相互綁定的。目前常用的SCADA組態軟件主要有：三維力控、Wonderware、IFIX、OAsys等，組態軟件主要完成功能有：遠程終端查詢、數據采集、傳指令、建立及管理實時數據庫、HMI顯示、記錄報警、報告生成軟件及運行調度決策指導等。一般來說，具備SCADA系統的軟件都帶有一定功能的實時數據庫。

    組態軟件提供了各種繪畫工具，同時提供了動畫連接手段，使圖形、文字等與現場的數據相關聯。現場數據變化則畫面上圖形顏色、位置等也相應改變，通過觀察畫面上的圖形文字就可以了解現場的狀態，并稱這種圖形文字與數據之間的聯系為“動畫鏈接”。為了滿足過程控制和管理要求，同時還提供趨勢圖、報表、報警、腳本工具等。

3.5應用軟件

    應用軟件則是SCADA系統功能的體現。應用軟件是基于動態數據采集的二次開發專業性軟件，這些專業性應用軟件是以實時數據庫為平臺，以長輸管道的安全生產和經濟運行為管理目的。主要包括有：長輸管道動態仿真軟件，包括管理地理信息GIS系統，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，流量檢測，超聲波檢測以及模型法檢測等；水擊動態分析及保護軟件，基于生產流程的切換而造成的水擊預測及硬件保護等；長輸系統能耗綜合分析軟件，主要管道運行效率動態分析，設備效率動態分析，系統綜合分析等；安全風險動態分析軟件，包括防腐層狀態檢測與評價、動力機組振動檢測、站庫“數字化”安全管理等。

4  長輸管道SCADA 性能

    軟件應用涉及系統的操作控制層、管理層和決策層等三個層次，充分利用信息技術，實現生產管理的網上共享，業務處理自動化、數據共享信息化，保證系統的安全可靠運行。SCADA系統性能主要包括功能性、安全性、維護性和實用性等。

4.1 功能性

    SCADA系統的功能性主要是指該系統所有設計功能的實現程度，它可以根據整個系統硬件、軟件和通信功能的實現度的總合來表示，功能性可以簡單定義為在一定運行時間下，一套SCADA系統所有功能實現的百分度：

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

4.2 安全性

    SCADA系統的安全性是功能實現的保證。安全性與可靠性在某種意義上沒有嚴格的區分。安全性更注重數據的保密和整個系統的不易遭受外部攻擊，可靠性更偏重于系統功能的連續工作時間和突發事件的處理上。由于現場大部分計算機和過程控制器都具有網絡通訊能力，這使得網絡接口的安全性顯得格外重要。同樣，對數據存取的權限設置和安全性的不同類型及定義也十分重要。為了保證整個系統的安全性和保密性，設定現場數據的共享、公開、保護等屬性和數據的分組使用權限，這些對于系統的安全性是非常必要的。

    在現代SCADA系統中，為了保證系統的連續長期穩定工作，冗余是必不可少的。大部分計算機通常都構架在冗余的本地局域網中，如果其中一臺操作站通信發生故障，網絡上其它的操作站可以進行 “無縫”連接和操作。在工業生產現場，核心工作站通常都設計成兩套，在某一操作站的硬件或應用程序出現問題時，另一臺計算機可以立即接管正在處理的運行過程，提高系統的安全性。

4.3 維護性

    可維護性是設計SCADA系統性能中又一個重要因素。如果一個SCADA系統具有良好而實用的診斷工具，不管在硬件還是軟件的故障檢測中，維護和維修時間都可以降到最低。根據不同行業SCADA系統的應用功能重點，制定科學合理和切合實際的診斷手段來保證系統可維護性是十分必要的。在保證系統的正常運行下，維護人員通過調試工具、糾錯功能程序、更新手段等，準確及時檢測到系統故障和存在問題，對系統的長期穩定運行是非常必要的。可維護性也包括了系統的擴展性。系統的擴展性是指增加新點、功能或設備等相對輕松與方便，同時滿足現場生產要求的停工時間。特定系統的擴展性主要由現場應用情況來決定，一般來說主要包括以下方面：

        ●  可用物理空間的擴展

●  各種類型內存容量的擴展

●  處理容量和處理數據的擴展

●  硬件點數、軟件及協議的可擴展性

●  總線長度、連接點和數據量的擴展等

4.4 實用性

    SCADA系統的實用性，簡單定義為在功能性、安全性和維護性滿足現場應用的情況下，某一具體系統的整體性價比，也是系統的綜合性指標的重要內容。可以根據應用場合/地理范圍/生產流程要求、系統硬件/軟件選型、通信網絡選型、現場安全性要求、維護周期要求等方面綜合考慮。以上關于SCADA性能的關系如圖4所示。

                           圖4   SCADA系統特性關系圖

5  結束語

    成熟的SCADA軟件在技術和管理上不斷完善，不斷發展，其技術進步一刻也沒有停止過，并與現代控制理論進行了緊密的結合，如專家系統、模糊決策、神經網絡等，同時與當前流行的網絡技術、面向對象技術、Internet技術以及JAVA技術的應用密切相關。面對當前先進的技術和現場管理日益精細化的要求，需要工程技術人員在應用過程中，不斷融合和更新相關信息技術，取長補短，揚長避短，不斷推出新一代的SCADA軟件和功能。

參考文獻：

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