谢孝宏（1975－）

男，四川达州人，工程师,1998年大学毕业于湖南湘潭工学院，2006年工程硕士毕业于中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，现工作于中石化天然气川气东送管道分公司生产运行处，负责SCADA系统建设、维护和管理工作等。

摘要：文章首先简述了长输管道SCADA系统硬件结构，接着从通信与网络软件、操作系统、实时数据库、组态软件和应用软件等五个方面对系统的软件架构进行了详细阐述，同时对SCADA系统软件的性能进行论述，主要包括功能性、安全性、维护性和实用性等。

关键词：长输管道；SCADA；架构；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)系统，即数据采集与监督控制系统，该系统是以计算机技术、网络技术和现代控制理论为基础的生产过程控制与调度自动化系统。系统通过对现场运行设备和工况的监督和控制，以实现数据采集、设备控制、状态检测、参数调节以及各类信号报警、历史数据查询等多项功能。由于各行各业的应用重点不同，对具体的SCADA系统功能实现情况差别较大，由于它是位于控制设备之上，侧重于管理的软件，在不同行业中的SCADA系统软件上更是各有特色。

1  长输管道的特点

    管道运输是综合运输体系的重要组成部分，在国民经济发展中占有重要地位。管道运输具有输送能力大、效率高、能耗少、成本低、运输安全可靠、输送产品损耗小、易于实现自动监视与控制等优点，这些独特的优势使得管线运输行业发展迅速。

    长输管道通常是指距离长、管径大、输量高的管道，在正常生产过程中输送压力高、流量和温度相对平稳，主要是由站场（Stations）和管路(Pipeline)两部分组成。根据输送介质的不同，站场主要有首站、加压站、加热站、分输站、计量站、清管站和末站等，其任务是供给输送介质一定的动能和热能，将输送介质安全、经济地输送支目的地；管路上每隔一定距离设有为减少事故危害、便于抢修，可紧急关闭的若干截断阀室以及阴极保护站等。在地理位置上，跨度较大、站场及管道分散；在功能上，设备操作相对简单，站场间具有相似性，调节时间要求低；在安全性上，可靠性较高，要求有故障检测功能等。

2  长输管道SCADA系统的硬件结构

    长输管道的数据采集与监督控制系统，主要由设在控制中心的主机/服务器、设在各站的远程控制终端（RTU）或智能控制设备（LED）或可编程逻辑控制（PLC）和高性能的通信系统构成分布式控制系统。控制中心的计算机通过数据传输系统对各站场和远控阀室的RTU/LED/PLC设备进行控制，不断采集各站的操作数据和状态信息，并向这些设备发出操作或调整设定值的指令，从而实现对整条长输管道的统一监视、控制和调度管理。各站场控制系统的RTU/LED/ PLC等控制器与现场传感器、变送器、执行机构和成套装置的操作站（UPC）直接连接。长输管道采用的SCADA系统的硬件配置形式如图1所示。

 
                                     图1   SCADA系统硬件构架

3  SCADA软件的结构

    软件是系统的灵魂，SCADA软件主要分为通信与网络软件、操作系统、实时数据库、组态软件和应用软件等5个方面，其中操作系统是所有软件的基础，通信与网络软件是联系硬件设备的纽带，实时数据库是系统信息交换的平台，组态软件是系统架构的工具，应用软件则是SCADA系统功能的体现。SCADA软件结构如图2所示。

图2   SCADA软件结构图示

3.1 操作系统

    操作系统是所有软件的基础。常用的主要有DOS、Windows和Unix（或Linux）三种普遍使用的操作系统，操作系统是为了方便用户，管理和控制计算机软硬件资源的系统软件（或程序集合）。操作系统的主要功能是作业管理、文件管理、存储管理、设备管理和进程管理。嵌入式操作系统是嵌入应用软件的基础和开发平台，主要有：Windows CE，VxWorks，Psos等。

3.2 通信与网络软件

    通信与网络软件是联系硬件设备的纽带。SCADA网络和通信是将信号检测、数据传输、处理、存储、计算、控制等设备或系统连接在一起，以实现系统内的资源共享、信息交换、和设备联动，使得各项事务协调运作，它是直接与硬件设备或软件连接的信息公路。在与I/O设备通信过程中，一般采用请求式，大多数设备都支持这种通讯方式，也有的设备支持主动发送方式。主动发送方式即I/O设备在数据改变时主动向外界报告数据。有的设备也支持订阅式通信。设备驱动程序应该能够支持各种通信模式。通信协议可以理解为一种简单的交流语言，常见的协议有Modbus，Profibus等。设备驱动程序必须为每种协议编制相应的代码，软件商一般将该部分做成标准开发包，用户可以自己开发。

3.3 实时数据库

    实时数据库是系统信息交换的平台。实时数据库理论是在关系数据库的基础上，研究实时事务、实时并发控制和实时任务调用等有时间特点而发展的。在生产装置运行过程中，实时数据库系统实时采集的运行数据，随时掌握装置的运行状况，并通过对生产过程的关键数据的监控和分析，对出现的问题及时进行处理，使生产的运行状态保持平稳。当生产状态发生变化时，可以及时地做出反映；通过对影响原材料用量的过程以及对能量用量的监测和分析，可以及时地发现问题，特别是对生产调度人员来说，可以及时地平衡物料供应，减少单耗，提高经济效益；利用实时数据动态地监控生产成本，可以使成本控制发生在生产过程中，而不是在生产过程完成后，以达到降低成本的目的等。通过实时数据库的数据平台，可以利用实时数据和历史数据对生产的工艺过程进行先进控制、优化控制和在线分析，反映生产的规律，实时调整工艺参数，使过程处于优化状态。同时也可以通过对影响产量及质量的过程参数的监控，达到提高产品产量及质量的目的。还可以根据统计规律对产品的质量数据和利润进行在线分析，预测产品的产量和质量，从而达到提高经济效益的目的。实时数据库结构如图三所示：

         

                                     图3   实时数据库结构

3.4 组态软件

    组态软件是系统架构的工具。一般来说，组态软件与实时数据库是相互绑定的。目前常用的SCADA组态软件主要有：三维力控、Wonderware、IFIX、OAsys等，组态软件主要完成功能有：远程终端查询、数据采集、传指令、建立及管理实时数据库、HMI显示、记录报警、报告生成软件及运行调度决策指导等。一般来说，具备SCADA系统的软件都带有一定功能的实时数据库。

    组态软件提供了各种绘画工具，同时提供了动画连接手段，使图形、文字等与现场的数据相关联。现场数据变化则画面上图形颜色、位置等也相应改变，通过观察画面上的图形文字就可以了解现场的状态，并称这种图形文字与数据之间的联系为“动画链接”。为了满足过程控制和管理要求，同时还提供趋势图、报表、报警、脚本工具等。

3.5应用软件

    应用软件则是SCADA系统功能的体现。应用软件是基于动态数据采集的二次开发专业性软件，这些专业性应用软件是以实时数据库为平台，以长输管道的安全生产和经济运行为管理目的。主要包括有：长输管道动态仿真软件，包括管理地理信息GIS系统，水力模型仿真，热力模型仿真，能量模型仿真等；泄漏检测与定位软件，包括目前流行的压力波检测系统，流量检测，超声波检测以及模型法检测等；水击动态分析及保护软件，基于生产流程的切换而造成的水击预测及硬件保护等；长输系统能耗综合分析软件，主要管道运行效率动态分析，设备效率动态分析，系统综合分析等；安全风险动态分析软件，包括防腐层状态检测与评价、动力机组振动检测、站库“数字化”安全管理等。

4  长输管道SCADA 性能

    软件应用涉及系统的操作控制层、管理层和决策层等三个层次，充分利用信息技术，实现生产管理的网上共享，业务处理自动化、数据共享信息化，保证系统的安全可靠运行。SCADA系统性能主要包括功能性、安全性、维护性和实用性等。

4.1 功能性

    SCADA系统的功能性主要是指该系统所有设计功能的实现程度，它可以根据整个系统硬件、软件和通信功能的实现度的总合来表示，功能性可以简单定义为在一定运行时间下，一套SCADA系统所有功能实现的百分度：

    软件功能的实现与配套的硬件设备密切相关，不能单方面说硬件和软件哪个功能更好。SCADA系统的软件功能的核心不在于某一软件系统的本身，而在于集成技术人员对应用现场、基本功能的调查程度以及对相关接口程序的实现方法。没有做不好的系统功能，只有做不完的功能调查；没有全能的应用软件，只有不断更新的软件技术。针对具体的SCADA系统，设计人员、工程技术人员和现场用户需要不断地进行交流和讨论，只有将系统的应用目的完全了解、熟悉、掌握后才能将功能做得更加完善。鉴于目前很多系统中采用多种应用软件，如何将不同软件的接口程序编制成安全、可靠的代码，这需要设计人员不断地应用新的技术、方法和思想。

4.2 安全性

    SCADA系统的安全性是功能实现的保证。安全性与可靠性在某种意义上没有严格的区分。安全性更注重数据的保密和整个系统的不易遭受外部攻击，可靠性更偏重于系统功能的连续工作时间和突发事件的处理上。由于现场大部分计算机和过程控制器都具有网络通讯能力，这使得网络接口的安全性显得格外重要。同样，对数据存取的权限设置和安全性的不同类型及定义也十分重要。为了保证整个系统的安全性和保密性，设定现场数据的共享、公开、保护等属性和数据的分组使用权限，这些对于系统的安全性是非常必要的。

    在现代SCADA系统中，为了保证系统的连续长期稳定工作，冗余是必不可少的。大部分计算机通常都构架在冗余的本地局域网中，如果其中一台操作站通信发生故障，网络上其它的操作站可以进行 “无缝”连接和操作。在工业生产现场，核心工作站通常都设计成两套，在某一操作站的硬件或应用程序出现问题时，另一台计算机可以立即接管正在处理的运行过程，提高系统的安全性。

4.3 维护性

    可维护性是设计SCADA系统性能中又一个重要因素。如果一个SCADA系统具有良好而实用的诊断工具，不管在硬件还是软件的故障检测中，维护和维修时间都可以降到最低。根据不同行业SCADA系统的应用功能重点，制定科学合理和切合实际的诊断手段来保证系统可维护性是十分必要的。在保证系统的正常运行下，维护人员通过调试工具、纠错功能程序、更新手段等，准确及时检测到系统故障和存在问题，对系统的长期稳定运行是非常必要的。可维护性也包括了系统的扩展性。系统的扩展性是指增加新点、功能或设备等相对轻松与方便，同时满足现场生产要求的停工时间。特定系统的扩展性主要由现场应用情况来决定，一般来说主要包括以下方面：

        ●  可用物理空间的扩展

●  各种类型内存容量的扩展

●  处理容量和处理数据的扩展

●  硬件点数、软件及协议的可扩展性

●  总线长度、连接点和数据量的扩展等

4.4 实用性

    SCADA系统的实用性，简单定义为在功能性、安全性和维护性满足现场应用的情况下，某一具体系统的整体性价比，也是系统的综合性指标的重要内容。可以根据应用场合/地理范围/生产流程要求、系统硬件/软件选型、通信网络选型、现场安全性要求、维护周期要求等方面综合考虑。以上关于SCADA性能的关系如图4所示。

                           图4   SCADA系统特性关系图

5  结束语

    成熟的SCADA软件在技术和管理上不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过，并与现代控制理论进行了紧密的结合，如专家系统、模糊决策、神经网络等，同时与当前流行的网络技术、面向对象技术、Internet技术以及JAVA技术的应用密切相关。面对当前先进的技术和现场管理日益精细化的要求，需要工程技术人员在应用过程中，不断融合和更新相关信息技术，取长补短，扬长避短，不断推出新一代的SCADA软件和功能。

参考文献：

[1]王文海. 自动化系统技术基础[M]. 北京：机械工业出版社. 2006.

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[4]谢孝宏. 构架原油长输管道SCADA/OPS系统的探讨[J]. 石油化工自动化, 2006(3).

[5]谢孝宏. SCADA系统性能的探讨[J]. 自动化技术与应用. 2005, 24(12).