1.3.1-第一部分SCADA系统教材_第三章中控系统

一、SCADA系统的定义及应用1、定义SCADA系统(Supervisory Control And Data Acquisition)，即监视控制与数据采集系统，以计算机控制软件系统、通信线路、现场控制与数据采集单元为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它能通过现场控制与数据采集单元收集场站设施的生产操作信息，并通过通信线路将信息传送到远方的调度控制中心通过计算机软件系统进行显示和报告，控制中心的操作员监视这些信息，并能向远方的场站设施发布控制指令。一、SCADA系统的定义及应用2、应用领域SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于石油、化工、电力、给水、交通等领域。油气管道SCADA系统的主要任务是通过各站的站控系统（PLC）或远控截断阀室（RTU）完成管道数据采集、数据处理及存储归档、设备和流程控制、故障处理、安全保护、报警等任务，同时完成批量跟踪、顺序输送、泄漏检测、输油泵运行优化、输油泵故障诊断及分析、仪表故障诊断及分析、罐区管理等功能。调度操作人员通过SCADA 系统操作员工作站提供/显示的管道系统工艺过程的压力、温度、流量、密度、设备运行状态等信息，完成对管道全线的监控及运行管理。二、油气管道SCADA系统组成油气管道SCADA系统以4C(Computer，Control，Communication，CRT)技术，即计算机、通讯、控制和图形显示技术为基础，网络结构主要由即中控系统(DCC)，站控系统(SCS)，以及通信系统(COMM)三部分构成,实现遥信、遥测、遥控和遥调，“四遥”功能。二、油气管道SCADA系统组成1、中控系统SCADA系统的控制中心部分称为主站系统或中控系统，中控系统一般采用先进的服务器、工作站、网络设备等硬件，以及通讯、图形显示、过程控制、数据库等软件构成，整个中控系统是一套集数据采集、信息展示、逻辑控制、数据存储功能的复杂的软硬件系统。中控系统通过站控系统收集所有生产和设备运行数据，并以流程图、数据表、趋势曲线和报警的形式显示的计算机控制系统，当调度员需要对站场设备操作时，可通过这套计算机系统向站控系统发出指令，用来开关阀门，启停泵或压缩机，改变控制设定值等。主站系统的基本功能除收集站控系统的数据和实现远程操作控制，以及组合、解释、显示运行信息的功能，还包括历史数据归档、统计、计划、调度等。二、油气管道SCADA系统组成主站系统主要功能为：①数据采集和处理；②工艺流程的动态显示；③压力、流量值设定和开关命令下发；④报警显示、报警管理以及事件的查询、打印；⑤历史数据的归档、管理；⑥生产统计报表的生成和打印；⑦控制和操作权限的设定；⑧系统时钟同步；⑨通信网络监视及管理；⑩为经营管理系统提供数据。二、油气管道SCADA系统组成2、站控系统站控系统由站控计算机、控制器（PLC或RTU）及流量计算机等第三方智能设备组成。输油气站场内的各种工艺设备、工艺参数的采集、监视、控制、保护等全部由站控系统完成，可以说站控系统是整个SCADA系统逻辑控制的主要承载体。沿线各工艺站场的站控制系统（SCS）作为管道SCADA系统的现场控制单元，除完成对所处站场的监控任务外，同时负责将有关信息传送给调度控制中心或备用调控中心并接受和执行其下达的命令。二、油气管道SCADA系统组成站控系统实现以下主要功能：①采集站内温度、压力、差压、液位及阀位等信号；②经通信接口与第三方的监控系统或智能设备交换信息；③监控各种工艺设备的运行状态；④对电力设备、阴极保护、可燃气体的监视和报警；⑤压力、流量的调节与控制；⑥逻辑控制与联锁保护；⑦紧急停车（ESD）；⑧为调度控制中心和后备控制中心提供有关数据；⑨接受并执行调度控制中心下达的命令等。二、油气管道SCADA系统组成3、通信系统（1）用于SCADA的常见通信系统中国石油所辖管道目前使用的通信系统主要包括拨号电话、电台、微波、卫星、移动无线网络、光通信及公网数字电路等。这些通信系统的数据传输速率从9600bps至2Mbps不等，随着近几年各条新建管道均建设光通信系统用于SCADA通信，现在采用光通信的站场数据传输速率均达到了2Mbps，为站场与中心之间数据传输提供了高速可靠的传输通路。二、油气管道SCADA系统组成（2）常见SCADA通信协议（Protocol）协议就像主站系统与站控系统之间会话的“语言”，协议的选择对SCADA的成功应用是很重要的，它是组建SCADA系统的平台，其特点和功能将部分地决定整个SCADA系统的功能。仅有基本能力的协议可能限制SCADA系统的功能，而具有扩展能力的协议也为SCADA能力的扩展奠定基础。目前中国石油所辖管道中，使用的协议多为基于以太网TCP/IP网络的Modbus、CIP、IEC和OPC协议等。二、油气管道SCADA系统组成二、油气管道SCADA系统组成4、系统结构下图中展示了一个SCADA系统主要组成。上部是可以通过操作员接口设备进入系统的操作员工作站，有时也被称作操作员控制台。操作员控制台的功能类似于进入工程的窗口。它由一台显示工程实时数据的视频显示器、一个可以输入操作员命令或反馈信息的键盘、以及其他光标定位设备，如滚轮、鼠标、或是触摸式屏幕组成；如果系统相对简单，一套模拟远程现场情况的报警窗口，包括声音报警信号。二、油气管道SCADA系统组成二、油气管道SCADA系统组成下图演示了站控系统的配置方式，正如上文提到的，站控系统通过光纤或无线电与主站系统通讯。每个站控系统必须能接受指令，解码指令，执行指令，在需要的时候进行信息反馈，以及关机等待新指令。执行指令可能是一项非常复杂的过程，可能需要检查现场设备的当前位置并与要求位置进行对比，给现场下发指令更改状态，检查一套开关设备确保指令有效执行，并且给主终端装置反馈确认已达到新状态。由于这些复杂性，大部分站控系统基于计算机技术。二、油气管道SCADA系统组成三、中控系统一、系统软件和硬件组成SCADA系统的主站过去有很多著名的系统是基于Unix操作系统家族和X Window图形界面的。随着计算机系统的发展，特别是PC机及PC服务器的发展，PC服务器、PC工作站和windows操作系统在扮演着越来越重要的角色。然而相比Windows系统，目前Unix系统的稳定性、安全性更具优势，所以中国石油油气管道控制中心仍选择Unix操作系统及基于Unix的SCADA软件和硬件。UNIX与WINDOWS操作系统的对比UNIX系统优点：1. UNIX系统一开始就是为多用户设计的系统，而windows开始只是为单用户设计的操作系统，所以对多用户的支持windows就不及UNIX。2. UNIX采用的是用户进程与系统进程在内存中是分开的，用户进程的异常结束不会引起系统进程出现异常。3. UNIX对用户的授权到文件级，每个目录及文件都有rwxrwxrwx的机制，所以UNIX安全性要比windows系统好。4. windows的病毒远远多于UNIX。5. 执行同样的任务，UNIX比windows需要更少的资源。Windows系统优点：1.  图形界面。2. 用户界面友好,易上手。3. 发展迅速，市场份额大。1、系统硬件主站计算机系统硬件包括路由器、交换机及防火墙、通信处理前置服务器（可选）、实时服务器、历史服务器、磁盘阵列、操作员工作站、图形显示器、打印机等硬件，所有硬件设备通过交换机连接在一个局域网（LAN）环境，实现系统内部的数据交互和资源共享，典型配置图如下：三、中控系统RealtimeServer1RealtimeServer2FrontEndProcessorsHistoricalDatabaseServerRoutersSwitchesOperatorWorkstations三、中控系统通信服务器中心场站/阀室IEC104protocolModbus,CIPetc.protocolIEC104protocolPLC/RTU实时服务器历史服务器HMI通信服务器SCADA系统架构一yCMX－Control and Measurement eXecutive yXOS－eXtended Operator System yOMS－OASyS Management StationyXIS－eXtended Information System中心场站/阀室Modbus,CIPetc.protocolHMI历史服务器实时服务器PLC/RTUSCADA系统架构二中心场站/阀室Modbus,CIPetc.protocolIEC104protocolHMI历史服务器实时服务器通信服务器PLC/RTUSCADA系统架构三三、中控系统2、系统软件组成SCADA系统主站的软件可分为三个层次：底层的操作系统，核心层的SCADA软件及上层的应用软件。（1）操作系统：Unix、Linux、Windows（2）SCADA软件：GE公司的iFix，Honeywell公司的PKS，Telvent公司的OASyS，Cegelec公司的ViewStar等（3）应用软件：瞬态模拟、批量跟踪、管存计算、泵/压缩机组优化、模拟/培训、泄露检测等三、中控系统二、SCADA软件功能1、数据采集通信主站通讯前置系统与站控系统通讯方式主要有两种，顺序轮询和逢变则报。（1）顺序轮询顺序轮询是一种主从通讯方式，永远是主站发起数据请求，从站被动响应主站的数据请求。在使用顺序轮询的SCADA系统中，主站系统作为通讯的主站，站控系统作为通讯的从站。三、中控系统数据交换的过程是：先由主站向从站发送一个“数据请求”信息，从站响应这个请求后将数据信息发往主站，然后等待下一次主站“数据请求”，从站不能主动发送数据。存在多个从站时，主站以预置的顺序，首先向第一个从站发起数据请求，该从站响应数据请求，主站收到数据响应后，将向下一个从站发起数据请求，从站执行同上述过程。当主站完成一次逐站轮询后，再回到第一个从站，执行新一轮轮询。三、中控系统询问周期一般固定的，例如主站与一个从站的数据交换时间为3秒，主站轮询一条管线（以20个从站为例）就是60秒，那么对控制中心来说，单站数据的更新时间就是60秒。当然，现实SCADA系统中，主站轮询从站是开启多个进程的，如把20个从站划分成4个组，每个组运行一个通讯进程，5个组对应5个进程并行工作，组内采用顺序轮询。还以上述20个站场的管道为例，控制中心对单站的数据更新时间为3×5=15秒。三、中控系统（2）逢变则报逢变则报不再是主站发起，从站响应的模式，而是由从站发起，主站接收的方式。当从站端（现场）某些工艺数据的没有变化或变化不大（没有超过预先设置的阈值，举例），该部分数据不再向主站传送，只传送其余部分变化较大（超过预先设置的阈值）的数据。当从站中工艺数据变化一旦超过阈值后，数据将立刻上传主站，保证了数据的实时性。如此，在保证了调控中心对工艺数据使用精度要求的前提下，既保证了数据的实时性，又减少了数据传输量，减轻了通讯联络的负担，进而减轻了主站通讯前置系统的数据处理的负荷。逢变则报的优势使得其成为越来越多的管道选用的通讯方式。三、中控系统在油气管道SCADA系统的实际应用中，特别是新建的天然气管道SCADA系统应用中，采用了顺序轮询和逢变则报结合的方式，正常情况下，主要依靠逢变则报方式，由从站（站控系统）主动向主站（调控中心）传送数据。在出现从站和主站通讯中断后并恢复时，辅以由主站向从站发起数据请求，从站将全部数据上传主站，这样保证通讯恢复后，调控中心系统中的数据能够及时全部更新。原油成品油管道SCADA系统应用中，采用了轮询的方式。三、中控系统2、数据库数据库应具有足够的灵活性来储存两种类型的信息：动态信息（采集的实时数据）和静态信息（配置信息）。SCADA系统静态信息和动态信息多用分级数据库形式进行组织，该数据库也称作实时数据库，是SCADA软件的核心部分。（1）数据库逻辑结构管道设备、仪表的配置信息在SCADA软件未运行以文件的形式存在硬盘中，当软件运行后，其配置信息将读取到实时服务器内存中，可以在软件中读取和修改。三、中控