浅谈长输管道典型SCADA系统特点对比

李瑾

（中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026）

0 引言

SCADA系统（数据采集与监视控制系统），是以智能处理单元和计算机为基础的生产过程控制系统。但是，不同的SCADA系统厂商其结构和实现方式各不相同，适当的特点对比不仅能够加深对于SCADA系统的认识，而且为选型提供了借鉴。

1 SCADA系统国内外现状

SCADA系统是系列应用软件的组合，其主要功能是监控长输管道沿线各站生产运行情况及数据分析—包括实时数据、历史数据和历史数据查询等[1]。

SCADA系统由站控系统和信息技术结合发展而来，可灵活选用光纤、GPRS或电台等通信方式。此外，还可针对数据传输所需带宽，选择最佳的通信传输方式[2]。由于，沿途各站需要达到集中控制的要求，一般设有两个互不干扰的独立物理网络，保证了SCADA数据通信的冗余性。

已投运的西气东输或者长输成品油管道SCADA系统，主要采用Honeywell或GE等国外产品[3]，其中各站控系统的PLC产品也以国外产品为主，如Siemens或AB等。

根据长输管道调度中心SCADA系统数据库实时数据的来源是站控系统的控制器或站控系统的服务器来区分，典型SCADA系统分为集中式结构和分布式结构。

2 典型集中式结构的SCADA系统

调度中心SCADA系统数据库对各个站控系统的控制器采集数据，同时具有自己独立的历史数据库和磁盘阵列，进行数据处理和数据备份等。但有时为了满足各站控系统监控的需要，避免出现紧急情况时，长输管道各站控系统也设分服务器。

各站控系统服务器从本站控系统控制器采集数据，拥有独立的数据库[4]。沿线各站控系统服务器分服务器和调度中心服务器不仅分别对生产数据进行存储，而且对操作日志和处理记录单独进行归档，从而实现了各站控系统与调度中心的数据互为备用、相互备份的目的。集中式结构的SCADA系统结构框图，如图1所示。

图1 集中式SCADA系统结构框图

集中式SCADA系统结构虽然效率高，但由于数据采集量大，负荷高，经过一段时间的运行，如不及时清理过期数据或历史数据，会导致各站控系统和调度中心服务器处理速度下滑。由于一条长输管道的施工时间多有不同，不同管段选用的SCADA厂家也不同，为使沿线信息能够统一集中显示，调控中心必须选取集中式系统结构[5]。不同管段的各站控系统需单独设立服务器，统一上传数据至调度中心总服务器[6]。目前，长输管道多采用这种集中式SCADA系统结构，需要调度中心服务器根据各站控系统数量进行统一划分。

3 典型分布式结构的SCADA系统

随着信息技术的发展，在集中式数据库的基础上，发展出了分布式数据库系统，虽然理论基础已经夯实，但少见成功的案例。分布式结构的SCADA系统特点在于调度中心服务器对各站控系统分服务器数据库进行不定时访问和信息互换，达到完整的分布式架构。

报文处理与数据清洗可以灵活地使用任何语言编写，灵活地嵌入到系统，而不影响各站控系统的功能。

各站控系统分服务器响应调度中心服务器的请求，不定时将数据发送至中心服务器，总服务器设置“过滤机制和门限坎”，只对重要数据，如外输流量值、可燃气体和有毒气体检测值进行处理和归档。各站控系统和调度中心服务器分别存储操作记录和处理日志[7]。分布式结构的SCADA系统结构框图，如图2所示。

图2 分布式SCADA系统结构框图

分布式数据库中，各站控服务器采集各自控制器获得的数据，并承担了数据入库的任务，同时，只是将重要数据上传中心服务器，极大的减轻了中心服务器的负担，不仅提高了系统的运行速度，而且减少了系统存储容量的限制。实现了各站控系统数据信息的交互共享、避免了各站控系统服务器和中心服务器的重叠，减少了各站控系统控制器的重叠响应[8]。生产数据和敏感数据只有在发生变化，超越安全警戒线时，才会发送给调度中心服务器，没有设置系统内部的轮询应答机制，也降低了对通信系统的要求。

4 集中式和分布式系统结构对比

集中式和分布式SCADA系统特点对比，如表1所示。

表1 集中式SCADA系统和分布式SCADA系统特点对比表

从表1可以看到，通过分布式系统结构与集中式系统结构的相比，分布式系统结构具有自己的优势，并不是简单地将数据库拆解到沿线的各个站控系统，它在实现数据发送、信息共享、控制器负载、数据冗余和安全性等方面含有深刻的内容。不过，分布式数据库对于通信传输的要求更高，若通信网络出现特殊情况，如数据拥塞和数据延迟时，能够及时找到合适的路由或实现数据的高效传输，必将在SCADA系统扩展方面取得更大的发展。

5 SCADA系统可靠性分析

系统平均故障前时间（MTTF）、失效率λ(t)、可靠度R(t)、平均故障修复时间（MTTR）和平均故障间隔时间（MTBF）是判断SCADA系统可靠性的重要指标。通过上述的指标，可将图1和图2涉及的各个设备的可靠度分别进行论证。

各站控系统的控制器均冗余配置，其可靠度为RC，站控系统单台控制器计为Rc，站控系统服务器总体可靠度为RS，站控系统服务器计为Rs，调度中心服务器可靠度RZ，其中每台服务器分别为[9]。

根据热备冗余独立可靠结构理论，其站控系统冗余控制器的可靠度为

站控系统运行期间控制器的失效率λ(t)=λ，单个控制器的可靠度可用以下分布函数表示：

串联系统的平均故障前时间为：

所以对MTTFs积分，可得

服务器冗余并联系统（2个）的平均故障前时间为：

对MTTFS积分，λ1=λ2=λ可得：

根据式(1)～(7)得到的计算结果，集中式和分布式SCADA系统可靠性对比，如表2所示。其中n表示站控系统的数量，λc为控制器的失效率，λs为站控系统服务器的失效率，λz为调度中心服务器的失效率[10]，调控中心系统的整体故障时间取决于各站控系统的失效率及站控系统的数量。

表2 集中式SCADA系统和分布式SCADA系统可靠性对比

假设集中式SCADA系统和分布式SCADA系统可靠性不考虑运行载荷的因素，可以得出，根据不同长输管道实际工况的特点，SCADA系统是可择优选取，故障修复时间对于维护工作量略有差别，但并不影响各站控系统的生产和运行[11]。因此，根据实际工艺流程，切合实际的系统结构配置方式是实现长输管道实时监控的基础，同时，也可以提高整体系统的稳定性，提高系统运行速度。

6 结束语

集中式SCADA系统目前比较成熟，应用较多，效率高，但受制于数据采集量大和站控系统控制器多重响应等因素的影响，系统硬件和软件很难有扩展的空间。而分布式SCADA系统在数据发送和控制器负载响应等方面优于传统的集中式SCADA系统，但受制于通信技术的发展。因此，要吸取不同SCADA系统结构的优缺点，在实际应用中要灵活选用，以达到在保证系统安全的前提下，切实提能增效。□

[1]姚海臣.长输油管道系统资源配置优化研究[D].大庆石油学院,2007.

[2]陈秀丽.长输管道SCADA系统选型及应用[J].石油化工自动化,2012,48(3):26-29.

[3]李丽君.SC A D A系统在苏丹油田上的应用[J].中外能源,2006,11(4):55-59.

[4]陶峥,陈曾汉,张鹏.基于PLC与iFIX的SCADA系统应用研究[J].微计算机信息,2009,25(7-1):1-3.

[5]徐峰,张红星.采用OPC技术iFIX与PLC通信的实现[J].工业控制计算机,2006,19(8):76-77.

[6]Zhang L B,Qin X Y,Wang Z H,et al.Designinga reliable leak detection system for West ProductsPipeline[J]. Journal of Loss Prevention in the ProcessIndustries,2009,22(6) :981-989.

[7]丁炜.过程控制仪表及装置［M］.北京:电子工业出版社,2007.

[8]王常力,罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M].2版.北京:电子工业出版社,2010:402-405.

[9]Wang Zegen,Wang Jinzhu,Duan Linlin,et al.Scheme and keytechnology research of internal defects positioning of oil and gaspipelines[C].Proceeedings of the International Conference on Pipelines and Trenchless Technology 2009,Shanghai,China,2009:261-271.

[10]邵佩英.分布式数据库系统及其应用［M］.2版.北京:科学出版社,2007:88-93.

[11]王常力,罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M].2版.北京:电子工业出版社,2010:402-405.