冗余技術(shù)在天然氣備控中心SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用

曹曉鋒

摘 要：陜西省天然氣股份有限公司西安調(diào)度控制指揮中心SCADA系統(tǒng)監(jiān)管著陜西省主要的天然氣管網(wǎng)，為了應(yīng)對突發(fā)事件（如地震、火災(zāi)、設(shè)備損壞等）給西安調(diào)度指揮中心造成的破壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，全省的天然氣管網(wǎng)處于失控狀態(tài)，公司建設(shè)了漢中容災(zāi)備份調(diào)控指揮中心（以下簡稱備控中心），該指揮中心與西安調(diào)度控制指揮中心功能完全一樣，在主中心失去調(diào)度指揮作用時，能履行主中心的全部職責(zé)，完成對所有管道的監(jiān)控。冗余技術(shù)是在一臺設(shè)備壞了后，另一臺馬上工作，不影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行，且同時修復(fù)該臺設(shè)備。通過對備控中心SCADA系統(tǒng)技術(shù)方案的分析，說明冗余技術(shù)在保證天然氣長輸管線SCADA系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性起到關(guān)鍵的作用。

關(guān)鍵詞：SCADA系統(tǒng) 天然氣 冗余技術(shù) PLC RTU

中圖分類號：TE978 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0056-02

1 備控中心SCADA系統(tǒng)的組成（見圖1）

1.1 SCADA系統(tǒng)硬件

1.1.1 SCADA系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)器

SCADA實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)處理、存儲、管理從現(xiàn)場的PLC和RTU采集的實(shí)時數(shù)據(jù)，并為網(wǎng)絡(luò)中的其他服務(wù)器和工作站提供實(shí)時數(shù)據(jù)，并向中間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)寫入實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)時數(shù)據(jù)存放在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中。操作員可通過任一操作員工作臺，從這個中心數(shù)據(jù)庫中了解任意場站、閥室的運(yùn)行狀況。操作員發(fā)出的指令通過實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)器傳遞到相應(yīng)場站的PLC和閥室的RTU。

實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)器中運(yùn)行通信管理軟件，完成與沿線各站的PLC和RTU的通信鏈接、協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)管理等任務(wù)，采用UNIX實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)。采用熱備冗余配置（2臺）。

1.1.2 SCADA系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器

歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器主要完成歷史數(shù)據(jù)的存儲、管理，并為網(wǎng)絡(luò)中的其他服務(wù)器和工作站提供數(shù)據(jù)。服務(wù)器運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫軟件SQL，采用UNIX實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)。采用熱備冗余配置（2臺）。

1.1.3 外存儲設(shè)備冗余磁盤陣列系統(tǒng)（RAID）

RAID用于存儲系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)服務(wù)器的組成部分，能夠以標(biāo)準(zhǔn)的格式、使用標(biāo)準(zhǔn)的工具、支持熱插拔并以低成本實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲。

1.1.4 硬件防火墻

SCADA系統(tǒng)配置一套防火墻系統(tǒng)，防止外界的隨意侵入對SCADA系統(tǒng)造成破壞。

1.1.5 操作員工作站

操作人員通過操作人員工作站實(shí)現(xiàn)對管道的監(jiān)視和控制。通過此人機(jī)界面（HMI），操作員可詳細(xì)了解管道全線的運(yùn)行狀況并向現(xiàn)場設(shè)備和站場下達(dá)命令。操作人員工作站通過冗余設(shè)置的局域網(wǎng)（LAN），使用TCP/IP通信協(xié)議與實(shí)時和歷史SCADA服務(wù)器互聯(lián)并交換信息。是一個獨(dú)立的系統(tǒng)，有著自己的處理器、內(nèi)存和當(dāng)?shù)氐娘@示畫面格式。

1.1.6 工程師工作站

支持系統(tǒng)管理員來監(jiān)視系統(tǒng)的資源并控制系統(tǒng)的冗余參數(shù)。工程師工作站具備性能測量軟件，以及SCADA系統(tǒng)重新組態(tài)的工具。通過工程師工作站的人機(jī)界面，工程師能夠?qū)?yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)和維修。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)點(diǎn)或站場增添進(jìn)SCADA系統(tǒng)時，系統(tǒng)擴(kuò)展的任務(wù)也是在工程師工作站上完成的。

1.1.7 局域網(wǎng)（LAN）的交換機(jī)和路由器（見圖2）

圖2中局域網(wǎng)為冗余設(shè)置的SCADA局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)支持TCP/IP協(xié)議。局域網(wǎng)支持網(wǎng)絡(luò)上連接的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)交換并滿足實(shí)時、多任務(wù)的要求。局域網(wǎng)采用2臺交換機(jī)，工作站和服務(wù)器的2塊網(wǎng)卡，分別連接至2臺局域網(wǎng)交換機(jī)上。每臺局域網(wǎng)交換機(jī)都分別連接至具有DDN主通信的R1路由器上和具有衛(wèi)星備通信的R2路由器上。該方案集IPMP技術(shù)、HSRP技術(shù)為一體的綜合局域網(wǎng)絡(luò)冗余配置。

局域網(wǎng)設(shè)備的IPMP（IP Network Multipathing網(wǎng)絡(luò)多路徑）的網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)置方式，在雙網(wǎng)卡設(shè)備端將雙網(wǎng)卡設(shè)置為IPMP Team綁定，使兩塊物理網(wǎng)卡成為一塊邏輯網(wǎng)卡并定義一個邏輯IP地址。以負(fù)載均衡的方式增加帶寬的同時，采用基于鏈路的故障檢測和基于探測的故障檢測兩種類型的故障檢測方式，使某臺設(shè)備的雙網(wǎng)卡切換在IPMP Team內(nèi)部即可透明完成，其它設(shè)備對該設(shè)備的數(shù)據(jù)訪問將不發(fā)生切換，故障網(wǎng)卡的業(yè)務(wù)不會丟失，將平滑轉(zhuǎn)移到另一網(wǎng)卡上，增強(qiáng)了局域網(wǎng)的整網(wǎng)冗余性和穩(wěn)定性。

在高可靠性要求的SCADA系統(tǒng)工業(yè)局域網(wǎng)間采用雙星型互聯(lián)結(jié)構(gòu)，即采用兩臺交換機(jī)互連，使兩個物理交換機(jī)在邏輯上也形成一個交換機(jī)，局域網(wǎng)的切換在二層交換即可實(shí)現(xiàn)。這樣對于實(shí)時性要求非常高的SCADA系統(tǒng)在站場局域網(wǎng)內(nèi)部可以避免使用生成樹（spanning-tree）協(xié)議（當(dāng)網(wǎng)絡(luò)鏈路變化時，通過生成樹協(xié)議從新計(jì)算一次的時間為60秒，而且此時間將隨著網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度而增加）。

HSRP（Hot standby Redundancy Protocol 網(wǎng)關(guān)冗余協(xié)議），兩臺冗余路由器之間通過運(yùn)行高可靠性HSRP為每臺通訊終端提供第一跳網(wǎng)關(guān)冗余保護(hù)。調(diào)控中心的2臺物理設(shè)備路由器R1和R2通過HSRP協(xié)議后，可以虛擬出一臺邏輯設(shè)備路由器R3。終端的PC的缺省網(wǎng)關(guān)都設(shè)置在虛擬的路由器R3上。正常的數(shù)據(jù)走向是通過虛擬的路由器R3再到R1上。一旦R1路由器出現(xiàn)故障，即主動路由器R1出現(xiàn)故障，備份路由器R2承接主動路由器的所有任務(wù)，而虛擬的R3仍舊作為缺省的網(wǎng)關(guān)，只是數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂阶優(yōu)椋河商摂M的R3到R2再到廣域網(wǎng)鏈路。這樣做的好處在于：不會因?yàn)槁酚善鱎1出現(xiàn)故障，切換到R2時，導(dǎo)致主機(jī)與網(wǎng)關(guān)通信連通的中斷現(xiàn)象，以確保站場到漢中容災(zāi)備份調(diào)控指揮中心的數(shù)據(jù)連貫性。

1.2 SCADA系統(tǒng)軟件

備控中心采用的是加拿大Telvent公司的OASYS6.2 SCADA軟件系統(tǒng)，此系統(tǒng)基于開放性設(shè)計(jì)的軟件，適用于UNIX（服務(wù)器）和windows（各工作站）操作系統(tǒng)，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支持分部式服務(wù)器結(jié)構(gòu)，支持冗余服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)。

OASYS系統(tǒng)主要由CMX（實(shí)時數(shù)據(jù)庫軟件包）XOS（人機(jī)界面圖形軟件包）XIS（歷史數(shù)據(jù)軟件包）組成。

CMX主要功能為收集數(shù)據(jù)、報(bào)警監(jiān)測、計(jì)算數(shù)值、驅(qū)動程序、并為當(dāng)前采集數(shù)據(jù)提供存儲空間，而且能是用戶通過指令控制遠(yuǎn)端設(shè)備等功能。CMX同遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTUS）或可編程邏輯控制器（PLCS）進(jìn)行通訊，并傳輸指令和采集系統(tǒng)當(dāng)前信息。定時運(yùn)行程序和打印報(bào)表（告）。雙機(jī)冗余切換。

XIS主要用來將CMX數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時數(shù)據(jù)歸檔存儲起來，以備歷史趨勢圖和打印報(bào)表用。XIS提供大容量冗余切換的外部存儲器，如同CMX。兩個冗余切換的XIS運(yùn)行在不同的服務(wù)器上，保證了系統(tǒng)的可靠性。與CMX是相連接的，把信息從實(shí)時數(shù)據(jù)庫傳送至歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

XOS主要作用是繪制流程圖并將繪制好的控制流程圖動態(tài)顯示出來，提供給運(yùn)行調(diào)度作為人機(jī)界面。調(diào)度員通過XOS完成SCADA功能。用鼠標(biāo)器在屏幕上輕擊功能鍵，調(diào)出一副畫面，也可以輕擊控制鍵，控制現(xiàn)場設(shè)備。

2 結(jié)語

通過對漢中備控中心SCADA系統(tǒng)技術(shù)方案的分析，可以得出在實(shí)時服務(wù)器、歷史服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、局域網(wǎng)的軟、硬件上都采用了冗余熱備配置。從而有效的保證了漢中容災(zāi)備份調(diào)控指揮中心SCADA系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。同時冗余技術(shù)有助于減少天然氣管道運(yùn)營中的安全生產(chǎn)事故隱患。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳明，孫萬富，周詩崠.油氣儲運(yùn)自動化[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 王振明.SCADA軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 陳茂祥，莊建遠(yuǎn).天然氣工業(yè)管理實(shí)用手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005.