西门子 PCS7 TELECONTROL在油气集输项目中的应用

2014/5/15 11:01:49

  关于SCADA系统

  塔里木油田是“西气东输”重要的气源地。自2000左右年开始,与“西气东输”相关的油气田地面建设工程在塔里木油田全面展开。天然气作为清洁能源,目前国内需求量显著增加,呈现供不应求的局面。保证安全稳定的能源供应是油气生产的最高目标。为了实现这个目标,在自动化生产技术上必须有相应的选择。针对天然气生产领域地域广、节点分散的特点,采用SCADA系统是不二的选择。SCADA系统是近些年来,针对分布式应用而逐渐发展起来的控制系统,它与一般的控制系统有着明显的不同。

  首先,SCADA系统的数据源往往是数十个甚至成百上千个,与这些数据源高效通讯是SCADA系统最基本也是最重要的功能。所谓高效,是指SCADA系统能够与所有的节点建立可靠的通讯联系,同时建立高速的通讯链路。这里的高速并不是指绝对速度,因为通讯网络千差万别,有线与无线,光纤与数传电台,PSTN与CDMA,都有可能在一个通讯网络中同时使用,甚至一个数据包要经过几种通讯网络的传输才能到达。SCADA系统具有将这些通讯网络优化的功能,使数据包能够在最短的时间内传输到目的地。

  其次,SCADA系统数量众多的数据源在地域上是分散的,这种分散,往往是十几公里,上百公里甚至上千公里。这种地域上的分散对于普通的控制系统来说,影响是极大的,无论是数据的实时性、可靠性以及连续性都是难以得到保障。尤其对于连续性,它是SCADA系统对数据的一种特殊要求,即在通讯中断的情况下,数据能够自动缓存,当通讯恢复时,这些缓存的数据自动补传至数据库,使数据库的所有数据始终保持一定的时间连续性。这种需求有时也称作存储转发功能。

  内部集输包括天然气处理与集输两大基本功能。天然气处理集中在处理厂内,相对独立,常用的控制系统包括DCS、SIS、FGS、PLC或ITCC,以及CCTV等生产辅助系统;处理厂外的单井站、集气站、计量间、阀室等则是实现集输功能的重要组成单元,常用的控制系统包括RTU、PLC、SIS,以及气体检漏系统、防腐检测系统等生产辅助系统。

  在早期的油气项目中,SCADA系统实际上只包含处理厂外的RTU、PLC等,结构简单,以点对点结构和慢速通讯的方式为主,以单节点的少量数据为主。随着信息技术的发展,SCADA系统的定义有了广泛的外延,尤其是通讯技术的突飞猛进,使得广泛的快速通讯成为可能,因此,一切与生产相关的系统都可能被纳入到SCADA系统中,除了一般的控制系统外,包括地理信息系统、应急广播系统、CCTV系统、防腐检漏系统等等;除此之外,随着数字化油田等信息化应用的需求,SCADA系统还成为生产数据大集中的一个平台,承担为信息化应用提供生产数据的重要职能。因此,目前的SCADA系统的设计与实现要充分的考虑到这些实际的需求,以适应多种需求。

  基于PCS7 TELECONTROL的SCADA系统构成

  本项目采用的是西门子PCS7 TELECONROL SCADA解决方案。结构图如下。这是一种过程控制应用和SCADA应用混合应用的平台。过程控制应用主要针对地域上相对集中的自动化装置,人机交互操作极为频繁,实时性要求极高,以专用通讯网络组成的局域网为主;而SCADA应用中的数据节点则相对分散,大多广泛分布于幅员辽阔的地理区域内,交互操作不频繁,但是控制命令的实时性响应要求较高,一般生产数据的完整性要求较高,以专用通讯网络或通用网络组成的广域网为主。PCS7 TELECONTROL方案则是完全兼顾局域网和广域网应用的解决方案,将这两类应用物理上分开,但逻辑上统一。

  整个SCADA系统在结构设计上主要考虑以下几个方面:

  1、站内数据与站外数据的物理分隔;

  在油气集输项目中,站内控制系统与站外控制系统在控制需求上是有着本质区别的。站内控制系统以DCS系统等过程控制系统为核心,无论是系统结构、网络配置、操控模式等,都属于标准的过程控制模式。有人机交互极为频繁,通讯可靠性极高,数据服务极稳定,将过程仪器仪表高度抽象化,以工艺单元为监控目标等特点。而站外控制系统中的RTU或PLC,以无人值守的运行方式居多,人机交互相对较少;即使在控制功能相对较多的集气站单元,一般也以“自治”模式为主,较少需要操作员干预。但是在紧急情况下,需要人工紧急干预时,如关井、放空等命令时,响应要及时准确。对于一般监控数据,要保证数据的完整性和连续性。

  因为站内控制系统和站外控制系统的需求不同,它们对数据的处理上就有不同。站内控制系统要求数据实时性好,无论上传还是下发,除极个别要求较高的动作指令外,一般都是采用同一周期数据更新频率;而站外控制系统相对数据实时性要求一般,下发数据和上传数据采用不同的数据更新频率,下发数据的指令级别要高于上传数据的指令级别。总体而言,站内控制系统或者DCS系统对数据的实时性要求更高,而站外控制系统相对一般。因此,为了实现这个要求,PCS7 TELECONTROL方案中对于站内控制系统采用标准的PCS7解决方案,采用冗余快速工业以太网的结构,以MAC地址寻址的模式,即在数据链路层就实现数据的交换,无需经过网络层,这样大大提高了数据访问的实时性。站外控制系统,则采用标准的工业以太网模式,利用支持路由功能的三层工业以太网交换机,将站外所有需要进行数据通讯的节点连接起来,以进行数据通讯。

  如果将这两种数据访问服务集中到一套数据服务器上,DCS数据访问服务必然会受到影响。因为站外数据访问服务的周期要远大于站内DCS数据服务周期,随着站外控制系统数据量的增加,数据服务器本身无法区分站内数据服务和站外数据服务,因此整体数据访问效率会大大降低。其次,站内控制系统是整个SCADA系统的核心,而这种基于C/S结构的控制系统,数据服务器的稳定性直接决定整个控制系统的稳定性,而稳定性是气田集输自动化项目最基本也是最高的要求。PCS7 TELECONTROL可以物理上将这两种应用分隔开,逻辑上又可以通过CAS或PROCESS HISTORIAN等软件进行数据的集中管理。

  冗余结构是提高稳定性的最直接也是最有效的手段。其次,可以采用将不同的数据服务分散到多个或者分布式的数据服务器中的模式,将数据风险分散。再次,就是提高数据服务器本身的可靠性。这三种方案都能够有效提高系统的稳定性。本项目采用了冗余和分布式的模式,即每个数据服务器都是冗余配置,同时根据数据访问服务的不同特点,将站内数据服务和站外数据服务分别部署到两套不同的数据服务器中,在提高单数据服务器对通讯效率的同时,分散相应的数据服务。

  对于第三种措施,即高稳定性的服务器,从性价比的角度考虑本项目没有采用。这是一种成本极高的解决方案,也是一种真正的冗余的服务器。服务器中的任何一个原件都是冗余的,并且可以实现内存的同步。

  2、站内数据与站外数据的逻辑统一;

  SCADA系统的核心是数据库。一般的SCADA应用中都包含实时数据服务(数据库)和历史数据服务(数据库)两种。

  实时数据库的重要特性就是实时性,包括数据实时性和事务实时性。数据实时性是现场IO数据的更新周期。一般数据的实时性主要受现场设备的制约,即控制器设备的通讯能力。事务实时性是指对事务处理的速度,它可以是事件触发方式或定时触发方式。事件触发是该事件一旦发生可以立刻获得响应,这类事件可以得到立即处理,但比较消耗系统资源;而定时触发是在一定时间范围内获得调度权。一般的实时数据库,从系统的稳定性和实时性而言,必须同时提供两种调度方式。实时数据库一般以文件的形式保存。

  历史数据库一般是商用数据库,如oracle、SQL Server等,PCS7 TELECONTROL采用的是SQL Server数据库。历史数据服务最主要的功能是将实时数据库采集到的大量的数据,通过特殊的压缩算法,持久化到商用数据库中,以便可靠保存。即利用较少的物理空间保存大量的数据信息。历史趋势以及报表服务中的数据均来自历史数据库中。在TELECONTROL解决方案中,除了生产数据外,任何可采集的信息都能够做历史数据保存,如报警信息、操作记录等。

  本项目中,无论站外控制系统和站内控制系统如何划分,都需要一个统一的数据服务。除了站内的多个控制系统间可以便捷的进行数据访问外,站外系统之间以及站外系统和站内系统间也需要能够进行数据访问。从系统管理的角度出发,也必然要求一个统一的数据库,以便于将站内系统和站外系统有机的融合到一起。

  在PCS7 TELECONTROL解决方案中,最多可支持11对(套)数据服务器的数据集中保存。本项目中,将两套数据服务器的数据集中到一套磁盘阵列中进行数据持久化保存。区别于传统硬件技术,采用磁盘阵列来保存数据主要有以下优势:

  •   它是专用、高可用性共享存储解决方案,可以连接多台服务器,在混合虚拟化工作负载中实现均衡的性能。

  •   可满足高性能的应用要求。

  •   实现更高的管理效率。

  •   部署可扩展性和灵活性,有助于实现数据分层,优化系统性能。

  •   多种数据保护能力。

  •   在线扩展功能。

  •   支持多种RAID 级别。

  3、编程方式;

  无论是DCS系统还是SCADA系统,编程方式时完全一样的。都采用同一个PCS7的编程环境,同一种编程方法,同一种面板,同一种数据管理模式。主要的不同在于,DCS采用西门子专用的基于MAR寻址方式的容错连接,而SCADA应用则采用普通的基于TCP/IP的网络连接,在这个网络之上,可以采用DNP,60870,MODBUS-TCP等开放的通讯协议,与非西门子产品进行数据交换。从前端表现形式来讲,则是完全统一的,即DCS和SCADA的操作方式、报警形式、界面风格等几乎完全一样。

  SCADA系统的功能

  •    对包括处理厂在内的整个气田各站场装置设备完整的数据采集;这是SCADA系统最基本的功能,也是最重要的功能。通过TELECONTROL提供的高效率的通讯协议软件,与现场各种设备通过网络进行数据访问;

  •    对包括处理厂在内的整个气田各站场的工艺流程进行动态显示,同时显示各种工艺参数、设备状态、报警信息等;

  •    站内装置设备的可靠操作。站内系统还是采用传统的过程控制的模式,实现对站内装置设备可靠操作。

  •    站外装置设备的远程操作。各装置设备都位于通讯网络的各个节点上,因此远程操作是SCADA系统的重要功能。采用经过优化驱动程序,控制命令可即时下发,命令下发的实时性得到最大程度的保证;另外,在通讯中断时下发的命令,不会在通讯恢复的时候生效,可保证操作的安全。

  •    报警和报警处理。采用状态闪烁显示、音响、颜色变换多种形式进行故障报警,同时显示发生故障的名称、等级、位置、时间和报警事件的处理或应答情况;

  •    集中的数据平台。无论是站内数据还是站外数据,均集中到同一个历史数据库中,但是实时数据服务各种工作,互不影响。单机或单系统的服务失效不会影响到整个SCADA系统的运行。

  SCADA系统的作用

  SCADA系统目前越来越广泛,它对生产管理所起了重要的作用:

  •    为气田安全生产、集中管理、统一调度指挥提供了完整的数据支持和设备条件。

  •    为优化生产工艺、提高生产效率提供了数据及技术支持。

  •    冗余结构的安全防护措施、多种形式的故障报警、远程控制功能为气田安全生产提供了有力保障。

  •    完整的数据采集与历史数据存储,为生产过程分析、事故追忆、落实岗位责任、提高生产管理水平提供了数据依据。

  •    完备的远程监控功能可以节省人力资源,降低生产成本,提高气田的生产经营效益。

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