冗余技術在天然氣備控中心SCADA系統的應用

曹曉鋒

摘 要：陜西省天然氣股份有限公司西安調度控制指揮中心SCADA系統監管著陜西省主要的天然氣管網，為了應對突發事件（如地震、火災、設備損壞等）給西安調度指揮中心造成的破壞，導致數據丟失，全省的天然氣管網處于失控狀態，公司建設了漢中容災備份調控指揮中心（以下簡稱備控中心），該指揮中心與西安調度控制指揮中心功能完全一樣，在主中心失去調度指揮作用時，能履行主中心的全部職責，完成對所有管道的監控。冗余技術是在一臺設備壞了后，另一臺馬上工作，不影響整個系統的正常運行，且同時修復該臺設備。通過對備控中心SCADA系統技術方案的分析，說明冗余技術在保證天然氣長輸管線SCADA系統的安全性、可靠性、穩定性起到關鍵的作用。

關鍵詞：SCADA系統 天然氣 冗余技術 PLC RTU

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

1 備控中心SCADA系統的組成（見圖1）

1.1 SCADA系統硬件

1.1.1 SCADA系統實時數據服務器

SCADA實時數據服務器負責處理、存儲、管理從現場的PLC和RTU采集的實時數據，并為網絡中的其他服務器和工作站提供實時數據，并向中間數據庫系統寫入實時數據，實時數據存放在實時數據庫中。操作員可通過任一操作員工作臺，從這個中心數據庫中了解任意場站、閥室的運行狀況。操作員發出的指令通過實時數據服務器傳遞到相應場站的PLC和閥室的RTU。

實時數據服務器中運行通信管理軟件，完成與沿線各站的PLC和RTU的通信鏈接、協議轉換、網絡管理等任務，采用UNIX實時多任務操作系統。采用熱備冗余配置（2臺）。

1.1.2 SCADA系統歷史數據服務器

歷史數據服務器主要完成歷史數據的存儲、管理，并為網絡中的其他服務器和工作站提供數據。服務器運行標準數據庫軟件SQL，采用UNIX實時多任務操作系統。采用熱備冗余配置（2臺）。

1.1.3 外存儲設備冗余磁盤陣列系統（RAID）

RAID用于存儲系統的歷史數據，是數據服務器的組成部分，能夠以標準的格式、使用標準的工具、支持熱插拔并以低成本實現大量數據的存儲。

1.1.4 硬件防火墻

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

1.1.5 操作員工作站

操作人員通過操作人員工作站實現對管道的監視和控制。通過此人機界面（HMI），操作員可詳細了解管道全線的運行狀況并向現場設備和站場下達命令。操作人員工作站通過冗余設置的局域網（LAN），使用TCP/IP通信協議與實時和歷史SCADA服務器互聯并交換信息。是一個獨立的系統，有著自己的處理器、內存和當地的顯示畫面格式。

1.1.6 工程師工作站

支持系統管理員來監視系統的資源并控制系統的冗余參數。工程師工作站具備性能測量軟件，以及SCADA系統重新組態的工具。通過工程師工作站的人機界面，工程師能夠對應用軟件及數據庫進行維護和維修。當有新的數據點或站場增添進SCADA系統時，系統擴展的任務也是在工程師工作站上完成的。

1.1.7 局域網（LAN）的交換機和路由器（見圖2）

圖2中局域網為冗余設置的SCADA局域網，網絡支持TCP/IP協議。局域網支持網絡上連接的所有設備的數據交換并滿足實時、多任務的要求。局域網采用2臺交換機，工作站和服務器的2塊網卡，分別連接至2臺局域網交換機上。每臺局域網交換機都分別連接至具有DDN主通信的R1路由器上和具有衛星備通信的R2路由器上。該方案集IPMP技術、HSRP技術為一體的綜合局域網絡冗余配置。

局域網設備的IPMP（IP Network Multipathing網絡多路徑）的網絡冗余設置方式，在雙網卡設備端將雙網卡設置為IPMP Team綁定，使兩塊物理網卡成為一塊邏輯網卡并定義一個邏輯IP地址。以負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，使某臺設備的雙網卡切換在IPMP Team內部即可透明完成，其它設備對該設備的數據訪問將不發生切換，故障網卡的業務不會丟失，將平滑轉移到另一網卡上，增強了局域網的整網冗余性和穩定性。

在高可靠性要求的SCADA系統工業局域網間采用雙星型互聯結構，即采用兩臺交換機互連，使兩個物理交換機在邏輯上也形成一個交換機，局域網的切換在二層交換即可實現。這樣對于實時性要求非常高的SCADA系統在站場局域網內部可以避免使用生成樹（spanning-tree）協議（當網絡鏈路變化時，通過生成樹協議從新計算一次的時間為60秒，而且此時間將隨著網絡的復雜度而增加）。

HSRP（Hot standby Redundancy Protocol 網關冗余協議），兩臺冗余路由器之間通過運行高可靠性HSRP為每臺通訊終端提供第一跳網關冗余保護。調控中心的2臺物理設備路由器R1和R2通過HSRP協議后，可以虛擬出一臺邏輯設備路由器R3。終端的PC的缺省網關都設置在虛擬的路由器R3上。正常的數據走向是通過虛擬的路由器R3再到R1上。一旦R1路由器出現故障，即主動路由器R1出現故障，備份路由器R2承接主動路由器的所有任務，而虛擬的R3仍舊作為缺省的網關，只是數據傳輸的路徑變為：由虛擬的R3到R2再到廣域網鏈路。這樣做的好處在于：不會因為路由器R1出現故障，切換到R2時，導致主機與網關通信連通的中斷現象，以確保站場到漢中容災備份調控指揮中心的數據連貫性。

1.2 SCADA系統軟件

備控中心采用的是加拿大Telvent公司的OASYS6.2 SCADA軟件系統，此系統基于開放性設計的軟件，適用于UNIX（服務器）和windows（各工作站）操作系統，模塊化結構設計，支持分部式服務器結構，支持冗余服務器和網絡。

OASYS系統主要由CMX（實時數據庫軟件包）XOS（人機界面圖形軟件包）XIS（歷史數據軟件包）組成。

CMX主要功能為收集數據、報警監測、計算數值、驅動程序、并為當前采集數據提供存儲空間，而且能是用戶通過指令控制遠端設備等功能。CMX同遠程終端設備（RTUS）或可編程邏輯控制器（PLCS）進行通訊，并傳輸指令和采集系統當前信息。定時運行程序和打印報表（告）。雙機冗余切換。

XIS主要用來將CMX數據庫中的實時數據歸檔存儲起來，以備歷史趨勢圖和打印報表用。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運行在不同的服務器上，保證了系統的可靠性。與CMX是相連接的，把信息從實時數據庫傳送至歷史數據庫系統。

XOS主要作用是繪制流程圖并將繪制好的控制流程圖動態顯示出來，提供給運行調度作為人機界面。調度員通過XOS完成SCADA功能。用鼠標器在屏幕上輕擊功能鍵，調出一副畫面，也可以輕擊控制鍵，控制現場設備。

2 結語

通過對漢中備控中心SCADA系統技術方案的分析，可以得出在實時服務器、歷史服務器、路由器、交換機、局域網的軟、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備份調控指揮中心SCADA系統的安全性、可靠性和穩定性。同時冗余技術有助于減少天然氣管道運營中的安全生產事故隱患。

參考文獻

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