摘? 要：當(dāng)前SCADA系統(tǒng)已具備分布式信息采集、監(jiān)視等功能，但由于項(xiàng)目實(shí)施時(shí)往往以工程為單位逐個(gè)定制，不同系統(tǒng)間兼容性差，數(shù)據(jù)集成與融合較為困難。文章基于對(duì)行業(yè)用戶(hù)需求的深度分析，研制了大規(guī)模分布式綜合監(jiān)控系統(tǒng)，創(chuàng)造性地引入了對(duì)象模型概念，通過(guò)模塊化、通用化實(shí)現(xiàn)了分布式測(cè)控和智能互聯(lián)，能夠提高操作效率、控制應(yīng)用成本。該系統(tǒng)在油田行業(yè)完成了典型應(yīng)用，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)適用于大型生產(chǎn)企業(yè)或廣域分布的大型復(fù)雜系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：SCADA；工業(yè)軟件；分布式；自動(dòng)化控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）06-0165-04

Design and Research of Large-Scale Distributed SCADA System in Industrial Field

LI Hongbo

（Zhejiang Guoli Security Technology Co.， Ltd.， Hangzhou? 310000， China）

Abstract： At present， SCADA system has distributed information collection， monitoring and other functions. However， due to the project implementation is often customized one by one， the compatibility between different systems is poor， and data integration and fusion are difficult. Based on the in-depth analysis of the needs of industry users， this paper develops a large-scale distributed integrated monitoring system， creatively introduces the concept of object model， and realizes distributed measurement and control and intelligent interconnection through modularization and generalization， which can improve the operation efficiency and control application cost. The system has completed a typical application in the oilfield industry， and the practice has proved that the system is suitable for large-scale production enterprises or large-scale complex systems distributed in wide areas.

Keywords： SCADA; industrial software; distributed; automatic control

0? 引? 言

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data AcquiSition System， SCADA）其可以實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)控制，從而對(duì)生產(chǎn)工藝執(zhí)行情況進(jìn)行全面的實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

自誕生之日起，SCADA系統(tǒng)的發(fā)展已歷經(jīng)三代，從集中式發(fā)展到了分布式，在基本的采集與監(jiān)視功能基礎(chǔ)上，借助分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡和冗余備份，極大提升了系統(tǒng)性能和可靠性。而工業(yè)信息化、智能化的發(fā)展，則進(jìn)一步要求所有系統(tǒng)與設(shè)備之間互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享，廣域分布的大型復(fù)雜系統(tǒng)中由于存在大量異構(gòu)，面臨著更大的困難和挑戰(zhàn)。

該論文研發(fā)的大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本系統(tǒng)”或者“VxSCADA系統(tǒng)”），集成了多種驅(qū)動(dòng)接口，可以支持業(yè)界各個(gè)廠商的DCS、PLC和RTU產(chǎn)品，具有高效、安全、通用、易用的特點(diǎn)，可作為工業(yè)軟件應(yīng)用平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于油氣田、長(zhǎng)輸管線(xiàn)、電網(wǎng)輸配電、長(zhǎng)距離水傳輸?shù)却蠓秶?、大?guī)?？刂祁I(lǐng)域。

1? 系統(tǒng)應(yīng)用需求分析

SCADA的發(fā)展取決于其應(yīng)用領(lǐng)域的需求特點(diǎn)，因此，面向不同領(lǐng)域的SCADA軟件發(fā)展路徑和過(guò)程也不完全相同。

本文研究設(shè)計(jì)的SCADA系統(tǒng)，其主要面向大規(guī)模分布式工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，需要實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)大量異構(gòu)系統(tǒng)、海量數(shù)據(jù)的融合集成，為企業(yè)提供自下到上完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)綜合監(jiān)視、控制及集成服務(wù)，并為生產(chǎn)安全、優(yōu)化調(diào)度、故障診斷以及生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供支撐平臺(tái)。因此，該工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中必須充分考慮四個(gè)方面的需求：

（1）對(duì)各類(lèi)異構(gòu)系統(tǒng)的全兼容能力，具有支持所有硬件設(shè)備與軟件協(xié)議的開(kāi)放接口，包括：

1）支持所有主流品牌PLC數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接。

2）支持主流攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)的融合集成。

3）支持WebSocket、ADO、OPC DA＼UA、http等第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口。

4）具備與監(jiān)控設(shè)備及系統(tǒng)、門(mén)禁設(shè)備及系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等平臺(tái)的對(duì)接能力。

（2）通用的人機(jī)接口、易用的人機(jī)交互界面、靈活的部署能力。

1）支持多人組態(tài)及面向設(shè)備的結(jié)構(gòu)化組態(tài)。

2）支持行業(yè)功能封裝和復(fù)用能力。

3）具備豐富的圖庫(kù)、模板及動(dòng)態(tài)效果，支持趨勢(shì)可視化工具，且能夠高效復(fù)用；

4）支持多語(yǔ)言自適應(yīng)，提供完備的在線(xiàn)幫助文檔及教程。

（3）穩(wěn)定卓越的控制性能，主要包括：

1）工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)支持千萬(wàn)點(diǎn)秒級(jí)刷新。

2）歷史數(shù)據(jù)記錄保存十年以上。

3）支持毫秒遠(yuǎn)程指令下發(fā)、秒級(jí)預(yù)警報(bào)警計(jì)算處置、以及多操作站并發(fā)處置。

（4）強(qiáng)力有效的安全保障和可靠性，主要包括：

1）具有冗余備份功能、防誤操作機(jī)制。

2）全天候不宕機(jī)運(yùn)行保障機(jī)制。

3）進(jìn)程守護(hù)機(jī)制、信息安全保護(hù)機(jī)制。

4）具備數(shù)據(jù)完整性保障的相關(guān)功能。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)思路

基于前述系統(tǒng)應(yīng)用需求分析，工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)軟件在設(shè)計(jì)，在保障常規(guī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制功能的前提下，必須充分考慮其通用性與擴(kuò)展性，提供與DCS系統(tǒng)、混合控制系統(tǒng)（GCS）、大型數(shù)據(jù)庫(kù)（VxHistorian）以及生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)（PIMS）等產(chǎn)品的無(wú)縫集成能力，同時(shí)支持與第三方智能設(shè)備、異構(gòu)系統(tǒng)或?qū)I(yè)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和信息互聯(lián)。

因此，該SCADA系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用基于網(wǎng)絡(luò)的分布式形態(tài)，功能實(shí)現(xiàn)上做到業(yè)務(wù)分層、模塊劃分，從而將系統(tǒng)部署簡(jiǎn)化為“搭積木”式的組合操作，可任意定制系統(tǒng)規(guī)模、修改節(jié)點(diǎn)形態(tài)，在兼顧功能、性能的同時(shí)具備了極強(qiáng)的兼容性、靈活性和可擴(kuò)展性；而面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想與通用的行業(yè)對(duì)象元素，又極大地提升了組態(tài)開(kāi)發(fā)的效率。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

（1）總體架構(gòu)上采用分級(jí)設(shè)計(jì)，通過(guò)多站控、中心兩級(jí)控制，構(gòu)建高性能的分布式/單機(jī)系統(tǒng)，滿(mǎn)足大范圍分布式部署要求。

（2）業(yè)務(wù)邏輯上采用分層設(shè)計(jì)，基于C/S架構(gòu)，將前端、后端與通信鏈路分離，職能清晰。其中后端專(zhuān)司分布式數(shù)據(jù)采集、處理和分發(fā)，著重于高性能、高可靠；前端采用輕型HMI客戶(hù)端，強(qiáng)調(diào)功能易用、交互人性化、資源占用低，除了傳統(tǒng)的PC客戶(hù)端，還可利用平板電腦、手機(jī)等多種智能終端發(fā)起安全訪(fǎng)問(wèn)，獲取生產(chǎn)工藝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、畫(huà)面以及報(bào)警信息。

（3）功能實(shí)現(xiàn)上采用模塊化設(shè)計(jì)，將各子系統(tǒng)的子功能進(jìn)行模塊劃分，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)并定義通用接口，包括報(bào)表、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)等，形成模塊庫(kù)，用戶(hù)可根據(jù)需求直接從庫(kù)中選配所需功能，“搭積木”式完成定制方案。

（4）網(wǎng)絡(luò)通信上集成所有標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)軟硬件接口驅(qū)動(dòng)，建立“縱向—橫向”交叉通信，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的兼容接入，采用內(nèi)部高速通信協(xié)議（UCP），實(shí)現(xiàn)組態(tài)一體化自動(dòng)載入和更新。從而有效地支持人機(jī)交互、機(jī)器與機(jī)器的交互，實(shí)現(xiàn)真正的分布式測(cè)控和智能互聯(lián)應(yīng)用。

（5）人機(jī)交互中應(yīng)用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，預(yù)先內(nèi)置覆蓋行業(yè)應(yīng)用的大量對(duì)象元素，包括過(guò)程信息、故障診斷信息、流程圖模板及其他所有相關(guān)信息，用戶(hù)可直接重用對(duì)象庫(kù)中的元素，也可自定義對(duì)象。

（6）組態(tài)開(kāi)發(fā)采用動(dòng)態(tài)模式，通過(guò)組態(tài)檢入檢出功能，支持多人在不同分布式節(jié)點(diǎn)上同時(shí)組態(tài)，極大提高工程組態(tài)進(jìn)度，并支持在線(xiàn)發(fā)布組態(tài)應(yīng)用，無(wú)須停止生產(chǎn)線(xiàn)。

（7）數(shù)據(jù)庫(kù)同時(shí)支持內(nèi)置實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并集成工業(yè)級(jí)大型數(shù)據(jù)庫(kù)VxHistorian應(yīng)用。提供豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)應(yīng)用與維護(hù)工具，滿(mǎn)足數(shù)據(jù)分析、工藝優(yōu)化、系統(tǒng)管理等要求。

3? 系統(tǒng)構(gòu)成與行業(yè)應(yīng)用

3.1? 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)軟件作為SCADA組態(tài)和運(yùn)行平臺(tái)的核心部件集，提供豐富的常用監(jiān)控組態(tài)功能。如圖2所示，軟件平臺(tái)包括五個(gè)層次，每個(gè)層次的功能以模塊集、應(yīng)用接口的方式構(gòu)建和集成。根據(jù)行業(yè)解決方案的要求，可對(duì)軟件平臺(tái)進(jìn)行靈活配置和部署。

3.2? 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由三部分組成，即SCADA服務(wù)器、SCADA客戶(hù)端、SCADA遠(yuǎn)程I/O服務(wù)。

3.2.1? SCADA服務(wù)器

SCADA服務(wù)器用于采集各設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、記錄歷史數(shù)據(jù)、產(chǎn)生并記錄報(bào)警，通過(guò)C/S網(wǎng)絡(luò)向各操作站提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)、歷史報(bào)警。同時(shí)，SCADA服務(wù)器兼具操作員站的功能。SCADA服務(wù)器承擔(dān)了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)，運(yùn)行時(shí)負(fù)荷較大，故一般SCADA服務(wù)器均部署在高性能計(jì)算機(jī)上，SCADA服務(wù)器架構(gòu)如圖3所示。

VxSCADA系統(tǒng)的SCADA服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)實(shí)施數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，提供面向其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成接入；同時(shí)，所有的數(shù)據(jù)通過(guò)通信總線(xiàn)，對(duì)外提供基于數(shù)據(jù)的各類(lèi)功能。

3.2.2? SCADA客戶(hù)端

主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)組態(tài)應(yīng)用構(gòu)建，基于統(tǒng)一的組態(tài)服務(wù)器進(jìn)行工程開(kāi)發(fā)，客戶(hù)端所有數(shù)據(jù)通過(guò)訂閱模式來(lái)源于SCADA服務(wù)器。

3.2.3? SCADA遠(yuǎn)程I/O服務(wù)

實(shí)現(xiàn)VxSCADA采集驅(qū)動(dòng)的遠(yuǎn)程部署，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端就地采集、轉(zhuǎn)換和預(yù)處理。支持公網(wǎng)、城域網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞剑С纸M態(tài)遠(yuǎn)程維護(hù)、故障診斷。

3.3? 系統(tǒng)部署設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中，可以將服務(wù)器、客戶(hù)端、通信服務(wù)器都部署在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，也可以根據(jù)業(yè)務(wù)要求，靈活的部署在不同網(wǎng)絡(luò)的不同計(jì)算機(jī)中。無(wú)論是簡(jiǎn)單的單機(jī)人機(jī)界面，還是復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)、多現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)適用于各種應(yīng)用類(lèi)型和應(yīng)用規(guī)模的需要，通過(guò)可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建分布式系統(tǒng)。

3.4? 行業(yè)應(yīng)用

本系統(tǒng)作為大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)，在油田行業(yè)的應(yīng)用主要是面向大容量油氣集輸及管網(wǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的綜合監(jiān)控。該系統(tǒng)配套PIMS油田行業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化管理軟件，可幫助企業(yè)上層管理者及時(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，填補(bǔ)管理層和控制層之間的空白，無(wú)縫實(shí)現(xiàn)管控一體化目標(biāo)。

在油田行業(yè)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例如圖4所示，面向整個(gè)作業(yè)區(qū)的SCADA系統(tǒng)部署分三級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)為SCADA調(diào)控中心；第二級(jí)為聯(lián)合站的站內(nèi)站控系統(tǒng)；第三級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)就地控制單元。SCADA調(diào)控中心預(yù)留有生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳油田生產(chǎn)指揮中心的接口，為油田實(shí)現(xiàn)數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。

其中SCADA調(diào)控中心接收聯(lián)合站的站內(nèi)站控系統(tǒng)上傳的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及站外計(jì)量站、油水井RTU上傳的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合站及所轄計(jì)量站、油水井工藝生產(chǎn)過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)度和管理；同時(shí)預(yù)留上傳生產(chǎn)數(shù)據(jù)到油田生產(chǎn)調(diào)度中心的接口。

聯(lián)合站中的混合控制系統(tǒng)一方面獨(dú)立完成對(duì)所在站場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)本工藝站場(chǎng)的監(jiān)控及聯(lián)鎖保護(hù)等任務(wù)；同時(shí)需要將有關(guān)信息傳送給SCADA控制中心并接受其下達(dá)的指令。

RTU控制系統(tǒng)就地采集各類(lèi)型井口、計(jì)量配水間數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)油水井RTU經(jīng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋方式上傳至計(jì)量站通信設(shè)備，再以光纖方式傳入聯(lián)合站SCADA系統(tǒng)。而計(jì)量站RTU以光纖方式直接傳入聯(lián)合站SCADA系統(tǒng)。

4? 結(jié)? 論

由于技術(shù)發(fā)展的歷史局限性，工業(yè)企業(yè)（尤其是生產(chǎn)場(chǎng)景在地域上較為分散的企業(yè)）中的大部分自動(dòng)化和信息系統(tǒng)建設(shè)初期缺少自覺(jué)統(tǒng)一的規(guī)劃部署，而是由各業(yè)務(wù)系統(tǒng)能根據(jù)自身的發(fā)展需要來(lái)逐步開(kāi)展相關(guān)建設(shè)工作。從單獨(dú)業(yè)務(wù)角度看，每個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)可能都運(yùn)行良好，且積累了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是，由于業(yè)務(wù)對(duì)象不同，系統(tǒng)架構(gòu)不同，運(yùn)行環(huán)境不同等因素制約，企業(yè)內(nèi)部的大量業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互獨(dú)立，形成一個(gè)個(gè)“孤島”，數(shù)據(jù)不能共享與利用，控制與生產(chǎn)不能協(xié)同，嚴(yán)重制約了企業(yè)生產(chǎn)與管理效率的提升。如何將孤立系統(tǒng)聯(lián)結(jié)成一個(gè)有機(jī)整體，讓管理和生產(chǎn)控制如臂使指，成為企業(yè)信息化建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)研究的工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模分布式SCADA系統(tǒng)軟件，在基本的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在網(wǎng)絡(luò)化、通用化方面取得突破，能夠打破企業(yè)內(nèi)部、或廣域分布的生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)一座座“孤島”，構(gòu)建企業(yè)系統(tǒng)與設(shè)備的互聯(lián)互通，促進(jìn)企業(yè)的系統(tǒng)融合與數(shù)據(jù)集成。在此基礎(chǔ)上的生產(chǎn)全過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、設(shè)備遠(yuǎn)程控制，可幫助工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)綜合監(jiān)控，減輕操作人員負(fù)荷、及時(shí)異常預(yù)警與處理，極大程度提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理效率。對(duì)深化全過(guò)程全鏈條數(shù)據(jù)挖掘，推進(jìn)企業(yè)數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用也有深遠(yuǎn)的意義。

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作者簡(jiǎn)介：李紅波（1980.09—），女，漢族，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：先進(jìn)制造與自動(dòng)化。

收稿日期：2022-11-17