（计算机应用技术专业论文）数据采集和监视控制系统在石油传输管道中的应用.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究 所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的工作 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：蛐墨岛期：竺f 竺：苎：墨r 研究生学位论文版权使用授权书 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位的 名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录工作 的规定执行) 送交论文的复印件和也子版本，允许论文被查阅和借阅，同意 学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名 指导教师签名 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 石油工业是衡量一个国家综合国力的重要部分，它作为一种重要的战略资源和工业产 品，对国民经济具有举足轻重的影响。因此，石油的安全传输具有重要的现实意义和商业 价值。 s c a d a 自动控制系统，采用各种仪表、控制设备及计算机等自动化设备和技术，对 输油管道进行检测、监视、控制和管理，保证输油安全、稳定。s c a d a 系统在工程中的 使用，能实现工程安全所需的技术指标，提高工程安全性，也能有效提高经济和管理效率， 节约了能源和人力物力，改善了工作条件，保障了生产的安全进行。 本文对s c a d a 自动控制系统的背景、发展现状作了简要介绍，并结合某输油管道工 程详细介绍输油管道s c a d a 系统功能、技术要求以及中心控制和站点控制系统基本配置 和主要功能。该系统已通过调试验收，并实现安全、稳定、高效地连续运行。 关键字：s c a d a ；p l c ；石油管道工程 a b s t r a c t p 咖l e 啪i n d u s 时i s 锄i 咖tc 0 m p o n 钮tp a r t0 fw e i 咖n gm ec 0 吼娜c o m p 廊锄i v e n a t i o n a l s t r e n g t h , w h i c hh a sad e c i s i v ei n f l u e n c e0 1 1t h en a t i o n a l e c o n o m y 嬲锄i m p o r t 锄t s t r a t e 西cr e s o u r c ea n di n d u s t r i a lp r o d u c t t h e r e f o r e ，t h es e c u r e 仃a n s m i s s i o n0 f p c 仃0 l e u mh a sv i t a l p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dc o m m e r c i a lv a l u e t h es c a d as y s t e m ，w h i c hu s e sav a r i e t yo f i n s t r u m e n t a t i o n ，c o n t r o le q u i p m e n t 锄d c o m p u t e rt e c h n o l o g yt od e t e c t ，m o n i t o r , c o n t r o la n dm a n a g et h ep e t r o l e u m p i p e l i n e c n s u r c st h e p e 昀l c a ms e c u r i t ya n ds t a b i l i t y w h i l es c a d a s y s t e mi su s e di ne n g i n e e r i n g , i tc 锄a c h i c v e l e r e q u i r e ds a f e t yt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s ，i m p r o v et h ee c o n o m i ca n dm a n a g l e i l te f f i c i e n c y a n d s a v ee 1 1 e r g ya n d r e s o u r c e s ，i m p r o v ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dg u a r a n t e et h es a f e t yp r o d u c t i o n 1 h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fs c a d a s y s t e mi si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s a n d c 0 m b 蛐n gw i t hs o m eap e t r o l e u mp i p e l i n ep r o j e c t , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep e t r o l e u mp i p e l i s c a d as y s t e mf u n c t i o n s ，t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa sw e l la st h eb a s i cc o n 6 9 u r a t i o a n dm a i n n m c t i o n so ft h ec e n t r a lc o n t r o la n ds i t ec o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l t h es c a d a s y s t 锄i n 此 p c l l 锄p i p e l i n ep r o j e c th a sb e e nc o m m i s s i o n e da n da c c e p t e d ，a n ds e i c e si n 瞅晡蚀 s t a b i l i t y , a n de f f i c i e n c y 一 k e y - w o r d s ：s c a d a ；p l c ；p e t r o l e u mp i p e l i n ep r o j e c t 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章前沿1 1 1 问题提出的背景及意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3 本文的主要工作及结构安排。2 第二章s c a d a 系统功能和技术要求4 2 1 吴起一延炼输油管道工程概况。4 2 2 自控系统方案4 2 3 系统扩容能力5 2 4 系统结构及特点5 2 5 数据采集与报警机制6 2 6s c a d a 系统设计原则。6 2 7 网络结构及通信_ 8 2 8s c a d a 系统功能8 2 8 1 中心控制主要功能8 2 8 2 站场控制主要功能9 2 9 本章小结。9 第三章s c a d a 系统基本配置l l 3 1 控制中心系统l l 3 1 1 硬件配置1 1 3 1 2 软件配置13 3 2 站场控制系统l8 3 2 1 硬件配置18 3 2 2 软件配置1 9 3 3 本章小结2 2 第四章s c a d a 系统在石油管道工程中的应用2 4 4 1 上位模块2 4 4 2 下位模块2 4 4 3 系统的功能2 4 4 3 1 泄漏检测2 5 4 3 2 报警事件处理2 5 4 3 3 报表生成2 6 4 3 4 趋势预测2 6 4 3 5 安全管理2 7 4 4 实例分析：2 7 4 4 1 网络结构及系统框架图2 8 4 4 2p l c 输入输出模块接线图3 0 4 4 3 系统功能实现3 0 4 5 本章小结3 4 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 第五章总结与展望3 5 5 1 总结3 5 5 2 展望3 5 参考文献。3 6 致 射3 8 附录a 攻读学位期间发表的论文3 9 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 问题提出的背景及意义 第一章前沿 石油工业是衡量一个国家综合国力的重要部分，作为一种重要的战略资源和工业产 品，对国民经济具有举足轻重的影响，对于中国这样一个经济高速发展的发展中国家尤为 重要。我国油田多数具有小区域性、低渗透型、分散性等特点，采用传统的开采和传输技 术会浪费大量的资源，生产效率和商业产值相对较低，只有通过采用新的开采和传输技术 才能改变这种现状川。 中国加入w t o 后，国际原油价格对我国的采油行业产生了很大的影响，降低生产成本， 提高劳动效率，减少安全隐患，是油田当前和今后一个时期的一项主要任务【2 】。随着计算 机技术、通信技术、检测与控制技术的发展，s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统可以让我们实现这一目标。 s c a d a 系统即管道监视控制与数据采集系统，是以计算机为基础的生产过程控制与 调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备 控制、测量、参数调节以及各类信号报警等多项功能。 s c a d a 监控系统正逐步取代人工监控方式实现对原油生产和计量的各个环节进行远 程监测、控制和管理。它不仅解决了人工监控中出现的如监控难、实时性差、效率低等难 题，更重要的是它把油田监控水平提高到了一个新的层次。s c a d a 系统能够实现各种最优 的技术经济指标，提高经济效益和劳动生产率，节约能源，改善劳动条件，保证环境卫生 及安全生产等目的【引。 1 2 国内外研究现状 s c a d a 系统( 名数据采集与监视控制系统) 自诞生之日起就与计算机技术的发展 密切相关，至今已经出现了三代的s c a d a 系统。 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统，如电力自动化研究院 为华北电网丌发的s d l7 6 系统以及r 本同立公司为我国铁道电气化远动系统所设计 的h 8 0 m 系统均是第一代的产品，其一直延续到7 0 年代止。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，其广泛采用虚拟地址扩展 ( v i r t u a la d d r e s se x t e n s i o n ，v a x ) 等其它计算机以及通用工作站，操作系统一般是通 用的u n i x 操作系统。在这一阶段，s c a d a 系统在电网调度自动化中与经济运行分 析，自动发电控制( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ，a g c ) 以及网络分析结合到一起构 成了能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 。第一代与第二代s c a d a 系 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升 级以及与其它联网构成很大困难。 第三代是9 0 年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术 的能够实现大范围联网的e m s s c a d a 系统。这一阶段是我国s c a d a e m s 系统发 展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进s c a d a e m s 系统中。这一阶段也 是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期，国家计划未来三年内投资 2 7 0 0 亿元改造城乡电网可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度【4 】。 国内s c a d a 系统的仍处在发展时期。由于各个应用领域对s c a d a 的要求不同，所以 不同应用领域的s c a d a 系统发展也不完全相同。 在电力系统中，s c a d a 系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟，它作为能量管理系 统( e m s 系统) 的一个最主要的子系统，现已成为电力调度系统不可缺少的部分。s c a d a 系 统对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动 化与现代化，提高调度的效率和水平方面有着不可替代的作用。西南交通大学研究了j 2 e e 平台技术和基于j 2 e e 平台的开源框架技术在电力s c a d a 系统中的应用，根据基于j 2 e e 多 层体系结构b s 设计思想，结合s t r u t s 和h i b e r n a t e 等歼源技术，设计了基于客户层、中间层 及数据层三层结构的电力s c a d a 系统【5 】。华中科技大学对现有的基于w i n d o w s 系列平台变 电站、电站监控系统h g 2 0 0 2 进行研究，分析变电站自动化系统的结构和功能，论证了电力 组态软件跨平台运行的可行性，设计并开发了基于u n i x 系统的图形绘制模块及人机交互 模块【6 】。 s c a d a 在铁道电气化远动系统上的应用较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电、提 高铁路运输的调度管理水平方面发挥了很大的作用。在铁道电气化s c a d a 系统的发展过程 中，我国也从国外引进了大量的s c a d a 产品与设备，这些都带动了铁道电气化远动系统向 更高的目标发展。西南交通大学通过使用w i n d o w s 2 0 0 0 s e r v e r 、i i s 及s q l s c r v c r 2 0 0 0 的网络 系统工具，构建了试验被控端系统的基本w e b 平台，实现了电气化铁道s c a d a 系统被控端 的w e b 方式【_ 7 1 。该大学还根据目前几种常用的动态w e b 开发技术，结合铁路电气化s c a d a 复视系统现状，提出以n e t 作为软件开发平台，以a s p n e t 作为开发技术的分布式铁路电 气化s c a d a 复视系统【引。 s c a d a 在油田及石油管道工程中占有重要的地位，系统管理石油管道的顺序控制输 送、设备监控、数据同步传输记录，监控管道沿线及各站控系统运行状况。除此基本功能 之外，现在的s c a d a 管道系统还具备泄露检测，系统模拟，水击提前保护等新功能。中国 海洋大学以h o n e y w e l l 公司的s c a n 3 0 0 0 作为调度系统上位机软件平台，以a b 公司r t u s l c s 0 0 系歹i j p l c 为现场测控系统控制核心配m d s 公司无线电台，形成以陆海监控中心、中 心平台站、卫星平台站及通信系统为基础的滩海油田s c a d a 系统【9 1 。 1 3 本文的主要工作及结构安排 本文的主要研究工作实现石油管道的s c a d a 系统设计与实现。通过介绍吴起一延炼输 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 油管道工程的工艺流程及原理，配置系统硬件与软件资源，实现工程需求实现现场设备自 动化控制、 本文共 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章s c a d a 系统功能和技术要求 2 1 吴起一延炼输油管道工程概况 吴起延炼输油管道工程全线敷设于陕西省延安地区的吴起、志丹、甘泉、富县、洛 川、宝塔区等县区。以吴起至延安炼油厂为主干线，在沿途各站点接收各油区的净化原油 插输至干线，最终实现延长集团陕北油区原油的管道输送。管道包括输油干线、联络线和 5 条输油支线，共建l o 座输油站场和l l 座截断阀室，线路全长约4 0 0 k m ，设计任务输量 为7 5 0 x1 0 4 v a 。 输油干线起自石百万输油首站，止于延炼输油末站，线路长度2 7 2 4 9 k m 。采用加热输 送为主、加剂热处理输送为辅的密闭输送工艺，采用西4 5 7 m m 、m 4 0 6 4 m m 、3 2 3 9 m m 三 种管径。设计压力9 0 m p a 、6 3 m p a 两种压力等级，干线设置石百万输油首站l 座，延炼 输油木站l 座，中间泵站( 甘泉、双河输油站) 2 座，下寺湾、富县等2 座中间插输站。 输油联络线起自姚店输油站，止于甘泉输油站，线路长度7 9 7 8 k m 。采用加热输送为 主、加剂热处理输送为辅的密闭输送工艺。采用3 7 7 m m 管径，设计压力9 0 m p a 、6 3 m p a 两种压力等级，联络线设姚店输油站l 座，输油末站l 座( 与甘泉输油站合建) ，中间插 输站( 南泥湾插输站) l 座。输油支线共有5 条：长官庙联合站一石百万输油首站0 7 4 l 【i i l ， 寨子洼一干线插入点1 9 5 4 k m ，刘坪一双河输油站2 1 5 4 k m ，双河联合站一双河输油站 1 1 5 i c n l ，下寺湾联合站一下寺湾插输站l 妯，支线全长4 3 9 7 k m 。全线共建设1 1 座截断阀 室，其中1 0 座远控截断阀室。 2 2 自控系统方案 吴起一延炼输油管道的自控系统采用s c a d a ( 监控和数据采集) 系统，系统管道的 s c a d a 中心设置在甘泉输油站内，完成对输油干线和输油联络线中各个站点的远程数据 采集、监控、管理以及对泄漏进行监测报警。管道s c a d a 中心设在余家坪输油站内。吴 起一延炼管道s c a d a 系统的数据传输采用专用光缆，光缆与管道同沟敷设。各站自控系 统设备和通信设备间的距离不大于3 0 m 。s c a d a 系统以光纤通信信道为主信道，以市话 电路为备用信道。当主信道发生故障时，自动切换到备用信道运行，信道切换由s c a d a 系统自动完成并记录备案。通信系统的误码率要控制在极小的范围。输气管道的控制和管 理分为两级：中心控制级和站场控制级。中心控制级( 控制中心) 负责完成对管道的数据采 集、数据处理及存储归档、控制、故障处理、安全保护、报警等任务。站场控制( 站控) 负 责完成站内相关设备的监控和相关信息的处理以及存档。 管道沿线分设石百万输油首站、西区刘坪输油站、双河输油站、寨子沣插输站、下寺 湾插输站、甘泉输油站、姚店输油站来油、南泥湾插输站、富县插输站和延炼输油术站的 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 十套s c a d a 站控系统( s t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，s c s ) ，s c s 作为s c a d a 系统的远方控制 单元，能够有效保证吴起延炼输油管道s c a d a 系统正常运行，为调度控制中心生产调 度、管理与控制命令的远方执行奠定基础，其主要功能是完成本站各生产系统的运行监测 与控制，向中心控制系统传送主要的生产运行参数，执行中心控制系统的调度、控制指令 【l o 】 o 在正常情况下，由调度控制中心对全线进行监视和控制。沿线各站无须人工干预，各 站站控系统在调度控制中心的统一指挥下完成各自的工作。控制权限由调度控制中心确 定，经调度控制中心授权后，才允许操作人员通过站控制系统对各站进行授权范围内的工 作。当数据通信系统发生故障或控制中心主计算机发生故障或系统检修而导致通信中断， 站控系统具备7 2 小时存储历史数据的能力，待通信恢复后可在规定的时间内，将数据重 新恢复至控制中心历史数据库，不影响正常生产的数据采集和控制。 在生产运行正常的情况下，所有的调节、控制均可在无人或极少人操作下自动运行。 出现异常情况时，也可采用手动就地关断、调节。生产过程的自动控制以现场各站级监控 系统控制为主【n 】。控制中心进行集中数据采集及监控各站生产过程，各站出现异常事故时 可在控制中心实行紧急关断操作。 2 3 系统扩容能力 调控中心s c a d a 系统作为管道系统的调控中心，系统控制能够在调控中心完成对各 管道、站场进行监控、调度、管理并完成全线优化运行的任务。因此，该系统具有高可靠 性、稳定性和灵活性，并且具有强大的扩容能力，以满足今后拟建管道数据接入的要求【1 2 1 。 o a s y s ( o p e n a r c h i t e c t u r es y s t e m ) s c a d a 系统“开放”式的设计使得该系统既能够运行在 小规模的系统上( 如站场级别的系统) ，也能够运行在非常庞大的系统上，这也使得拟建 管道全线的生产数据能够顺利的进入到已有的系统中。同时，s c a d a 系统软件的模块化 设计，使得s c a d a 系统组态时能够非常方便的增加所需功能并进行系统扩展。 o a s y s 系统具有非常强大的在线组态能力，所有的系统操作如增加数据库点、增加 p l c r t u 和增加软件模块等，都不会影响系统的正常运行。同时，o a s y s 系统没有监控 点数的限制。 o a s y s 系统具备“无限点”扩容能力，支持系统在线扩容，即保证现有管道讵常运行的 基础上，在线加入新建场站的数据点，并进行现场调试【l3 1 。系统的扩展可以采取建成一个 投产一个，接入一个监控一个的方式进行，对于新系统的接入，具备不停机工作的特点， 使系统能够长期稳定的运行。 2 4 系统结构及特点 o a s y s 系统充分体现了“开放体系结构系统”的概念，所有源代码均采用了非特定厂家 特殊扩展的a n s ic 和c + + 编写。为了实现最大的灵活性和扩展性，o a s y s 系统可以实 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 现将操作员和管理员工作站运行在微软的w i n d o w s 平台上，系统的服务器部分可以运行 在u n i x 平台上。 输油管道工程使用的o a s y s6 3u n i xs c a d a 是基于并超越一般的s c a d a 系统的实 时系统，能够为客户提供最为开放的结构、十分友好的面向企业的数据管理。其具有良好 的用户图形界面，完全集成的关系型数据库管理系统( r e l a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m ，r d b m s ) ，具备与第三方应用软件集成的开放性以及具备系统的安全性【1 4 1 。 o a s y s 6 3u n i xs c a d a 系统从传统意义的s c a d a 环境中移植到客户现在的同常工 作流程之中。该系统强大的灵活性能够最大限度地适应客户不同业务的应用。这些超越普 通s c a d a 系统的功能包括w e b 服务解决方案、数据挖掘和分析功能【1 5 】。 该s c a d a 系统能够实现实时紧急停车( e m e r g e n c ys h u t d o w nd e v i c e ，e s d ) 、操作命令、 重要状态点的快速扫描等，命令能够在常规的周期扫描进行之前单独执行，从而优先保证 重要数据命令的传输，确保系统的实时性。 2 5 数据采集与报警机制 各个站点使用的通讯软件支持各种不同的数据采集方式，如周期扫描、例外扫描、查 询、例外报告、报警等。这些功能可以通过组态实现，并在准确、可靠、安全和高效率等 方面实现最优化。 系统中有突变事件或特殊请求发生时( 如发布操作命令、状态变化、对某一局部重点 监控、发生报警等) ，系统将中断周期扫描，采用其它扫描方式工作，优先保证重要数据 命令的传输，确保系统的实时性【1 6 1 。 在正常情况下，优化后的通讯软件将采用周期扫描的方式更新数据，并实现不超过1 秒的数据更新时间。如果所有的远程终端设备( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，r t u ) 具备遇变则报 的功能，以及当分组轮询或通讯出现故障时，扫描时间会相应增长，但只要通讯系统具备 足够的能力，系统仍然可以满足1 秒的扫描速率。 o a s y s 系统容许在进行数据采集时，给各个数据点赋予不同的采样频率。那么，对快 速变化的数据如压力、流量等和缓慢变化的数据如温度分别采用不同的采样频率。 所有的事件或报警在o a s y s 数据库中都有记录。在非常大的系统中，位于调控中心的 操作员会遇到很多报警同时发生的情况而不知道如何采取币确的措施。而o a s y s 系统有 效的避免了这种情况的出现，当同一个数据点发生多种报警时，最严重的报警最优先显示， 次优先的报警随后出来。此外，系统中的过滤功能能够很快消除不必要的报警。 2 6s c a d a 系统设计原则 管道s c a d a 系统工程项目以安全可靠、先进实用、经济合理为宗旨进行建设。在系 统的结构设计和软硬件配置上，实现既能够满足项目的要求，也能有足够的扩充和发展余 地，以满足今后发展的需要的目的。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 数据库同步指标 s c a d a 系统中的实时数据库( c o n t r o l & m a n a g e m e n te x e c u t i v e ，c m x ) 是驻留在内存 中，支持多用户高速并发式访问的实时数据库【1 7 】。系统工作时，工作与热机上的系统专门 进程可以随时地探查与发现新变化的数据，并毫不迟疑地传递给热备份服务器。数据传递 是按照逢变则报的原则进行【1 8 】。每个数据的传递，尽管与处理器能力，网络速度等有关系， 但通常是在毫秒数量级完成。 设备时钟同步 本项目在主控中心和备控中心分别安装两台g p s 时钟服务器。建议的方法为冷备份。 这是一种可行的比较简单的方法。另一种更为常用的方法是两台g p s 时钟同时在线，分别 作为两台实时服务器的一级时钟源，然后两台服务器之间按照网络时间协议( n e t w o r kt i m e p r o t o c o l ，n t p ) 推荐的点对点参照的方法互相参考【1 9 1 。系统j 下常工作时一号主服务器为全 系统的二级时钟源，系统中其它所有设备都与其进行校时。 当一号g p s 时钟故障时，一号服务器自动从二号服务器获得时钟源。当一号服务器本 身故障时，二号服务器自动接替成为全系统时钟源。当一号服务器故障同时二号g p s 时钟 故障时，二号服务器仍然可以从一号g p s 获得标准时钟。 系统中的能够通过网络校时的设备包括全部的服务器、工作站、p l c 、e s d 、r t u 和路由器。第三方设备支持n t p 协议的也可以从网络上获得标准时钟。第三方的串口设备， 在供货厂家提供校时协议或校时命令的情况下，可以由s c a d a 系统定时发布校时命令。 远程在线维护，诊断范围及可靠性 s c a d a 系统对远程维护的支持比较全面和非常友好的。t e l v e n t 公司位于加拿大的维 护中心，负责整个北美洲近3 0 0 套系统的维护工作，其中9 0 的工作是远程完成的，只有 诸如更换硬盘这样的工作才需要直接到现场去【2 们。 数据库的自检和自恢复技术 s c a d a 系统中的c m x 实时数据库，是一个有着近3 0 年历史的，经历过无数现场检 验的非常成熟的软件。c m x 数据库在开机时有完整性检查，在运行中依赖一套功能完整 的保证数据安全性的访问手段，称为虚拟层访f - - ( v i r t u r el a y e r a c c e s s ，v l a ) 的方法来保证 数据库的安全与正确【2 。这种方法的核心思想是把自检和自恢复与每一次访问结合起来， 从而把非法数据或非法操作隔绝在数据库的大门之外。除此之外，c m x 可以在硬盘上保 存任意多个镜象文件，这些文件可以用来使该数掘库恢复到文件保存时的现场，可以是几 分钟，几天小时，或几年前的任何一个时刻。 操作系统对中文的支持 无论是服务器上的u n i x 系统，还是工作站上的w i n d o w s 系统，都已经是纯中文系统。 模块化设计，离线或在线组态方式 s c a d a 系统是纯模块化设计，支持离线和在线组态。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 7 网络结构及通信 o a s y s 系统采用双局域网( l o c a l 觚an e 附o r k ，l ，a n ) 的网络结构，s c 心服务器、 工作站和系统中其它组成部分通过双l a n 实现通讯。s c a d a 节点和节点之间的通讯，以 及从运行服务器到备用服务器的数据复制，在局域网内部和广域网系统之间是双向、逐项 进行的。在不同的系统之间，负责交换实时信息的服务器由具备高带宽的局域网连接，系 统之间由广域网连接。系统中的路由器提供了一条主信道和一条备用信道连接到主控中 心，对于主信道和备用信道之间的切换将在路由器中设置完成，在主信道一切正常的情况 下，路由器将会自动选择主信道作为当前信道，一旦当主信道发生通信中断时，路由器将 自动切换到备用信道，从而免受系统进行数据采集时出现中断现象，这样也就实现了主备 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 仪表和系统的故障诊断和分析： 网络监视和管理； 通信通道的监视及管理； 系统具备通信通道故障时主、备信道自动切换能力； 与管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) t 2 3 】的接1 3 、 口，配置有效的专业防火墙； 电力系统监控； 控制权限的确定； 远程维护功能。 2 8 2 站场控制主要功能 除完成对所处站场的监控任务外，同时负责将有关信息传送给调度控制中心，并接受 和执行其下达的命令。其主要功能( 不限于此) ： 数据采集与传输功能 ( 1 ) 采集站内工艺运行参数，将其传输至控制中心系统； ( 2 ) p l c 系统支持以太网( 通讯速率1 0 w l o o yb p s 自适应) 。 控制功能 ( 1 ) 执行控制中心下发的指令； ( 2 ) 全站的启动、停止控制； ( 3 ) 站内所有电动阀门远程控制及手动控制。 显示功能 ( 1 ) 各站动态流程图显示( 包括实时运行参数及设备状态) ； ( 2 ) 运行参数的动态显示，参数的实时、历史趋势图显示； ( 3 ) 报警画面显示。 打印功能 ( 1 ) 报表打印； ( 2 ) 故障记录打印。 其它功能 ( 1 ) 站内数据管理； 1 2 ) 自诊断自恢复； ( 3 ) 经通信接口与第三方的系统或智能设备交换信息； ( 4 ) 数据通信管理【2 4 1 。 2 9 本章小结 吴起一延炼输油管道工程系统采用监控和数据采集系统，完成对输油干线和输油联络 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 线中各个站点的远程数据采集、监控、管理以及对泄漏进行监测报警。本章主要对s c a d a 系统的扩容能力、系统结构及特点、数据采集、报警机制、网络结构、通讯方面、中心控 制及站控中心的主要功能等方面进行了详细介绍。下一节将着重介绍s c a d a 系统的基本软 硬件配置。 武汉科技大学硕士学位论文第11 页 3 1 控制中心系统 3 1 1 硬件配置 服务器 第三章s c a d a 系统基本配置 服务器是s c a d a 系统的核心，运行各种软件，采集各工艺站场的过程数据，负责整 个系统的实时数据库和历史数据库的管理、网络管理等重要工作f 2 外。为了提高系统的可靠 性和安全性，系统服务器采用冗余配置，其性能应符合工业用硬件和软件的标准，应具有 容错和自诊断能力。在最大工作负荷下，服务器的资源利用率不应超过6 0 ，以提高系统 的可靠性 2 6 1 。供货商需提供服务器的资源利用率计算结果。 ( 1 ) s c a d a 数据服务器 s c a d a 数据服务器负责处理、存储、管理s c s 采集的实时数据，并为网络中的其它 服务器和工作站提供实时数据，实时数据存放在实时数据库中。数据服务器中运行通信管 理软件，完成与沿线各站的s c s 和r t u 的通信链接、协议转换、网络管理等任甜2 7 1 。数 据服务器采用热备冗余配置。 s c a d a 数据服务器完成历史数据的存储、管理，并为网络中的其它服务器和工作站 提供数据。服务器运行标准数据库软件( 如o r a c l e 、s y b a s e 、s q l 等) ，提供开放软件接口 和标准物理接口。 ( 2 ) w e b 服务器 w e b 服务器是s c a d a 系统与m i s 之间的衔接服务裂2 8 1 。s c a d a 系统将有关信息写 入w e b 服务器，并对其实时更新。w e b 服务器在m i s 网络中以网站的形式出现，它既为 m i s 提供生产信息，又避免了与s c a d a 系统无直接关系的计算机直接访问s c a d a 系统 服务器。 工作站 ( 1 ) 操作员工作站 操作员工作站是调度、操作人员与调度控制中心计算机监控系统的人机接口( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，m m i ) ，它在调度控制中心计算机监控系统中是作为客户机，操作员可 通过其提供的信息详细了解管道全线的运行状况并下达命令，也可以通过l a n 与服务器 互连并交换信息【2 9 1 。操作员工作站工业级p c 机配置为： 1 ) c p u ：英特尔酷睿t m 2 双核至尊版处理器； 2 ) 内存：2 gi d d r 2 s d r a m 内存，6 6 7 矛1 1 8 0 0 ，d i m m 插槽最高支持8 g b 双通道 4 d d r 2 6 6 7 或8 0 0 m h z 非e c c 和e c c 内存； 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 3 ) 显卡：n v l d i aq u a d r of x 5 7 0 ： 4 ) 硬盘：1 6 0 g ： 5 ) 网卡：集成式b r o a d c o m 5 7 5 4 千兆以太网控制器，具有远程唤醒功能和支持p x e 支 持； 6 ) i o 接口：8 个u s b 2 0 ( 前部2 个、后部6 个、内部主板3 个) 、1 个串行口、1 个并行 口、2 个p s 2 接口、1 + p , 1 4 5 口、后面板上立体声输入和耳机输出插孔、前面板上话筒和耳 机接口、以及内插卡。 ( 2 ) 工程师站 工程师工作站是系统工程师的操作平台。工程师可通过它们对计算机监控系统的应用 软件及数据库等进行维护和维修。同时，还可以对系统进行再开发，实现其所允许的功能。 工程师工作站配置同操作员工作站。 ( 3 ) 便携式编程器 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 3 1 2 软件配置 为了高质量实现吴起一延炼输油管道工程的监视和控制系统的有效运行，工程采用 o a s y s6 3u n i x 系统作为吴起一延炼输油管道工程s c a d a 系统的操作、监控和控制系 统。o a s y s6 3u n i x 系统是经过全球实践验证的、成熟的、稳定的、最有效、最优异的 s c a d a 系统。 操作系统软件 o a s y s 系统是基于开放性设计的软件，适用于u n i x 和w i n d o w s 操作系统。本项目 系统的s c a d a 服务器是基于u n i x 操作系统，应用服务器、w e b 服务器和各工作站是基 于w i n d o w s 操作系统。 目前，一种趋势就是将关键的数据存储在不易受病毒攻击的u n i x 工作平台上以防止 受到攻击。事实上，个人电脑系统的优点在于它的普及性及其硬件的价廉，对操作员仅需 进行s c a d a 系统的培训。正是基于以上考虑以及对数据安全的需求，才采用个人电脑系 统。因此，只需要对系统管理员和操作员进行有关u n i x 系统以及s c a d a 系统的简单培 训就可保证管理员和操作员能够灵活的使用系统，也增强了系统数据的安全性。 ( 1 ) 稳定性 系统的稳定性，特别是作为关键任务的s c a d a 应用的稳定性，对于客户尤为重要。 u n i x 系统已被证明具有极强的稳定性。许多u n i x 服务器可以运行数年而不会停机。相 对而言，w i n d o w s 服务器会由于各种原因导致较高频率的重启，例如驱动程序崩溃、需要 安装微软公司提供的补丁或升级软件包等【3 。 w i n d o w s 服务器易于崩溃的一个主要原因在于其图形化人机界面( g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ，g u i ) 子系统。为提高用户的响应速度，w i n d o w s 的实现方式是将g u i 子系统运 行在内核模式，该方法的缺陷在于任何该子系统的问题，例如显卡驱动软件的缺陷或该子 系统停止响应，都可能导致整个系统崩溃。相反，u n i x 系统的内核更小，不包含任何g u i 部分。w i n d o w s 作为一个普通的应用运行在用户模式。虽然该实现方式使得u n i x 的g u i 的响应速度慢于w i n d o w s 的g u i ，但是可有效得防止g u i 的崩溃影响整个系统。其它u n i x 应用软件甚至可以在没有g u i 的情况继续运行。显然，相对于s c a d a 服务器而言，关键 的s c a d a 功能( 数据采集和实时数据库访问等) l l 拥有一个能快速响应的g u i 更为重要。 微软公司提供的补丁或升级软件包是w i n d o w s 系统需要经常停机的另一个原因。主要 是由于安全因素，微软公司经常需要提供升级包或补丁以修币w i n d o w s 系统中的错误。不 幸的是，几乎所有的安装过程都需要重新启动系统。这种情况在u n i x 系统上很少发生。 经过3 5 年的发展，u n i x 系统已经非常成熟。相对于w i n d o w s 而言，u n i x 的安全漏洞更 少，并且更易于定制和管理其网络和服务以防止恶意入侵。 ( 2 ) 病毒免疫性 攻击w i n d o w s 系统的病毒现在越来越多，宏病毒、蠕虫病毒、拒绝服务攻击病毒等很 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 有可能导致整个系统和网络数小时甚至数日不能正常工作，这对于s c a d a 系统来说是不 可接受的。为解决以上问题，客户需要在防止网络病毒方面投入大量的人力和物力，如安 装防火墙、企业级防病毒软件、雇用更多专职系统管理员、更仔细地设计网络和建立更严 格的制度等，从而保证s c a d a 系统能够正常高效的运行。 u n i x 服务器被病毒感染的可能性非常小，即使s c a d a 系统的某些工作站被感染并 停机，s c a d a 服务器仍然能够继续正常运行并为其它工作站提供服务。该特点既降低了 系统管理费用又保证了系统能连续提供服务【3 2 】。 ( 3 ) 多进程处理能力 一个s c a d a 服务器可能同时拥有几百个甚至几千个进程或线程运行。u n i x 可以更 好地管理内存和其它资源以支持更多的应用，并且通过更好地对多任务进行管理可防止需 要大量c p u 时间的进程独占c p u 。 ( 4 ) 内含对独立磁盘冗余阵列( r e d u n d a n ta r r a yo f i