PCS7 Telecontrol在油气集输项目中的应用.pdf

第 5 O卷第 5 期 2 0 1 4年 1 0月 石油化工自动化 AUTOMATI ON I N PE TR _ CHEM I CAL I NDUS TRY Vo1 ． 5 0。No ．5 Ot c ．2 0 1 4 P C S 7 Te l e c o n t r o l 在油气集输项 目中的应用 荆巍 北京亚太摩尔自动化设备有限公司， 北京 1 0 0 0 2 8 摘要 在油气集输项目应用中， 过程控制系统和数据采集与监视控制系统 S C A D A 通常是各 自独立的系统， 相互之间没有直 接关 联。随着信息技术 的发展 ， 用户需要把控制需 求完全不 同的两种控制系统融人到一个新 的应用平 台上 。以某项 目为例 ， 介 绍了油气集输项 目中， 如何利用 P C S 7 Te l e c o n t r o l 平台 ， 设计 1套既能满足油气 集输过程控制 的需求 ， 同时也能满足 S CAD A应 用的控制系统。该项 目现 已进入实施阶段 ， 在前期的测试 及验 收过程 中， 结果 已得到用户的肯定 。 关键词 过程控制数据采集与监视控制系统石油天然气 内部集输 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 5 0 0 8 0 0 3 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 的控制系统包括分散型控制系统 D C S 、 安全仪表 系统 S I S 、 火灾及气体检测系统 F GS 、 可编程控 制器 P L C 、 压缩机组控制系统 I T C C 以及工业 电视监测 系统 C C TV 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 R TU， P I C， S I S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， 以点对点结构 、 慢 速通 信和单节点 的少量数据通信为主要特点 。随着数 字化油田等信息化应用 的需求 ， S C AD A 系统成为 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。 1 基于 P O S 7 T e l e c o n t r o l 的 S C A D A构成 某 项 目采 用 的 是 西 门 子 P C S 7 Te l e c o n r o l S C A DA解决方 案 ， 这是一种过程控制和 s C A DA 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 ， 以专用通信 网络组成 的局域网为 主 ； 而 S C A DA应用 中的数据节点则相对分散 ， 广 泛分布于幅员辽阔的地理 区域 内， 交互操作 不频 繁 ， 但对控制命令 的实时性响应一般要求较高， 以 专用通信 网络或通用 网络组成的广域 网为主。 P C S 7 Te l e c o n t r o l 方案是完全兼顾局域 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 ， 如图 1 所示 。 1 ． 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 系统在控制需求上有着本质 的区别 。站 内控制 系 统 以 D C S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。具有人机交互极为频 繁， 通信可靠性极高 ， 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 RT U 或 P L C， 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， 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 。 站内控制系统和站外控制系统 的需求不 同， 二 者对数据的处理也就不 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 ， 一般均采用 同一周期数据更新频 率； 而站外控制系统对数据实时性要求一般， 下发 和上传数据采用不同的数据更新频率， 下发数据的 指令级别通常要高于上传数据的指令级别 。因此， 为了实现这个要求 ， P C S 7 Te l e c o n t r o l 方案 中对于 站内控制系统采用标准 的 P C S 7 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 ， 从而大幅提高了数据访问的实时 陛。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 据通信 的节点连 接起来 ， 以进 行数据 通信。 稿件收到 日期 2 0 1 4 0 4 1 0 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 4 0 6 1 5 。 作者简介 荆 巍 1 9 7 5 一 ， 男 ， 黑龙江双鸭 山人 ， 毕业于北京机械工 业学 院工业 电气 自动化专 业和清 华大学计 算机 软件专 业 ， 获 双学 士学位 ， 现就 职于北京亚太摩尔 自动化设备有 限公 司， 从事石油天 然气行业 自动化应用解决方案设计工作 ， 任总工程 师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 荆 巍．P C S 7 Te l e c o n t r o l 在 油气集输项 目中的应用 光 纤 一 S ／ S C A 站 D A 瞻 l 工程师站 l Te l e c o n t r o ．服务器 冗余快速工业以太 网 I O 0 Mb i t ／ s E F 2 0 0M 1 0 S t a t i o n F F 20 0 M 1 0 S t a t i o n P r o fib u s P r o fib u s DCSI DCS 2 E 7 ’2 0 0 M l O S t a t i on ET2 0 0 M F AI LSAF E l O S t a t k m P r o fib u s PR0F l s a t P R0Fl s a f e DCS 3 S I S F GS I “1 C 糸R T L L _ ] 圈L_1 c 圈L ■ J [ 余 L 处理厂机柜间 站 外 图 1 S C ADA 系统解决方案示意 如果将这两种数据访问集 中到 1 套数据服务 器上 ， D C S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 D C S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 自身无法 区分站内数据服务和站外数据服 务 ， 所以整体数据访问效率会大幅降低 。其次， 站 内控制系统是整个 S C AD A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 。P C S 7 Te l e c o n t r o l 可以物理 上将这两种应 用分 隔开， 逻 辑上又可 以通过 C AS或 P r o c e s s Hi s t o r i a n等软件 进行数据的集中管理。 1 ． 2 站 内数据与站外数据的逻辑统一 S C AD A 系 统 的 核 心 是 数 据 库 ， 一 般 的 S C A DA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。 1 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。数据实时性是指现场 1 数据的更新周期 ， 主要受现场设备的制约 ， 即控 制器设备的通信能力 。事务实 时性是指对事务处 理的速度 ， 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； 室 I I I- hI R - ⋯ - 。 I I- J C,I 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 。 2 】历史数据库一般是商用数据库 ， 如 r a c l e ， S QL S e r v e r 等 ， P C S 7 Te l e c o n t r o l 采用 的是 S QI S e r v e r 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 。在 T e l e c o n t r o l 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。 3 该项 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 以便捷地进行数据访 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 站外系统有机地融合到一起 。 在 P C S 7 Te l e c o n t r o l 解决方案中， 最多可支持 1 1 对 套 数据 服务器 的数据集 中保存 。该项 目 中， 将 2套数据服务器的数据集中到 1套磁盘阵列 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 石油化工 自动化 第 5 O卷 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 a 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 。 b 可满足高性能的应用要求。 c 实现更高的管理效率。 d 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。 e 多种数据保护能力 。 f 在线扩展功能 。 g 支持多种 RAI D级别 。 1 ． 3 编程方式 无论是 D CS还 是 S C AD A， 编程 方式完 全相 同 ， 都采用相 同的 P C S 7编程环 境 ， 编程方 法、 面 板 、 数据管理模式都相 同。主要 区别 D C S采用 西 门子专 用 的基 于 MAR寻址方式 的容错 链接 ， 而 S C AD A应用则采用普 通的基 于 T C P ／ I P的网 络链接 ， 在 该 网络 之 上 ， 可 以采 用 D NP， 6 0 8 7 0 ， Mo d b u s ～ TC P等 开放 的通信协议 ， 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 D C S和 S C AD A 的操 作方式 、 报 警形式 、 界 面风格等几乎完全 一样 。 2 S C A D A的功能 ． 1 对包括处理厂在内的整个气 田各站场装置 设备进行完整的数据采集。通过 Te l e c o n t r o l 提供 的高效率 的通信协议软件 ， 与现场各种设备通过 网 络进行数据访问 。 2 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。 3 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模式 ， 实现对站内装置设备的 可靠操作 。 4 站外装置设备 的远程操作 。各装置设备都 位 于通信 网络 的各 个 节点 上， 因而远 程操 作 是 S C AD A的重要功能。采用经过优化 的驱动程序 ， 控制命令可即时下发 ， 命令下发的实时I生得到有效 保证； 另外， 在通信中断时下发的命令， 不会在通信 恢复时生效 ， 可保证操作 的安全性 。 5 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 。 6 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 数据服务的各种工作互不影响 ， 单机或单系统 的服 务失效不会影响到整个 S C ADA系统的运行 。 3 S C A D A的作用 S C AD A应用越来越广泛 ， 其对生产 管理所起 的重要作用主要体现在 1 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 。 2 为优化生产工艺、 提高生产效率 提供 了数 据及技术支持。 3 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。 4 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 。 5 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 。 4 结束语 随着信息技术的发展 ， 自动化应用可以为用户 提供更多的功能 ， 除了满足用户控制功能 以外 ， 在 网络结构的灵活性 、 数据的保存 和利用 、 可表现 的 数据形式等方面都有更多的选择， 能够为用户提供 内容更为丰富的自动化解决方案 ， 以满足现代工业 自动化领域多样化的需求 。 参考 文献 [1] 皮金梅 特． 西门子 P r o f i n e t 工业 通信指南 E M] ． 北京 人 民 邮电出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 李昭原． 数据库技术新进展 I- M] ． 北京清华大学 出版 社 ， 2 0 0 7 ． [3] 马国华 ． 监控组态软件及 其应用 E M] ． 北京 清华 大学 出版 社 ， 2 0 0 1 ． [4] 黄德先 ， 王京春， 金以慧 ， 等． 过程控制系统[ M] ． 北 京 清华 大学出版社 ， 2 0 1 2 ． [5] 王 琦 ， 朱 亚清 ， 黄卫 剑 ， 等． 分 散 控 制 系统 性 能 测 试技 术 E M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 1 0 ． [6] 崔坚 ， 李佳 ， 杨光 ． 西 门子工 业网络通信指 南 下册 E M3 ． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [7] 米勒． 西门子 自动化 系统实 战 S 7和 P C S 7 应用实例[ M] ．张 怀勇， 译． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 8 ] 王华忠 ． 监控与数据采集系统及其应用 [ M] ． 2版． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 1 2 ． [9] 黄泽俊 ， 虞南 正， 尹旭东． 石油天然气管道 S C ADA系统技 术 [ M] ． 北京 石油工业出版社， 2 0 1 3 ． 1, 1 0 ] 特南鲍姆 ， 韦瑟罗尔．计算机 网络[ M] ． 5版． 严伟 ， 潘爱 民 ， 译． 北京 清华大学 出版社 ， 2 O 1 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m