CN108418849A - 一种油气管道scada系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气管道领域，特别涉及一种油气管道SCADA系统。所述系统包括基础业务模块、管道工艺过程监控模块和管道调控支持业务模块；基础业务模块用于提供通过数据通讯规约实现对管道的远程终端及监控对象进行数据采集、流程控制及事故工况处理；管道工艺过程监控模块用于针对油气管道的工艺运行特点和控制要求，提供对油气管道的工艺过程的监测，以及对管道高级应用的监控；管道调控支持业务模块是在基础业务模块和过程监测模块的基础上，接入移动监测、语音报警和画面联动。SCADA系统在可靠性及安全性、可维护性及易用性、可扩展性和性能方面都体现出了较高的优越性。

Description

一种油气管道SCADA系统

技术领域

本发明涉及油气管道领域，特别涉及一种油气管道SCADA系统。

背景技术

油气管道SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition，数据采集与监控)系统是对油气管网进行集中调度管理的工具，是保证油气管网安全、平稳、高效运行的手段，其作为油气长输管道自动化调控系统的核心，直接影响到油气管道日常生产调度的正常运行。当前国内大多数油气管道SCADA系统均采用国外的软件产品，为打破国外公司对SCADA系统软件的垄断，保证油气管道生产数据、地理数据和生产运营的安全，国产SCADA系统软件应运而生。

国产化油气管道SCADA系统采用面向服务体系结构的软件工程思想，构建开放、标准、可靠、实用、灵活、可扩展的支撑平台。在此支撑平台之上，通过集成总线和系统提供的数据访问接口将SCADA软件的基础应用和管道高级应用有机地集成在一起，实现应用间的数据交互和通信。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提出一种油气管道SCADA系统。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种油气管道SCADA系统，所述系统包括基础业务模块、管道工艺过程监控模块和管道调控支持业务模块，其特征在于：

所述基础业务模块用于提供通过数据通讯规约实现对管道的远程终端及监控对象进行数据采集、流程控制及事故工况处理；

所述管道工艺过程监控模块用于针对油气管道的工艺运行特点和控制要求，提供对油气管道的工艺过程的监测，以及对管道高级应用的监控；

所述管道调控支持业务模块是在基础业务模块和过程监测模块的基础上，接入移动监测、语音报警和画面联动，为报警再发送、应急预案、事故追忆、报警管理和分析方面提供的管道调度控制模式。

进一步地，所述基础业务模块包括数据采集管理模块、实时数据管理模块、历史数据管理模块、模型数据管理模块、系统管理模块和基础应用模块；

所述数据采集管理模块用于对现场设备进行数据采集与下行控制，并对采集和控制任务进行调度与优化，并且实现中心系统与站控系统间的远程通信、通信双方的动态身份认证、重要数据和控制命令的加密功能；

所述实时数据管理模块用于对现场数据进行快速处理和分析、配置信息快速检索和在线更新发布、快照数据更新发布、实时数据报警处理和发布、实时计算处理以及下发控制命令处理功能；

所述历史数据管理模块用于反映过程控制点的值和状态在时间维度上的变化过程，为工业现场数据查询、分析、统计、优化、追忆提供直接数据来源，对实时数据进行压缩存储，并提供历史数据查询和统计分析功能；

所述管道模型数据管理模块用于提供模型与模型实例管理、模型解析以及模型访问服务的基本功能；

所述系统管理模块用于对整个系统中设备、应用功能的分布式管理，协助各应用的功能实现；

所述基础应用模块用于为整个系统的各类用户提供编辑、显示、操作手段和维护界面，实现实时画面、告警信息及SOE信息的浏览，并通过WEB浏览器进行系统画面、趋势、报表及报警的查询和浏览，方便系统扩展、专家远程分析和领导决策。

进一步地，所述基础应用模块包括HMI模块、WEB应用系统模块和管道基本应用模块；

所述HMI模块包括系统组件、趋势分析、画面组态工具、系统集成开发环境IDE、应用运行环境画面、趋势、报表、报警和系统诊断；

所述WEB应用系统模块包括Web门户、Web组件和Web服务；

所述管道基本应用模块包括产生报警和事件、执行计算和查询分析。

进一步地，所述系统管理模块包括应用管理模块、服务管理模块和总线管理模块；

所述应用管理模块用于对各节点系统应用的运行状态进行实时监控和统一管理；

所述服务管理模块用于管理和监视应用系统中的服务运行情况，保证整个系统的正常运行，在必要的时候重新启动服务，并实时向系统报告服务运行的状态，使系统可以正确的判断当前应用的运行状态；

所述总线管理模块用于完成各个应用和服务的集成，提供面向应用的跨计算机信息交互机制，为应用封装提供实时通信机制、服务管理功能。

进一步地，所述历史数据管理模块包括数据储存模块和产生报表模块；

所述数据储存模块用于提供对历史数据的海量存储和高性能查询，为系统的数据存储、数据查询、统计分析、业务数据维护、报表生成、运行参数分析、调度决策等功能需求提供完整的数据支持；

所述产生报表模块用于产生日报、月报、季报和年报等统计分析报表数据，包括可定时生成、条件触发生成和手动生成三种方式。

进一步地，所述模型数据管理模块包括模型定制模块和模型维护模块；

所述模型定制模块用于对设备模型数据编辑、模型属性数据编辑、模型数据对比和关系库模型数据导入/导出功能；

所述模型维护模块用于设备模型数据实例化、设备模型数据增删改查等操作、设备关系查询功能。

进一步地，所述实时数据管理模块包括归档管理模块、事故反演模块、实时处理和控制模块、实时计算模块和断面管理模块；

所述归档管理模块用于根据数据的重要性和变化特点制定不同的策略，对静态或线性变化的数据进行压缩后归档存储；

所述事故反演模块用于回放某段时间内的油气管道业务数据，直观的反映业务数据变化情况，对报警、事故、设备故障等做出初步诊断，以便于进行故障排查；

所述实时处理和控制模块用于读取采集点数据，根据采集点属性信息产生各处理模块需要的数据，交由各模块并行处理，并提供校验人机界面下发的控制命令后，发送到采集服务器，由采集服务器将命令下发给设备；

所述实时计算模块用于根据用户预定义的计算公式计算数据，得到实时监视所需数据，参与到监控数据处理流程中，包括触发计算和定时计算两种方式；

所述断面管理模块用于提供实时的采集数据、事件数据以及配置数据，以满足来自人机界面实时监视的各种数据需求。

进一步地，所述数据采集管理模块包括OPC协议驱动、Modbus/TCP协议驱动、IEC-104协议驱动和CIP。

进一步地，所述管道调控支持业务模块包括移动监测模块、语音报警模块和画面联动模块；

所述移动监测模块用于远程WEB端监视、手持终端监视功能；

所述语音报警模块用于提供产生报警时，根据自定义声音文件播放进行语音提醒、手持设备语音提醒功能；

所述画面联动模块用于提供画面快速切换、报警数据多画面推送、站控中控系统间画面联动。

进一步地，所述管道工艺过程监控模块包括管道高级应用模块和过程监测模块；

所述管道高级应用模块包括压缩机工况检测模块、管存计算模块、高级报警分析模块、高级计算或逻辑控制模块、水击保护模块和混油批次监控模块；

所述过程监测模块包括油气管道管存监测模块、压缩机工况监测模块、水击保护模块、泵运行效率监测模块、清管器跟踪模块、批输监测和管理模块、罐区监测模块、调峰等管道工艺过程的监测模块、管道模型组态模块、管道监测画面模块、组态业务流程模块和监测业务流程模块。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

国产SCADA系统满足高可靠与安全稳定运行是系统可用性的基础，在系统平均无故障时间、系统时钟与标准时间误差、模拟量误差、开关量准确率、控制操作准确率、系统软件的可用性等几个方面进行了设计。

国产SCADA系统架构与模块设计上充分考虑了可维护及易用性，主要体现在系统实时数据扫描时间周期可调、外部网络通信的实时数据传送和接收采集周期可调、图形界面具备导航窗功能、图模一体化设计、实时监视画面调出响应时间、故障推画面时间、画面切换时间等方面，降低了系统维护成本，提高了维护效率。

为了满足将来SCADA系统高级应用的不断增加要求，国产SCADA系统设计满足系统可扩展性。

国产SCADA系统的系统性能运行指标在冗余服务器平均切换时间、数据从采集、处理(产生报警)、入库到显示在操作员人机界面上的时间、命令下发传输到控制器的时间、画面平均切换时间、数据压缩率、服务器、工作站CPU的平均负荷率、网络的负载率、模拟量更新时间、实时数据库更新速度、所能承载的最大并发客户端等方面进行了充分设计。

总之，国产SCADA系统在可靠性及安全性、可维护性及易用性、可扩展性和性能方面都体现出了较高的优越性。

附图说明

图1是本发明的油气管道SCADA系统的结构框架图。

图2是国产SCADA系统部署配置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。这些具体实施方式仅供叙述而并非用来限定本发明的范围或实施原则，本发明的保护范围仍以权利要求为准，包括在此基础上所作出的显而易见的变化或变动等。国产SCADA系统

国产SCADA系统立足于油气管道行业应用，对油气管道生产数据进行采集、处理，并通过动态流程图、操作对话框、报警与事件、报表、趋势等形式为操作人员提供对生产进行集中监控的手段，同时为操作人员提供历史趋势、生产报表等数据分析工具，是操作人员对油气管道生产进行运行管理的基本手段。下面将详细介绍SCADA系统的功能及基于业务的模块划分，并对SCADA系统性能进行了基本统计。

功能介绍

在国产SCADA系统中数据采集管理、实时数据管理、历史数据管理和模型数据管理功能构成SCADA系统数据管理的基础。在此基础上，通过高级计算或功能扩展实现油气管道业务，包括天然气管道管存监测、压缩机工况监测、水击保护、泵运行效率监测、清管器跟踪、批输监测和管理、罐区监测、调峰控制等业务功能。

数据采集管理实现了在SCADA系统中对各种现场设备进行数据采集与下行控制，并对采集和控制任务进行调度与优化，并且实现中心系统与站控系统间的远程通信、通信双方的动态身份认证、重要数据和控制命令的加密等功能。

实时数据管理实现了对现场数据进行快速处理和分析、配置信息快速检索和在线更新发布、快照数据更新发布、实时数据报警处理和发布、实时计算处理以及下发控制命令处理等功能。

历史数据管理实现了反映过程控制点的值和状态在时间维度上的变化过程，为工业现场数据查询、分析、统计、优化、追忆提供直接数据来源，对实时数据进行高效地压缩存储，并提供快速的历史数据查询和统计分析功能。

管道模型数据管理提供模型与模型实例管理、模型解析以及模型访问服务等基本功能。实时和历史处理都是针对单一的数据点，通过模型把这些点关联起来。

国产SCADA系统提供了对数据管理和数据应用的操作界面，并提供人机交互画面、系统组态功能和WEB数据展示等功能。

业务划分

国产油气管道SCADA系统对油气管道站场的工艺参数进行完整、高性能的实时数据采集、处理和监控，从业务需求上可以将系统划分成基础业务、管道工艺过程监视、管道调控支持业务等，如图1所示。

基础业务提供通过数据通讯规约实现对原油管道、成品油管道和天然气管道的远程终端(PLC/RTU)及监控对象进行数据采集、流程控制及事故工况处理业务。具体体现为集中对整个油气管道生产运营系统的现场设备监视控制与管理，并将管道运营的设备状态、网络状态、系统状态、控制参数、报警、事件、日志、用户安全等信息进行集中显示，为调度员实时了解整个工艺运行情况以做出正确的生产调度决策做技术支持。

管道工艺过程监视业务是针对油气管道的工艺运行特点和控制要求，提供对油气管道管存监测、压缩机工况监测、水击保护、泵运行效率监测、清管器跟踪、批输监测和管理、罐区监测、调峰等管道工艺过程的监测，管道模型组态，管理监测画面、组态业务流程和监测业务流程等。

管道调控支持业务是在基础业务和过程监测业务的基础上，接入移动监测、语音报警和画面联动实现了声光色一体化，为报警再发送、应急预案、事故追忆、报警管理和分析方面提供了更直观简单的管道调度控制模式。

国产SCADA系统应用

国产化油气管道SCADA系统在实际油气管道进行了部署应用。

国产SCADA系统部署

国产化油气管道SCADA系统与在役油气管道SCADA系统平行运行，国产化油气管道SCADA系统利用现有通信链路，接入两条运行管线生产数据，部署1台OPC工作站与中间数据库进行数据交换。在国产化油气管道SCADA系统机房部署2台Sun UNIX服务器，采用双机热备冗余，使用Oracle作为历史数据库。在调度室部署2套三屏客户端工作站，在运维室部署2套运维工作站。国产化油气管道SCADA系统部署配置图如下所示：

国产SCADA系统工程建设

在前期搭建的两台服务器中，布置国产化油气管道SCADA系统用于接入两条运行油气管道SCADA数据，在两台调度工作站和两台运维工作站按照各自要求的权限布置人机环境和监控画面。将两台服务器配置成主备冗余模式，各主要模块如数据采集、数据处理等都是主备运行模式，可保证系统安全运行。

对于使用串口通信方式的通信协议(如modbus_rtu或DNP)提供独立的串口通信链路或者采取协议转换的方式(利用现有设备，将串口协议转换为网络协议如IEC 60870-5-104协议)进行。具体工程建设情况如下表所示：

国产SCADA系统运行情况

国产化油气管道SCADA系统监视与调控运行统计从2016年10月21日到2017年7月31日，系统运行情况统计如下表所示：

由上表可见，国产化油气管道SCADA系统长时间运行稳定，资源占用率维持在合理范围内。在统计系统运行情况的基础上，同时对系统部分技术指标进行了统计，如下表所示：

经济效益

通过国产化油气管道SCADA系统的推广应用，可以带来明显的经济效益：

第一，国外油气管道SCADA系统对硬件、软件的要求必须是国外指定厂家，国产化油气管道SCADA系统可以跨平台运行于UNIX、LINUX等操作系统，可完全使用国产化服务器、数据库等，大大降低了软硬件购买、服务成本。

第二，国外油气管道SCADA系统的工程建设、系统维护工作必须需要国外专业人才进行，国产化油气管道SCADA系统则可以自主培养人才，在人力成本上大幅降低。

第三，国外油气管道SCADA系统扩展性较差，或者是必须由国外厂家进行研发；国产化油气管道SCADA系统为以后的升级扩展提供了开放的平台，使得系统升级扩展成本大幅降低。

第四，国外油气管道SCADA系统对管道运行大数据管理较差；国产化油气管道SCADA系统提供了运行数据大批量获取方式，以后针对这类大型运行数据可以实现智能化分析以产生一定的经济效益。

社会效益

通过国产化油气管道SCADA系统的推广应用，可以带来明显的社会效益：

第一，使用国产化油气管道SCADA系统可以消除使用国外软件带来的管道关键信息安全隐患，其核心技术自主可控，也降低了软件存在缺陷、漏洞的潜在风险，从而提升管道关键信息基础设施运行安全，保障国家能源安全。

第二，国产化油气管道SCADA系统实现自主突破，打破了国外厂商以软件产品为基础构筑的市场垄断格局。

第三，国产化油气管道SCADA系统为管道专业应用的扩展接入提供了开放的软件平台，亦为管道调控大数据分析与应用提供基础的数据平台。

前景展望

国家发展改革委员会和国家能源局于2017年5月发布《中长期油气管网规划》中指出，我国现役管道总里程为11万多公里，至2020年，将新建管道总里程5万多公里，至2025年，再新建7万多公里，管道总里程将达到24万公里。由此可见，近几年来，我国将大规模开展油气管道建设，并且在未来一段时间，管道建设的高峰仍将延续。同时，随着时间的推移，现役管道也都将面临管道SCADA系统的全面升级改造，这都为国产化油气管道SCADA系统的市场应用提供了广阔的空间。由此，本文对国产化油气管道SCADA系统的应用提出了几点展望：

第一、新建管道推广应用，抓住油气管道建设高峰进行新建管道推广应用。

第二、现役管道逐步替代，根据现役管道SCADA系统升级改造的契机，进行推广应用。

第三、国外油气管道SCADA系统替代，利用国产化油气管道SCADA系统成本低、安全性高的主要特点对国外油气管道SCADA系统进行替代。

Claims (10)

1.一种油气管道SCADA系统，所述系统包括基础业务模块、管道工艺过程监控模块和管道调控支持业务模块，其特征在于：

所述基础业务模块用于提供通过数据通讯规约实现对管道的远程终端及监控对象进行数据采集、流程控制及事故工况处理；

所述管道工艺过程监控模块用于针对油气管道的工艺运行特点和控制要求，提供对油气管道的工艺过程的监测，以及对管道高级应用的监控；

所述管道调控支持业务模块是在基础业务模块和过程监测模块的基础上，接入移动监测、语音报警和画面联动，为报警再发送、应急预案、事故追忆、报警管理和分析方面提供的管道调度控制模式。

2.根据权利要求1所述的一种油气管道SCADA系统，其特征在于：

所述基础业务模块包括数据采集管理模块、实时数据管理模块、历史数据管理模块、模型数据管理模块、系统管理模块和基础应用模块；

所述数据采集管理模块用于对现场设备进行数据采集与下行控制，并对采集和控制任务进行调度与优化，并且实现中心系统与站控系统间的远程通信、通信双方的动态身份认证、重要数据和控制命令的加密功能；

所述实时数据管理模块用于对现场数据进行快速处理和分析、配置信息快速检索和在线更新发布、快照数据更新发布、实时数据报警处理和发布、实时计算处理以及下发控制命令处理功能；

所述历史数据管理模块用于反映过程控制点的值和状态在时间维度上的变化过程，为工业现场数据查询、分析、统计、优化、追忆提供直接数据来源，对实时数据进行压缩存储，并提供历史数据查询和统计分析功能；

所述管道模型数据管理模块用于提供模型与模型实例管理、模型解析以及模型访问服务的基本功能；

所述系统管理模块用于对整个系统中设备、应用功能的分布式管理，协助各应用的功能实现；

所述基础应用模块用于为整个系统的各类用户提供编辑、显示、操作手段和维护界面，实现实时画面、告警信息及SOE信息的浏览，并通过WEB浏览器进行系统画面、趋势、报表及报警的查询和浏览，方便系统扩展、专家远程分析和领导决策。

3.根据权利要求2所述的一种油气管道SCADA系统，其特征在于：

所述基础应用模块包括HMI模块、WEB应用系统模块和管道基本应用模块；

所述HMI模块包括系统组件、趋势分析、画面组态工具、系统集成开发环境IDE、应用运行环境画面、趋势、报表、报警和系统诊断；

所述WEB应用系统模块包括Web门户、Web组件和Web服务；

所述管道基本应用模块包括产生报警和事件、执行计算和查询分析。

4.根据权利要求2所述的一种油气管道SCADA系统，其特征在于：

所述系统管理模块包括应用管理模块、服务管理模块和总线管理模块；

所述应用管理模块用于对各节点系统应用的运行状态进行实时监控和统一管理；

所述服务管理模块用于管理和监视应用系统中的服务运行情况，保证整个系统的正常运行，在必要的时候重新启动服务，并实时向系统报告服务运行的状态，使系统可以正确的判断当前应用的运行状态；

所述总线管理模块用于完成各个应用和服务的集成，提供面向应用的跨计算机信息交互机制，为应用封装提供实时通信机制、服务管理功能。

5.根据权利要求2所述的一种油气管道SCADA系统，其特征在于：

所述历史数据管理模块包括数据储存模块和产生报表模块；

所述数据储存模块用于提供对历史数据的海量存储和高性能查询，为系统的数据存储、数据查询、统计分析、业务数据维护、报表生成、运行参数分析、调度决策等功能需求提供完整的数据支持；

所述产生报表模块用于产生日报、月报、季报和年报等统计分析报表数据，包括可定时生成、条件触发生成和手动生成三种方式。

6.根据权利要求2所述的一种油气管道SCADA系统，其特征在于：

所述模型数据管理模块包括模型定制模块和模型维护模块；

所述模型定制模块用于对设备模型数据编辑、模型属性数据编辑、模型数据对比和关系库模型数据导入/导出功能；

所述模型维护模块用于设备模型数据实例化、设备模型数据增删改查等操作、设备关系查询功能。

7.根据权利要求2所述的一种油气管道SCADA系统，其特征在于：

所述实时数据管理模块包括归档管理模块、事故反演模块、实时处理和控制模块、实时计算模块和断面管理模块；

所述归档管理模块用于根据数据的重要性和变化特点制定不同的策略，对静态或线性变化的数据进行压缩后归档存储；

所述事故反演模块用于回放某段时间内的油气管道业务数据，直观的反映业务数据变化情况，对报警、事故、设备故障等做出初步诊断，以便于进行故障排查；

所述实时处理和控制模块用于读取采集点数据，根据采集点属性信息产生各处理模块需要的数据，交由各模块并行处理，并提供校验人机界面下发的控制命令后，发送到采集服务器，由采集服务器将命令下发给设备；

所述实时计算模块用于根据用户预定义的计算公式计算数据，得到实时监视所需数据，参与到监控数据处理流程中，包括触发计算和定时计算两种方式；

所述断面管理模块用于提供实时的采集数据、事件数据以及配置数据，以满足来自人机界面实时监视的各种数据需求。

8.根据权利要求2所述的一种油气管道SCADA系统，其特征在于：

所述数据采集管理模块包括OPC协议驱动、Modbus/TCP协议驱动、IEC-104协议驱动和CIP。

9.根据权利要求1所述的一种油气管道SCADA系统，其特征在于：

所述管道调控支持业务模块包括移动监测模块、语音报警模块和画面联动模块；

所述移动监测模块用于远程WEB端监视、手持终端监视功能；

所述语音报警模块用于提供产生报警时，根据自定义声音文件播放进行语音提醒、手持设备语音提醒功能；

所述画面联动模块用于提供画面快速切换、报警数据多画面推送、站控中控系统间画面联动。

10.根据权利要求1所述的一种油气管道SCADA系统，其特征在于：

所述管道工艺过程监控模块包括管道高级应用模块和过程监测模块；

所述管道高级应用模块包括压缩机工况检测模块、管存计算模块、高级报警分析模块、高级计算或逻辑控制模块、水击保护模块和混油批次监控模块；

所述过程监测模块包括油气管道管存监测模块、压缩机工况监测模块、水击保护模块、泵运行效率监测模块、清管器跟踪模块、批输监测和管理模块、罐区监测模块、调峰等管道工艺过程的监测模块、管道模型组态模块、管道监测画面模块、组态业务流程模块和监测业务流程模块。