工业领域大规模分布式SCADA系统设计与研究

摘  要：当前SCADA系统已具备分布式信息采集、监视等功能，但由于项目实施时往往以工程为单位逐个定制，不同系统间兼容性差，数据集成与融合较为困难。文章基于对行业用户需求的深度分析，研制了大规模分布式综合监控系统，创造性地引入了对象模型概念，通过模块化、通用化实现了分布式测控和智能互联，能够提高操作效率、控制应用成本。该系统在油田行业完成了典型应用，实践证明，该系统适用于大型生产企业或广域分布的大型复杂系统。

关键词：SCADA；工业软件；分布式；自动化控制

中图分类号：TP277    文献标识码：A  文章编号：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

数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data AcquiSition System， SCADA）其可以实时采集现场数据，对工业现场进行自动控制，从而对生产工艺执行情况进行全面的实时的监控。

自诞生之日起，SCADA系统的发展已历经三代，从集中式发展到了分布式，在基本的采集与监视功能基础上，借助分布式计算机网络以及关系据库技术，实现了负载均衡和冗余备份，极大提升了系统性能和可靠性。而工业信息化、智能化的发展，则进一步要求所有系统与设备之间互联互通、数据共享，广域分布的大型复杂系统中由于存在大量异构，面临着更大的困难和挑战。

该论文研发的大规模分布式SCADA系统（以下简称“本系统”或者“VxSCADA系统”），集成了多种驱动接口，可以支持业界各个厂商的DCS、PLC和RTU产品，具有高效、安全、通用、易用的特点，可作为工业软件应用平台，广泛应用于油气田、长输管线、电网输配电、长距离水传输等大范围、大规模控制领域。

1  系统应用需求分析

SCADA的发展取决于其应用领域的需求特点，因此，面向不同领域的SCADA软件发展路径和过程也不完全相同。

本文研究设计的SCADA系统，其主要面向大规模分布式工业生产现场应用，需要实现广域范围内大量异构系统、海量数据的融合集成，为企业提供自下到上完整的生产数据采集、生产综合监视、控制及集成服务，并为生产安全、优化调度、故障诊断以及生产数字化转型提供支撑平台。因此，该工业领域大规模分布式SCADA系统在设計与实现过程中必须充分考虑四个方面的需求：

（1）对各类异构系统的全兼容能力，具有支持所有硬件设备与软件协议的开放接口，包括：

1）支持所有主流品牌PLC数据无缝对接。

2）支持主流摄像头监控系统的融合集成。

3）支持WebSocket、ADO、OPC DA＼UA、http等第三方系统数据接口。

4）具备与监控设备及系统、门禁设备及系统、工业互联网等平台的对接能力。

（2）通用的人机接口、易用的人机交互界面、灵活的部署能力。

1）支持多人组态及面向设备的结构化组态。

2）支持行业功能封装和复用能力。

3）具备丰富的图库、模板及动态效果，支持趋势可视化工具，且能够高效复用；

4）支持多语言自适应，提供完备的在线帮助文档及教程。

（3）稳定卓越的控制性能，主要包括：

1）工业实时数据库支持千万点秒级刷新。

2）历史数据记录保存十年以上。

3）支持毫秒远程指令下发、秒级预警报警计算处置、以及多操作站并发处置。

（4）强力有效的安全保障和可靠性，主要包括：

1）具有冗余备份功能、防误操作机制。

2）全天候不宕机运行保障机制。

3）进程守护机制、信息安全保护机制。

4）具备数据完整性保障的相关功能。

2  系统设计与实现思路

基于前述系统应用需求分析，工业领域大规模分布式SCADA系统软件在设计，在保障常规数据采集与监视控制功能的前提下，必须充分考虑其通用性与扩展性，提供与DCS系统、混合控制系统（GCS）、大型数据库（VxHistorian）以及生产信息管理系统（PIMS）等产品的无缝集成能力，同时支持与第三方智能设备、异构系统或专业应用系统进行数据交互和信息互联。

因此，该SCADA系统的总体设计如图1所示，系统结构上采用基于网络的分布式形态，功能实现上做到业务分层、模块划分，从而将系统部署简化为“搭积木”式的组合操作，可任意定制系统规模、修改节点形态，在兼顾功能、性能的同时具备了极强的兼容性、灵活性和可扩展性；而面向对象的设计思想与通用的行业对象元素，又极大地提升了组态开发的效率。具体实现方式如下：

（1）总体架构上采用分级设计，通过多站控、中心两级控制，构建高性能的分布式/单机系统，满足大范围分布式部署要求。

（2）业务逻辑上采用分层设计，基于C/S架构，将前端、后端与通信链路分离，职能清晰。其中后端专司分布式数据采集、处理和分发，着重于高性能、高可靠；前端采用轻型HMI客户端，强调功能易用、交互人性化、资源占用低，除了传统的PC客户端，还可利用平板电脑、手机等多种智能终端发起安全访问，获取生产工艺实时数据、画面以及报警信息。

（3）功能实现上采用模块化设计，将各子系统的子功能进行模块划分，逐个实现并定义通用接口，包括报表、报警、历史数据库等，形成模块库，用户可根据需求直接从库中选配所需功能，“搭积木”式完成定制方案。

（4）网络通信上集成所有标准化的工业软硬件接口驱动，建立“纵向—横向”交叉通信，实现各类关联系统的兼容接入，采用内部高速通信协议（UCP），实现组态一体化自动载入和更新。从而有效地支持人机交互、机器与机器的交互，实现真正的分布式测控和智能互联应用。

（5）人机交互中应用面向对象的设计思想，预先内置覆盖行业应用的大量对象元素，包括过程信息、故障诊断信息、流程图模板及其他所有相关信息，用户可直接重用对象库中的元素，也可自定义对象。

（6）组态开发采用动态模式，通过组态检入检出功能，支持多人在不同分布式节点上同时组态，极大提高工程组态进度，并支持在线发布组态应用，无须停止生产线。

（7）数据库同时支持内置实时、历史数据库，并集成工业级大型数据库VxHistorian应用。提供丰富的数据库数据应用与维护工具，满足数据分析、工艺优化、系统管理等要求。

3  系统构成与行业应用

3.1  系统架构设计

工业领域大规模分布式SCADA系统软件作为SCADA组态和运行平台的核心部件集，提供丰富的常用监控组态功能。如图2所示，软件平台包括五个层次，每个层次的功能以模块集、应用接口的方式构建和集成。根据行业解决方案的要求，可对软件平台进行灵活配置和部署。

3.2  系统模块设计

本系统主要由三部分组成，即SCADA服务器、SCADA客户端、SCADA远程I/O服务。

3.2.1  SCADA服务器

SCADA服务器用于采集各设备的实时数据、记录历史数据、产生并记录报警，通过C/S网络向各操作站提供实时数据、实时报警、历史数据、历史报警。同时，SCADA服務器兼具操作员站的功能。SCADA服务器承担了整个系统的数据服务，运行时负荷较大，故一般SCADA服务器均部署在高性能计算机上，SCADA服务器架构如图3所示。

VxSCADA系统的SCADA服务器主要实现实施数据采集、存储和历史数据的存储，提供面向其他系统数据的集成接入；同时，所有的数据通过通信总线，对外提供基于数据的各类功能。

3.2.2  SCADA客户端

主要用来实现组态应用构建，基于统一的组态服务器进行工程开发，客户端所有数据通过订阅模式来源于SCADA服务器。

3.2.3  SCADA远程I/O服务

实现VxSCADA采集驱动的远程部署，实现数据的远端就地采集、转换和预处理。支持公网、城域网的通信网络拓扑方式，支持组态远程维护、故障诊断。

3.3  系统部署设计

本系统在实际使用过程中，可以将服务器、客户端、通信服务器都部署在一台计算机上，也可以根据业务要求，灵活的部署在不同网络的不同计算机中。无论是简单的单机人机界面，还是复杂的多节点、多现场的数据采集和控制系统，本系统适用于各种应用类型和应用规模的需要，通过可扩展的网络结构来构建分布式系统。

3.4  行业应用

本系统作为大规模分布式SCADA系统，在油田行业的应用主要是面向大容量油气集输及管网自动化领域，实现相关数据的综合监控。该系统配套PIMS油田行业生产数字化管理软件，可帮助企业上层管理者及时了解生产现场的运行情况，填补管理层和控制层之间的空白，无缝实现管控一体化目标。

在油田行业的一个应用实例如图4所示，面向整个作业区的SCADA系统部署分三级结构，第一级为SCADA调控中心；第二级为联合站的站内站控系统；第三级为现场就地控制单元。SCADA调控中心预留有生产数据上传油田生产指挥中心的接口，为油田实现数字化奠定基础。

其中SCADA调控中心接收联合站的站内站控系统上传的生产数据，以及站外计量站、油水井RTU上传的生产数据，从而实现联合站及所辖计量站、油水井工艺生产过程的远程监控、调度和管理；同时预留上传生产数据到油田生产调度中心的接口。

联合站中的混合控制系统一方面独立完成对所在站场的数据采集和控制，实现本工艺站场的监控及联锁保护等任务；同时需要将有关信息传送给SCADA控制中心并接受其下达的指令。

RTU控制系统就地采集各类型井口、计量配水间数据，相关数据通过油水井RTU经无线网桥方式上传至计量站通信设备，再以光纤方式传入联合站SCADA系统。而计量站RTU以光纤方式直接传入联合站SCADA系统。

4  结  论

由于技术发展的历史局限性，工业企业（尤其是生产场景在地域上较为分散的企业）中的大部分自动化和信息系统建设初期缺少自觉统一的规划部署，而是由各业务系统能根据自身的发展需要来逐步开展相关建设工作。从单独业务角度看，每个业务系统可能都运行良好，且积累了大量基础数据。但是，由于业务对象不同，系统架构不同，运行环境不同等因素制约，企业内部的大量业务系统相互独立，形成一个个“孤岛”，数据不能共享与利用，控制与生产不能协同，严重制约了企业生产与管理效率的提升。如何将孤立系统联结成一个有机整体，让管理和生产控制如臂使指，成为企业信息化建设中亟待解决的问题。

本文设计研究的工业领域大规模分布式SCADA系统软件，在基本的数据采集与监视控制基础上，进一步在网络化、通用化方面取得突破，能够打破企业内部、或广域分布的生产系统内一座座“孤岛”，构建企业系统与设备的互联互通，促进企业的系统融合与数据集成。在此基础上的生产全过程实时数据自动采集、设备远程控制，可帮助工业企业实现生产综合监控，减轻操作人员负荷、及时异常预警与处理，极大程度提高生产运营管理效率。对深化全过程全链条数据挖掘，推进企业数字技术的应用也有深远的意义。

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作者简介：李红波（1980.09—），女，汉族，辽宁沈阳人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：先进制造与自动化。

收稿日期：2022-11-17