DCS与SIS一体化监控后台SCADA改造

任国俊 张志学 厉超 陶洪强 王海东

2024-05-04

DCS  SIS  SCADA 

导语：在现有 DCS 监控后台软件的基础上重点对 DCS 与 SIS 一体化监控后台 SCADA 应用模块的相关改造内容进行分析和阐述

DCS(Distributed Control System)分散控制系统对工艺生产过程进行持续监视和运算，并输出调控指令，使生产过程快速平稳地达到预期目标，主要用于生产过程控制，控制功能是其核心定位，伴随着大量的人工干预。

SIS(Safety Instrument System)安全仪表系统通过监视工艺生产过程或生产装置的运行工况，对异常工况及时输出保护指令，完成保护动作，保证人员、设备和环境处于安全状态，主要用于生产过程的安全防护，功能安全是其核心定位，要求具有较高的可靠性和可用性，人工干预程度低。随着工业领域对安全环保的需求不断提高，SIS逐渐得到广泛应用，从功能上分析，DCS与SIS相辅相成，考虑将二者融合，开发一套完整的自动控制与安全保护系统具有很高的现实意义。本文基于现有DCS上位机监控软件，重点对DCS与SIS一体化监控后台的SCADA应用模块的改造进行分析和阐述。

1 系统结构

SIS和传统DCS的后台节点按照功能用途主要分为历史站、工程师站和操作员站，基于现有的DCS监控后台软件，通过功能增强适配，构建DCS与SIS一体化监控后台。操作员站主要运行画面监视、告警监视、曲线工具、系统诊断监视等人机模块，工程师站主要负责系统逻辑组态、画面组态以及各种编辑、修改、维护等工作，历史站主要完成系统管理、历史数据存储、文件服务、点目录维护等功能。

2 SCADA改造

一体化监控后台系统数据流如图1所示，新建站时根据站类型划分DCS站和SIS站，区别在于站号范围和适用的通信协议不同，后台SCADA应用模块根据DPU站类型调用不同的通信协议接口，通过高速数据总线完成与DPU之间的数据交互。总线传输的数据主要包括DPU状态、点目录信息、实时数据、工控告警、SOE等，数据实时刷新到分布式实时数据库，画面监视、告警监视、诊断工具等人机模块通过分布式实时数据库获取实时数据，也可以通过高速数据总线调用不同协议接口直接订阅实时数据。DPU站类型作为必配的基本参数，在工程组态时进行配置，用来区分下位机DCS站和SIS站，保证SCADA模块正确选择通信协议接口访问数据总线，实现一体化监视的功能。

图1 系统数据流

2．1点目录维护

测点的完整信息包括静态信息和动态信息，工程师站进行逻辑组态时主要是对测点的静态信息进行配置，比如名称、描述、单位、量程、告警类型、告警组号、特征字、站号、槽号、分支号、页号、硬件地址等。点目录动态维护进程作为后台与DPU交互的第一步，当某页的测点组态发生变化，主动向高速数据总线请求数据，并与实时库对应DPU页所包含的点目录进行对比，将对比结果全局同步更新到分布式实时数据库，实现测点目录的动态自动维护。

一体化监控后台同时存在两套独立的上下位机通信接口，后台软件根据DPU站类型选择对应接口，完成心跳注册、状态回调注册和点目录回调注册。SIS通信协议在原DCS通信协议基础上进行扩展与改动。其中，SIS站增加工作模式属性，包括四种工作模式，STOP是停止模式，强制系统输出安全状态，ＲUN是运行模式，执行组态的逻辑，不接收任何外部指令，PＲOG是编程模式，可以下发组态和指令，PAUSE是暂停模式，临时停止逻辑执行，属于编程模式的特例，可以下发组态和指令。SIS点目录新增字段如表1所示，模拟量测点新增安全值属性，开关量测点新增安全值和1oo2模式属性，1oo2模式组态时可配，0表示无此属性，1表示与，2表示或，用来反应结果表决逻辑。

表 1 SIS 点目录新增数据结构

2．2实时数据采集

测点的实时数据主要包括实时值和数据品质，实时数据采用分布式采集，即历史站、工程师站和操作员站处理实时数据时采用本地更新的方式刷新到本地实时库。历史站实时数据采集进程根据DPU站类型调用相应接口完成采集服务注册，严格按照固定周期通过高速数据总线获取DPU下所有测点的实时数据，并更新到本地分布式实时数据库，保证历史站测点历史存储的准确性和完整性。工程师站和操作员站只对当前人机界面监视的所有测点进行轻量式订阅，根据测点所属DPU站类型对测点进行分类，分别存储在DCS测点订阅缓存和SIS测点订阅缓存中，并调用各自通信接口完成采集注册和实时数据订阅，将结果以本地方式更新到分布式实时数据库，保证数据监视的可靠性。各类型节点协同工作，减轻高速数据总线的网络负载率，满足实时数据采集、历史存储、实时监视等需求。

在测点数据品质方面，相较于DCS，SIS增加多种品质状态，包括短路、周期诊断异常、过载、回读故障、PTP配置与POU配置不符、表决错误、安全态等。在数据置值方面，DCS具备开关量遥控、模拟量遥调、测点强制以及测点告警抑制功能，由于安全仪表系统对外部干预系统的运行控制非常严格，尽量避免人工置值操作，原DCS的告警抑制、测点强制功能取消，人工置值操作要进行严格校验，包括后台校验和下位机校验，软件层面上，遥控和遥调操作需要判断站工作模式，停止模式和运行模式下禁止遥控，编程模式和暂停模式下允许遥控，SIS严格保持自动运行，轻易不动作，保证运行期间安全、可靠、优质。

2．3告警信息处理

告警信息处理包括告警接收和告警确认，安全仪表系统在原DCS告警和SOE数据结构的基础上进行扩展，增加安全站号、告警系、闰秒标记和微秒属性字段。常见安全仪表系统采用2oo3D表决，控制器、I/O模块、I/O总线三重冗余，告警系作为SIS的一个重要参数，表征告警来源，即同一个测点的告警记录在SIS中分三条发送到数据总线，三条告警信息的对象名称、硬件地址、告警内容、告警组号等完全一致，区别在于告警系和微秒，告警系分为A、B、C三系，SCADA告警信息模块按照三条独立告警进行处理。

图 2 告警信息接收处理数据流

SCADA告警接收处理数据流如图2所示，DPU采用广播技术将告警和SOE信息实时发送到数据总线，告警处理进程根据站类型对系统内DPU进行分类，分别调用对应的通信接口完成告警服务初始化、告警接收处理回调注册和告警订阅服务注册，后台各节点通过数据总线独立接收实时告警进行处理，并以本地更新方式插入到分布式实时数据库，历史站同时插入到NＲSQL商用库，供上层告警监视应用展示和查询。告警确认信息的来源包括画面清闪和告警窗确认，告警确认数据流见图3。画面清闪不区分告警系，将测点硬件地址作为唯一标识完成告警确认。告警窗确认区分告警系，将测点硬件地址和告警系组合作为唯一标识完成告警确认。

图 3 告警确认数据流

SCADA告警确认接口根据DPU站类型，将确认事件按照特定格式报文广播到数据总线，其中SIS将DPU站类型和告警系信息打包到确认报文，后台各节点的告警处理进程从高速数据总线接收确认事件，根据事件的站类型、告警系和测点硬件地址等，完成告警确认。

2．4历史存储

一体化监控后台历史存储模块具有通用性，不区分站类型是DCS还是SIS，历史存储服务部署在历史站节点，按照固定周期从实时库获取模拟量和开关量的实时数据并进行存储。历史站的告警信息处理模块接收告警并插入实时库的同时进行告警的历史存储。上层曲线工具、告警监视等人机模块访问历史库查询曲线和历史告警。

3 系统部署

DCS采集生产工艺过程的大量数据，对生产过程进行实时调控，系统具有良好的稳定性、可靠性和开放性特点，SIS监测生产过程或生产装置中潜在的危险工况，按照预先设定的程序及时输出保护指令，使生产装置处于安全状态。基于DCS与SIS的功能特点，将二者进行融合，开发一体化集中监控系统，典型部署示意图如图4所示。系统配置操作员站、工程师站、历史服务器、OPC接口服务器、安全仪表SOE浏览站和安全仪表诊断监视站等，网络结构采用星型冗余双网结构，通信速率为1000Mbps的快速局域网，DCS控制站和安全仪表控制站挂载到千兆网络。

历史服务器完成整个系统的历史数据存储、文件服务和系统管理。工程师站完成对DCS和SIS的逻辑组态、画面组态和配置维护工作。操作员站实现对DCS和SIS的集中监控，为运行人员提供良好的人际交互界面，包括画面监视、曲线监视、告警监视、报表展示等。安全仪表控制系统对安全性要求非常高，在工程师站或操作员站部署SIS诊断监视软件，对控制器的运行状态、当前工作模式、安全钥匙位置、扫描周期等进行监视，同时部署SOE监视软件，保障系统安全稳定运行。

图4 DCS与SIS一体化监控部署

4 结束语

随着安全仪表系统(SIS)在工业自动化领域的广泛运用，在原DCS后台软件的基础上，与SIS进行融合改造，将二者打包设计，开发以DCS过程主控和SIS保障过程安全的一体化监控系统具有重要的应用价值。本文基于采用2oo3D表决的安全仪表系统，重点对DCS与SIS一体化监控后台软件的点目录动态维护、实时数据采集、告警信息处理等SCADA应用模块的相关改造进行分析和阐述，为后续相关的研究应用提供一些参考和借鉴。

作者：南京南瑞继保电气有限公司 任国俊 张志学 厉超 陶洪强 王海东