油气长输管道SCADA系统.doc

11 油气长输管道SCADA系统
迄今为止，管道运输在世界上已有130多年的历史。我国虽然是世界上最早利用管道运输的国家之一，但其发展却比较缓慢。1949年以前，我国的管道运输几乎是空白。经过几十年的发展，初步形成了东北、华北、华东输油管网及西南输气管网、西北一带油气管网已初具规模。全国石油、天然气产量的90%通过长输管道源源不断地输向炼油厂、化工厂及海运码头。作为油气长输管道自动化系统同样经历了循序渐进的发展过程。早期主要采用就地通用指示仪表为主，主要设备的控制(如阀门的开、关；输油泵的启、停等)均由手动控制，输油工人通过巡视记录主要参数(如温度、压力、流量等)。70年代末，由于当时国内的自动化控制设备与国外相比处于严重落后的地步，国内企业纷纷通过技术转让、合资合作、集团经营等形式改善设备。如在长输管道上广泛应用1151、2088等压力变送器、瑞士SAAB雷达液位计等，流量计量方法已由原始的计量仪表检测、手工计算产生报告发展成为由流量计产生信号远传至流量计算机或RTU、DCS、PLC等站级控制系统进行流量累计计算并自动生成相应报告。80年代末，计算机硬件、软件、特别是网络、通信的发展，管道运输行业均配置了先进的SCADA系统，如“东营-黄岛输油管道”是我国第一条实现全线自动化技术的输油管道，该管道是与加拿大努法公司联合设计的，代表了当时世界先进水平。此后，进入90年代后，通过对世界先进技术的消化和吸收，运用国内自己的技术力量先后设计和编制了以站控为主的花土沟-格尔木输油管道；轮南-库尔勒输油管道；鄯善-乌鲁木齐输气管道；陕甘宁气田-西安输气管道；陕甘宁气田-北京输气管道；陕甘宁气田-银川输气管道等。
11.1 油气长输管道SCADA系统概述
11.1.1 SCADA系统概述
近20年来，随着4C(Computer, Control, Communication,CRT)技术的发展，先进的监控和数据采集系统（SupervisoryControl and Data Acquisition），简称SCADA系统，广泛用于电网、水网、输油气管网、智能建筑等领域，通过主机和以微处理器为基础的远程终端装置RTU、PLC(或其它输入/输出设备的通信收集数据，实现整个工业网络的监控，从而保证系统的安全运作及优化控制。
监控和数据采集(SCADA)系统的主要组成部分是：远程终端设备(RTU)、主站计算机(包括硬件和软件)、操作人员数据显示和控制盘及有关的外围设备。目前SCADA系统突出的特点是具有集散控制功能和自我诊断、冗余、备用计算机。SCADA系统已由集中控制、集中管理发展成集散控制、集中管理的方式。主机更多地用作数据采集与分析，常常不必以实时的方式运行。而由“智能”远程终端装置（RTU）配上先进的软件在现场进行集散式控制。图11-1和图11-2分别为传统和新型SCADA系统。

图11-1 传统SCADA系统

图11-2 新型SCADA系统
SCADA系统的基本部分是远距离终端设备（RTU）。它是系统中的关键性装置，是对运行着的生产现场进行监控的最通用的设备，具有对现场工况进行最佳控制的能力，目前正朝着分散型智能方向发展。这是实现管道自动监控的首要突破点，是一项重要的硬件开发任务。
SCADA系统是用工业上普遍接受的标准所制约的组件块组合起来的，其组合构成因工程而异，因对工程控制功能的要求而异，因对计算机系统的建立方式而异。这个系统是不能够购买定型的，对任何一条管道都存在一个新开发的过程，包括它的硬件组成及软件系列。这项工作应在国内成立一个专业性的SCADA技术研究开发机构来进行。这是一项重要的系统软硬件开发业务。
建立SCADA系统的整套计算机系统，所用的微型计算机是一种大规模集成电路技术，功能齐全，使用方便，易于扩展。用一台小型计算机作为主机，配备多台以微处理机为基础的远程终端装置，即组成具有远距离数据采集和显示的、人机对话的、远程控制及数据处理功能的SCADA系统。
计算机硬件组成之后，与之配套使用的系列软件开发，即成为该管道独具特点的SCADA系统所必需；系列软件的主要部分包括：基本SCADA软件、支持软件和应用软件。而具体管道的应用软件又可以包罗万象，用来体现该管道所特有的复杂要求。
SCADA系统的构成有检测装置、数据采集与就地控制装置（RTU）、中央主控站、通信系统及软件。SCADA系统的控制过程是由设在控制中心的主控计算机对远程终端装置RTU进行定时询问，把分散在各个站的情况通过通信线路传送给中央主控计算机进行全线的统一管理和监视控制。而各个站的监视控制一般由RTU或可编程序控制器来独立完成，泵站可以无人值守，从而形成可靠的计算机网络式分布控制系统。
SCADA系统的控制功能：监测流量、压力和温度；启／停泵；开、关调节阀；执行逻辑／顺序控制；泄漏检测及清管控制等。一些较先进的SCADA系统还具有偶然事故分析；费用风险管理；流体质量／组分跟踪；合同监督，销售时机分析以及仪器校正等功能。
管道自动监控系统所能达到的水平，基本为站内无人值守，全线经SCADA系统进行远距离集中监视与控制。管道全线通常按三级设计：第一级：控制中心集中监视与控制；第二级：站控；第三级：就地手动控制。在一般情况下，使用第一级控制（站内无人值守），这是SCADA系统设计的目的控制级。但是，当通信（如微波通信。光纤通信等）出现故障或控制中心主计算机发生故障时，可使用第二级控制，这是一种后备手段，当发生紧急事故或设备检修时，可使用第三级控制。
11.1.2 SCADA系统的构成方式
输油管道所采用的现代SCADA系统的配置形式，如图11-3所示。SCADA系统的指挥中枢——主机或中央处理机（CPU）通常是按冗余（双机）配置形式提供的。利用已编制成的程序，主机可与从控制中心的操作员控制台到安装在现场的RTU（或PC，下同）的所有系统组成设备进行通信。控制中心的操作人员能够在安装有一台或几台彩色CRT和键盘的控制台上，监视该系统运行的实时数据信息，并向RTU发出操作命令，实现远方控制。该系统的外部设备，如彩色CRT显示终端、打印机等，均可为两台主机共享。一旦在线（联机）监控的主机发生故障，外部设备即可自动地切换到备用的主机上。

图11-3 输油管道现代SCADA系统配置图
系统中还安装有一台或几台以微处理机为核心的工程师/程序员终端，配有CRT、键盘和打印机，用以完成“多重任务”，如程序编制、修改和工程计算、管理等。它与备用主机共用文件。
现在，一台主机能与上百台或更多的RTU通信并对其进行控制。现代的SCADA系统，则采用以微处理机为基础的通信控制器，通过调制解调器（MODE）及通信媒质（如电话线、微波线路、光纤或卫星线路）来控制系统的通信。主机监控RTU的数量，取决于控制中心主计算机处理、存储能力的大小。
SCADA系统中，无论是控制中心的主机系统或是现场的RTU，通常采用不间断电源设备（UPS），以保证无论在电网正常供电或者短期故障停电情况下，整个供电系统都能可靠地工作，从而确保SCADA系统的正常运转。
11.1.3 SCADA系统的功能
在管道运输中，管道的自动监控系统尤为重要，它直接关系到管道的正常运行，为解决这些特殊工艺要求，并适应现代管理方式，管道自动监控系统通常采用先进的SCADA系统对全线进行监视、控制和管理，以达到安全输送、科学管理、降低消耗、提高经济效益之目的。
（1）控制中心主计算机功能。
控制中心主计算机按顺序对每一台RTU定期进行查询，其主要功能如下：
①监视各站的工作状态及设备运行情况，采集各站主要运行数据和状态信息，包括有：
a．检测量：进出站油温、油压；首站、末站和分输站流量；输油泵机组（包括原动机及辅机）的有关数据；油灌液位、油温及储油量，泵机组进出口油温、油压及流量，燃料油压力及流量；泵站出站压力调节间的开度及阀前、后压差；站母线电压、输油泵电机电流等。
b．报警信号：油品进站压力过低，出站压力过高；油灌液位（高、低）超限；停电。输油泵机组故障停运；出站调节间故障；输油泵机组轴承温度过高，振动量过大；安全阀。泄压阀动作等。
C．状态量：输油泵机组、出站调节阀和主要阀门的运行状态。
②向RTU发布命令，通过RTU进行远方操作、控制，主要有：
a．从远方各输油站PLC采集数据，监视各输油站工作状态及设备运行情况。记录重要事件的发生，工艺参数及设备运行状态参数超限报警，显示、打印报警报告。
b．给远方各输油站的PLC发送指令（同时进行指令记录），程序自动启停机组、开关阀门及自动切换工艺流程。
c．对需要调节的主要参数如压力、油温、流量进行远方给定和自动调节，对各输油站的工艺参数及设备运行状态参数的报警值及停机（跳闸）设定值可进行远方修改。
d．显示管道全线的工作状态，打印管道全线运行报告。
e．对管道全线密闭输送进行水击超前保护控制。
f．对管道全线进行实时工艺计算和优化运行控制。
g．对管道全线进行清管控制。
h．对管道全线及各站运行的设备状态及工艺参数进行现行趋势显示和历史趋势显示。i．对系统设备的故障与事件等具有自检功能。
j．用系统的外围辅助设备进行数据库编制和显示图像编制。
（2）就地控制系统RTU的主要功能
①过程变量巡回检测和数据处理；
②向控制中心报告经选择的数据和报警；
③提供画面、图象显示；
④除执行控制中心的控制命令外，还可独立进行工作，实现PID及其它控制；
⑤实现流程切换；
⑥进行自诊断程序，并把结果报告控制中心；
⑦提供给操作人员操作记录和运行报告。
（3）数据传输系统功能
SCADA系统的数据传输系统是一个重要的环节。它利用各种通信线路，把主计算机与分散在远处的RTU有机地连接起来，实时进行数据信息的交换和处理。
11.2 SCADA自动监控系统软件
11.2.1 软件构成
自动控制系统必须有软件的支持才能进行工作。现代SCADA系统能否运行成功，将取决于软件。SCADA系统软件分为控制中心软件和站控系统软件；它们通常又可分为系统软件、过程软件和应用软件。系统软件包括操作系统、诊断系统、程序设计系统以及与计算机密切相关的程序。系统软件质量的好坏对过程软件、应用软件能否正常工作及编制程序、调制程序的方便性有直接影响。
过程软件一般由计算机系统供应厂家提供，用户有时可根据需要进行修改，通常是模块化，采用填空式或对话式进行编制。
应用软件是在过程软件的基础上编制出来的，是面向用户本身的程序。它由用户、咨询公司或系统供应厂家研制开发。应用软件是SCADA系统最重要的组成部分。
（1）控制中心软件
（a）系统软件。
系统软件包括如下内容：数据库管理软件，管理和监视主计算机系统实时多功能软件，系统安全保护软件，故障检测及恢复软件，主计算机网络软件，系统生成和初始化软件，用于维护和修改软件系统的实用程序软件，程序开发，编译用户编写的高级语言程序等。
（b）过程软件。
过程软件包括如下内容：数据库管理软件，网络通信控制软件，信息采集系统软件，报警显示生成、趋势显示软件，报告生成软件，系统重新启动软件等。
（c）应用软件。
应用软件包括如下内容：管道操作监视、控制软件，报告、检测及实时管道模拟软件，水击控制软件等。
（2）站控系统软件
站控系统软件一般包括下列内容：操作系统软件，数据采集、记录、处理、显示、监视、趋势显示软件，报警和正常停机控制软件，站压力闭环控制软件，泵机组或设备控制软件，故障诊断软件，与控制中心和其它站的通信控制软件，其它控制及站应用软件等。
11.2.2 软件介绍
目前，国际上开发、研制的用于长输管道自动监控的系统软件比较丰富，使数据采集与监控系统和应用水平不断提高。在此，简要介绍几种目前在自动监控领域较先进的系统软件。
1．目前在自动监控领域中占有领先地位的 Window NT操作系统下的 S／3 SCADA系统
美国GSE公司开发、研制的Window NT操作系统下的S/3 SCADA系统软件（Version 4.1）（以下简称 S／3 SCADA NT系统软件）是一个比较成熟的系统软件，它集现代控制技术、管理技术、计算机技术、数据库技术、网络技术、通讯技术和视频技术于一身，紧跟新技术的发展，特别适用于输油长输管道。S/3 SCADA NT系统软件是在传统的 S/3 SCADA系统软件的基础上，为了适应不断发展的市场需要而开发的新型软件。
（1）S/3 SCADA NT系统软件的功能。
S/3 SCADA NT系统软件是一个具有良好界面的信息管理和监控系统软件，它将传统的S/3 SCADA系统与先进的图形操作、信息管理和事件应用软件相结合，可以实现广泛的商业信息共享的开放式环境。S/3 SCADA NT系统软件是信息技术与 SCADA技术的集中体现。S/3 SCADA NT系统软件提供了很多的系统服务和强有力的交互功能，这些功能由后台软件模块和图形软件模块接口组成，它允许与 S/3 SCADA系统直接连接，例如与S/3 Inst Alarm（事件显示软件）连接。S/3 Inst Alarm软件可以在 PC或工作站的控制台上实施管理、显示和打印所有系统软件及报警信息。S/3 SCADA NT系统软件的主要功能如下：
①通讯服务。专用的 NXS通讯服务软件是 S/3 SCADA NT系统软件的核心，它提供了SCADA系统与IED（智能电气设备）之间的连接。同样，NXS提供从IED获得用户配置的数据，并且有用户可以从SCADA系统和应用中存取数据的功能。
②系统配置。S/3 SCADA系统的配置是通过 S/3 Architect图形接口软件来实现的。该接口软件允许用户以图形方式配置整个S/3 SCADA系统，它使用了精美的窗口技术和下拉菜单技术，也可以单步使用接口进行系统配置。从最基础的点数据的输人到整个系统服务器的配置，全部都是使用同一工具软件来完成的。S/3 Architect软件是用于定义和配置全部S/3 SCADA系统的单体结构，它可以为S/3 SCADA系统按树型拓扑结构配置全部节点、通道、设备以及输人模块。它可以建立和维护系统数据库，分配现场设备与I／O点间的地址。系统数据库是S/3 SCADA系统的核心，它可以定义系统的节点、进行数据查询、访问控制表，并产生事件及报警信息。S/3 SCADA系统数据库按其拓扑结构可分为四层：即节点层、通道层、设备层和输人模块层。S/3 SCADA NT系统软件即没有配置数据库通讯通道数的限制，也没有分配给SCADA系统服务器节点的通讯通道数的限制。每个通道有一个相关的XMS通讯服务通道驱动程序来完成IED的集成。
③事件管理系统。事件管理系统（Event Management System EMS）是 S/3 SCADA系统的主要功能之一。EMS可以提供遍及SCADA系统与管理，显示和事件处理有关的能力。
④图形管理系统。图形管理系统（Total Vision）是基于SL—GMS图形库用于建立图形显示的多平台的工具库，是当今在工业领域最有力的用户接口之一。它为系统管理人员提供了多窗口，丰富的标准显示元素和精美的图形目标库，并大大地简化了显示设计，可以自由容易、快速地以所需的格式存取、组织当前的信息。
⑤历史信息。S/3历史信息数据记录程序（S/3 Information Historian）是一个事件驱动的历史记录软件。S/3历史信息软件记录了点数据在变化时数据的值和状态，它可以捕获全部短暂的值和状态，而不管它的频率变化的多快，也不像传统的方式以时间轴作为记录方式。该软件还可以完成数据的归并、分解和向上滚动等进入标准的关系数据库表。此表可以通过标准的SQL程序调用。
⑥分配数据服务。这是S/3 SCADA系统的DCE（分布式运算环境）用户配置，分配数据服务程序（DDS），为用户提供了系统范围内命令的自动定位功能，而不需要知道其物理位置。在服务器和网络故障的情况下，DDS可以作为冗余服务。DDS使用了用户结构的开放式系统建立分布式运算环境标准。
（2）S/3 SCADA系统的兼容。
S/3 SCADA系统是一个完整的系统，它可以在不同的计算机上运行Window NT操作系统，也就是说在品牌机上SCADA软件是可以运行的，在兼容机SCADA软件同样可以运行。在一种硬件配置上运行的（例如：lutel） S/3 SCADA NT软件，同样其它硬件配置（例如：DECR的 Alpha—AXP）也可以运行。由于 SCADA系统的规范设计，目前可以支持1000 I/O点的SCADA系统软件，同样也可以支持未来的100000 I/O点的SCADA系统软件。S/3 SCADA系统将随着时代的发展而发展。
（3）S/3 SCADA NT系统的硬件平台和软件环境。
①硬件平台。
a．计算机 80486。pentium，Pentium Pro或 DEC Alpha—AXP个人计算机工作站；3.5 in（1.44MB）高密软盘驱动器。
b．存储器（RAM）。SCADA系统服务器最小要有64MB内存，操作员工作站最小要有32MB内存；
c．硬盘。1.2GB以上容量；
d．监视器。已安装的具有 Microsoft Window NT版的 VGA或高清晰度的适配器。
e．CD ROM驱动器。
②软件环境。
a．操作系统工程。Microsoft Window NT工作站或服务器；
b．数据库。可选择工业标准的关系型数据库管理系统。例如：Oracle、Sybase或Microsoft SQL—Server等；
c．系统软件。分布式运算环境，它为SCADA系统的用户提供了全方位的服务；
（4）S／3 SCAD NT系统的评价。
①先进性。该系统的硬件部分没有依赖性，全部采用市场上流动的标准产品。例如：太平洋输油管道控制中心的服务器为 Millennia PC微机，网络产品以 3COM的居多，易于系统的集成和维护。RTU是根据用户的需要可以随意配置。网络协议是多方面的，编制语言以C语言为主。数据库的采用与MIS系统是一致的，有Oracle、Sybase和Microsoft SQL—Server等工业标准的关系型数据库管理系统供选用，它们是开放式的记录格式可供系统享用。对于 S/3 SCADA系统来讲，节点与通道的配置是不受限制的。S/3 SCADA NT系统软件可与在线仿真系统连用。
③可靠性。提高 SCADA系统的可靠性，SCADA NT软件有分层限权保护功能。可为每一名系统管理人员和调度操作规程人员赋一个口令和操作名。主要系统软件可采用冗余结构，系统出现故障时，数据可以自动重新定位。
③实用性。数据库与应用程序的维护可以远程与现场两种方式进行，这取决于所选用的RTU设备。随着应用的改变，系统可以进行升级。系统共可管理工程点达10万个。具有窗口式会话功能。是否采用冗余系统完全取决于用户的需要。在 PCI作站与 S／3 SCAD服务器之间提供了 DDSLink数据通讯软件，可与Microsoft Word和 Microsoft Excel连接，实现实时报表的自动生成与更新功能。DDSLink软件可以利用 DDE（Dynamic Data Exchange动态数据交换）和DCE（Distributed Computing Environment分布运算环境）通讯协议建立实时的动态数据，并可以实现对系统的配置和数据的管理与维护。
（5）系统存在的问题。
汉化方式分成内核汉化和界面汉化两种，目前该系统只有界面汉化并且处于考机阶段，有待于进一步做工作。
2．具有良好界面和兼容性的OASYS 5.2系统软件
该软件是加拿大VALMET自动化系统公司开发的。OASYS 5.2（以下简称OASYS）系统具有良好的界面，能很好地与其它软件兼容。应用该系统可实现全线启停高度自动化，在管道自动化管理方面可达到世界先进水平。
（1）OASYS系统的结构。
开放式OASYS系统具有良好的界面，能方便地与其它公司的软件兼容，更加完善了SCADA系统的功能。
分散式OASYS系统将SCADA系统分成若干功能块，再将这些功能块放在不同的计算机上，每个计算机需完成相应的SCADA功能，如此整体完成全部的SCADA系统功能，其特点是具有较高的可靠性。
①OASYS系统的组成。OASYS系统主要由CMX实时数据库软件包、XOS运行调度人机界面和XIS历史数据库软件包组成，见图11-4。

图11-4 OASYS系统的组成
a．CMX实时数据库软件包。CMX实时数据库软件包主要负责对现场设备、仪表的监视与控制，是OASYS系统的核心，为开放式结构。该软件包主要功能如下：
（a）定时运行程序和打印报表（告）；
（b）双机冗余切除；
（c）主机与RTU或PLC间的数据通信；
（d）系统信息记录；
（e）为XIS、XOS等提供实时数据；
（f）可对CMX数据库中的实时数据进行在线运算处理；
（g）实时趋势图。
b．XIS历史数据库软件包。XIS历史数据库软件包为关系型数据库，是SYBASE公司的产品，VALMET公司仅作了少量的改动。XIS主要用来将CMX数据库中的实时数据归档存储起来，以备历史趋势图和打印报表之用。XIS提供大容量冗余切换的外部存储器，如同CMX，两个冗余切换的XIS运行在不同的计算机上，保证了系统的可靠性。
C．XOS运行调度人机界面。XOS为另一公司（KNESIX公司）所开发的图形软件包，VALMET公司对其作了较大的改动，使其适合于SCADA系统的要求，该软件包的作用是绘制控制流程图并将绘制好的控制流程图动态显示出来，提供给运行调度作为人机界面。调度员通过XOS完成SCADA功能。用鼠标器在屏幕上轻击功能键，调出一幅画面，也可以轻击控制键，控制现场设备。
②OASYS系统的启动。OASYS系统启动可分为两部分，即IJNIX系统的启动和OASYS系统的启动。整个系统被设置成自动启动过程，一旦开启电源，便进UNIX的多用户、网络状态，随后自动启动OASYS。OASYS的启动又分三步：CMX、XIS、XOS，每一步都有相应的处理文件来自动完成。另外，在两台冗余切换机的工作站上，通常先启动的工作站上的CMX、XIS为工作状态，后启动的工作站上CMX、XIS为备用状态。
③OASYS系统停机。系统停机也可分成两部分，OASYS系统停机和UNIX系统停机。类似于系统启动，系统停机也被设置成一些处理文件，所不同的是，停机必须人为发出停机命令，且停机次序与启动次序正好相反，即先停XOS，再停XIS、CMX，最后停UNIX，关机。
④OASYS系统的安全性。系统安全保护分为两部分，UNIX系统安全保护和OASYS系统安全保护。UNIX将系统中的用户分成两类，即根用户和一般用户。一般用户分成许多小组，根据用户拥有的权利，将系统中的资源按拥有者、同组用户、其它用户分三类来确定对系统的使用权，即对该资源的拥有者权利最高，同组的次之，其它用户权利最低。在定义用户的同时，也就指定了用户对系统资源的使用权利。
OASYS系统将用户定义在CMX数据库中，分为5个等级：系统管理员、值班长、运行调度员、局部运行调度员和只能看不能控制的人员，这5级中系统管理员最高，值班长次之，依次下排。
（2）OASYS系统存在的缺点。OASYS系统存在的缺点如下：
①制作和修改报表非常困难。必须用程序修改，修改一条表格线也必须在程序中修改；
②绘图比较困难，不如 Autocad方便；
③人机界面不如Windows方便。
鉴于以上问题，VALMET公司已经于 995年底开发出了在Windows NT下使用的OASYS 6.0版本，基本解决了以上问题，因而在今后的管道设计和自动化系统的采用上均考虑以上因素。
3．新的计算机管理软件
作为未来管道工业新技术之一的新的计算机管理软件在管道上的应用，将使其成为高科技产业并为其发展起到一定的推动作用，就管道行业而言，计算机技术已在许多领域得到广泛应用，如管道自动控制（AM）、GPS系统（地理信息系统）、管道实时控制等。
随着各种管理软件的飞速发展，预计，几年之后远距离实时控制技术将以技术标准形式被确定下来。那时候，以电子流量测量、先进的SCADA系统（监视控制和数据采集系统）。完善的GPS系统，以及自动制图、自动记录工况和历史过程的数据库为特征的管道实时控制技术都将相继问世，从而使管道运行费用降低到最低限。
11.3 SCADA在我国油气管道的应用
长输管道SCADA 系统是通过采用仪表、控制装置及电子计算机等自动化工具,对管道生产过程进行自动检测、监视、控制和管理,以保证安全、平稳、经济的输油、输气。管道SCADA 系统的实现,能够达到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,保证环境及生产安全。目前,美洲、欧洲、中东等地的输油/ 气管道已广泛采用SCADA 系统进行全线监控。
80 年代以前,我国长输管道基本上是常规仪表检测、就地控制;80 年代中期以来,在铁岭- 大连输油管线和东营- 黄岛输油管道复线上引进了国外先进技术,填补了我国管道应用SCADA 系统的空白,达到国外80 年代水平;在铁岭- 秦皇岛输油管线和轮南- 库尔勒输油管线上采用了我国自行设计的SCADA 系统。
目前,具有计算机监测控制与数据采集功能的SCADA系统已广泛应用,成为管道自控系统的基本模式。
11.3.1 SCADA系统在陕京输气管道工程的应用
11.3.1.1 自动控制方案
陕京输气管道SCADA/ POAS 系统主要监控对象为:4 座有人值守的计量站包括靖边首站、北京末站、琉璃河分输站及去天津的支线分输站—永清站,沿线9 座无人值守的带RTU 的遥控阀室;7 座无人值守的清管站(含阴极保护) ;3 个输气管理处设有远程监视系统,可对其管辖段实现系统监视。该系统对全线的控制分为三级：
1 从调度控制中心实现监视和控制
北京调度控制中心对全线运行实行统一调度管理,监视管线沿线各站的运行参数和状态,如温度、压力、流量以及阴极保护,供配电等系统的有关参数;对所有阀门的开、关和故障状态,火灾报警,可燃气体检测,通信线路运行状态等进行监测。关键参数可从调度中心远程调控,如干线上带RTU 的截断阀室,当管道破裂或维修时需要紧急截断气源,可从调度中心发出命令关闭需要关闭的阀门。设定值和各项操作命令能够从调度中心准确地下到有关站,并能将所监视的数据从调度中心送到输气管理处(GTD) ,从GTD 能监视到所管辖区段的管线运行状
态和所有数据,但GTD 不具备任何控制功能。
2 站控系统ACS 的集中监视,分散控制
ACS 采用PLC 为主的集中监视,分散控制方案。4 个计量站均配有人机界面MMI 和单回路的流量计算机。首末两站还配备了全组分新型气体分析仪,硫化氢检测仪和水分分析仪用于全组分分析与计算,测量硫化氢含量、水露点,计算气体密度和组分含量。4 座计量站只需少数人员值班,从而达到了无人操作有人值守的水平。　ACS 系统能够自动采集温度、压力、气体流量等数据,能够自动控制相应的阀门,从人机界面MMI监视站内的现场设备运行。ACS 系统能适应不同的流量变化及压力控制要求,进行流量及量程自动切换操作,使供气系统具有超压,紧急截断及自动压力监控、调节、切换功能,保证安全平稳地供气。
3 就地手动控制
现场阀门可由现场人员就地进行开、关操作。站控系统操作方式定义如下:
(1) 站远程操作
站上设备由调度中心实现远程操作,如全线各站的关闭和干线上带RTU 阀室的气液联动阀的关断,但这些设备不能由调度中心进行远程开启控制。
(2) 站就地操作
站上设备,如电动阀等,由站控系统的MMI 来控制,调度中心不能对其控制。如果当站PLC 与人机界面MMI 发生故障时间超过30 s ,就地方式自动转换成远程操作方式。
4 设备维护
设备维护分阀维护和变送器维护两种方式。处于阀维护方式时,调度中心与站控系统均不能对其进行控制,由维护人员到现场对阀进行手动操作。处于变送器维护方式时,对模拟输入卡上接收到的4～20 mA 信号不进行处理,但需切换到维护状态时,最近测量值才被保留。
11.3.1.2 系统配置
陕京管道SCADA/ POAS 系统是由法国CEGEL EC 跨国电气公司下属的德国CEGEL EC AEC 自动化工程公司作为系统集成的主要承包商,提供该公司自己的产品View Star 750 (简称VS750) 作为调度中心的SCADA 系统软件及PC Views 输气管理处监视系统的软件,以Modicon PLC 作为站控系统的RTU ,Factory Link 软件作为站控系统的MMI。美国休斯通信公司提供的卫星通信系统实现从调度中心到各站,输气管理处主通信线路的通信,备用通道为公用电信网PSTN。整个系统的配置图如图11-5 所示:

图11-5　陕京输气管道SCADA/ POAS 系统配置图
11.3.1.3 调度中心硬件和网络设计
VS750 是以网络计算机为操作平台的远程过程监视与控制系统,运行在由多台高性能的具有交换互联结构的Sun Ult ra 1 工作站,奔腾PC 工控机,奔腾PC 机,打印机,投影系统组成的10 Base —T 网络环境中,支持TCP/ IP 异种网互联协议。
硬件设备包括以64 位Sun Ult ra 1 图形工作站为平台的冗余主机两台、冗余的操作站两台、模拟工作站一台、工程师站一台、培训工作站两台、前投影工作站和后投影工作站各一台。两台工控机为平台前端处理机(FEP) ,并配有多台事件和报告打印机、一台打印服务器及彩色打印机、A3 幅面激光打印机、中文PC 机及报表打印机一套、用于离线管道模拟的PC 机一台和用于工程开发编程组态的PC 机一台。
一台Windows NT 网络服务器充当调度中心SCADA 局域网与分布在经理办公室的5 台PC 机连在一起的PC 局域网之间的网关,通过Microsoft 公司的ODBC(开放数据库连接) 软件来实现从SCADA系统将管道运行参数,状态、事件、归档报告实时下载到经理办公室的PC 机上,为领导决策提供科学依据。
到输气管理处( GTD) 的广域网之间的互连是通过连在网络上的路由器到三个输气管理处的路由器来实现的,主通道采用卫星通信线路,备用通道采用公用电话网。
主站、前端处理机( FEP) 和操作站之间采用一台全球卫星定位系统( GPS) 来实现时间同步。
调度中心到远程各站的通信,通过前端处理机(FEP) 及连在FEP 上的BM85 多路复用网桥来实现。
以上设备分别集中在控制室、工程师室、硬件室、培训室和接待室。
两台操作员站、一台管道模拟站、网络打印服务器、中文PC 机及打印机全装在控制室,每台操作员站分别与两台报警/ 事件打印机和报告打印机相连,彩色打印机通过局域网上的打印服务器相连,大屏幕后投影墙安在控制室墙上,面对操作员站。
主机、前端处理机、多路复用网桥、集线器、路由器、调制解调器等网络设备及NT 服务器、后投影工作站安装在硬件室。
工程师站、离线管道模拟PC 机及SCADA 编程组态的PC 机安装在工程师室。
两台培训工作站,一台用于管线模拟软件培训,另一台用于VS750 操作培训,培训RTU 和进行站控系统操作培训,以上设备安装在培训室。
前投影及前投影工作站安装在接待室。
后投影系统是采用德国Dr Seufert 公司研制的新一代数字式液晶显示系统(LCD) ,由8 块透明的屏幕组成,4 m 长,115 m 宽,带LCD 发光的镜头和带反射的灯管,一台中央MX —终端和两台发光的MX —终端,支持X11 协议,操作人员以控制台上直接操作图形和自由图形画面在投影屏幕上的显示,该后投影系统具有高清晰度,不受光线影响,省电和维护方便的特点。
11.3.1.4 站控系统设计
ACS 自动控制系统的RTU 是采用Modicon Quantun PLC 即QTM —PLC ,通过它对现场设备进行控制。
4 个计量站还配有基于PCI 控机的人机界面Factory —Link 来实现对现场设备的监视。
1 计量站
4 座计量站都配有单回路的流量计算机,靖边首站和北京末站还配有对气体质量检测的色谱分析仪。色谱分析仪和流量计算机之间的通信是采用一种广泛应用于现场控制用的Modbus 协议。
为保证大站系统的容错性和可靠性,计量站的RTU 全采用双机热备和冗余的通信路由,主通道是卫星通道,备用通道是公用电话网。
每座计量站的RTU 是由两个具有热备功能相同组态的PLC 控制器组成。控制器热备组态简单,安装容易,当发生故障或电源中断时提供无扰动的后备控制。两个PLC 通过位于PLC 上的热备模块实现两个CPU 从主到备的通信,每个控制器还有识别两台控制器之间的数据传输区域的大小。正常情况下备用CPU 不执行控制功能,只是监视主CPU的工作。一旦主CPU 发生故障,备用CPU 在48 ms内切换过去,备用CPU 能够完全无间隙方式承担I/O 链路的控制。
从RTU 接收和传输数据的设备有:气体色谱分析仪、UPS 系统、流量计算机、阀门、火灾检测系统、紧急截断控制。
RTU 与调度中心VS750 系统,流量计算机和色谱分析仪之间的通信是通过多路复用网桥BM85 来实现的。一个多路复用网桥带4 个Modbus 端口和1 个Modbus Plus 端口。所有程序和对RTU 的控制都是用Modsoft 软件来实现。
2 带RTU 的阀室
安装在干线阀室上的RTU 包括CPU 模块、直流电源模块、数字输入/ 输出模块和网络模块,没有配备热备模块。带RTU 的阀室只能从调度中心进行远程控制操作。所有模块都集成在一个RTU 机架中,通过卫星线路与调度中心进行通信。和阀室上的RTU 实现数据通信的现场设备有:温度测量元件、压力变送器、气—液联动阀门、热—电发生器和供电系统等。
3 清管站
安装在沿线的7 座清管站上的RTU 提供了远程清管功能,由CPU 模块直流供电,网络模块、数字输入/ 输出和模拟输入/ 输出模块组成,所有模块都集成在一个机架中,通过BM85 多路复用网桥连接卫星线路(主通道) 和公用电话网(备用通道) 实现与调度中心通信。
和清管站RTU 实现数据通信的现场设备有:温度测量元件和压力变送器、电动和气液联动阀门、热—电发生器、供电系统、清管控制器及其它I/ O 模块。
11.3.1.5 SCADA 系统的核心软件VS750
VS750 软件包是德国CEGEL EC AEG 公司自己开发,用于调度中心的监视与控制系统,运行在基于网络操作系统Solaris 的不同系列SUN 工作站上,可以根据用户要求、规模大小,方便、灵活地按模块进行组态和集成。
VS750 软件包是一个基于X —Windows 的图形操作界面,可提供高分辨率的三维图形显示,在不同窗口中显示各种画面,包括陕京输气管道全线走向图、全国陆上油气管网图、各站控系统的工艺流程图,并能动态显示管道和设备当前运行的状态,实时地显示温度、压力、流量等数据、报警信息等,通信线路的运行状态,通过鼠标方便地操作各种屏幕菜单,控制整个系统的运行。陕京管道的VS750 版本还提供了各站场、管道黄河跨越、现场管道施工等图片画面显示,画面中多种字体的汉字显示,管道模拟软件实时模型计算结果的显示。VS750 主要功能如下:①基于多窗口的人机对话多种菜单、对话框、滚动条等操作; ②从控制中心向各个被测点发送遥测、遥调、遥控、遥计(量) 指令; ③现场设备和整个管线运行状态,实时参数和报警栏显示; ④各种操作、报警、事件及系统信息记录和打印; ⑤各种事件、报警、系
统状态归档,实时趋势和平衡周期性归档; ⑥各种报表、曲线及图形的生成和打印; ⑦对管道