徐海峰 李傳高 王漢文

（中國(guó)石油西氣東輸管道分公司蘇浙滬管理處無錫維修隊(duì)，江蘇 無錫 214101）

1 引言

西氣東輸天然氣管網(wǎng)作為國(guó)家能源的重要的重要組成部分——天然氣的載體，其戰(zhàn)略安全事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大局。隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，全國(guó)城市天然氣的用氣量也以成倍增長(zhǎng)的速率在不斷突破，是以對(duì)管道天然氣的安全平穩(wěn)運(yùn)行提出巨大的挑戰(zhàn)。但傳統(tǒng)的人工記錄、逐級(jí)匯報(bào)的長(zhǎng)輸管線監(jiān)控方式已不能滿足信息的及時(shí)性和在線可控性的要求，所以在西氣東輸天然氣管網(wǎng)，為滿足對(duì)生產(chǎn)過程的調(diào)度指揮，保證輸氣的安全可靠我們引進(jìn)了集數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控一體的SCADA系統(tǒng)。

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與遠(yuǎn)程調(diào)度相結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、天然氣集輸、石油化工等諸多領(lǐng)域。它在遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中占重要地位,可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。正在西氣東輸SCADA系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程的自動(dòng)控制，對(duì)工藝流程進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)的監(jiān)視，并為生產(chǎn)、調(diào)度和管理提供必要的數(shù)據(jù)等多方面功能。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

西氣東輸SCADA系統(tǒng)由典型站控系統(tǒng)、清管站和遠(yuǎn)控閥室（RTU）系統(tǒng)、操作區(qū)監(jiān)視系統(tǒng)、調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)以及其系統(tǒng)軟件和系統(tǒng)通訊協(xié)議組成，各控系統(tǒng)通過光纖設(shè)備與調(diào)度中心相連，構(gòu)成生產(chǎn)過程本地控系統(tǒng)監(jiān)控與調(diào)度中心遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合的雙層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1

圖2

典型的站控系統(tǒng)由操作員工作站為運(yùn)行人員提供人性化的界面，運(yùn)行人員通過工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并自動(dòng)完成歸檔存儲(chǔ)，報(bào)表打印等功能；系統(tǒng)通訊采用RCI（遠(yuǎn)程通訊接口）承載著與PCL可編程自動(dòng)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通訊，其中第三方設(shè)備包括：流量計(jì)算機(jī)、色譜分析儀、低壓配電盤電力參數(shù)采集、UPS、發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)等。他們之間的通訊采用MODBUS RTU協(xié)議，連接方式RS232或RS485，同PLC之間的連接方式為以太網(wǎng)；PLC系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的控制核心，用于檢測(cè)工藝過程的壓力、溫度、可燃?xì)怏w濃度等信息，并對(duì)可控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制 ，后期的維護(hù)工作也主要集中在這一部分，包括現(xiàn)場(chǎng)更換設(shè)備也需要對(duì)這部分設(shè)備進(jìn)行操作；ESD控制系統(tǒng)選用德國(guó)HIMA F30系列可編程控制器，用于連鎖保護(hù)和緊急停車，它以按鈕的形式觸發(fā)，觸發(fā)后，ESD系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存觸發(fā)條件3S，以保證PLC和上位機(jī)能夠采集到。當(dāng)ESD觸發(fā)后，上位機(jī)立刻產(chǎn)生ESD觸發(fā)報(bào)警和觸發(fā)條件報(bào)警，此時(shí)ESD系統(tǒng)會(huì)同時(shí)關(guān)閉進(jìn)站閥、安全截?cái)嚅y、出站閥，對(duì)于壓氣站來說，還要同時(shí)開越站閥XV1101，在進(jìn)站閥和安全截?cái)嚅y全都關(guān)到位后，打開進(jìn)站放空閥，當(dāng)出站閥和安全截?cái)嚅y全都關(guān)到位后，打開出站放空閥。這些過程都完成后，上位機(jī)產(chǎn)生ESD過程完成的報(bào)警，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有完成，上位機(jī)也會(huì)產(chǎn)生ESD過程故障報(bào)警；同時(shí)配備打印機(jī)打印報(bào)警、生產(chǎn)報(bào)表和曲線等。

上位機(jī)操作界面以德國(guó)Cegelec的Viewstar2000軟件為平臺(tái)開發(fā)，能夠顯示所有工藝流程、過程參數(shù)、趨勢(shì)圖、監(jiān)控主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和輸氣過程，完成報(bào)警和各種管理報(bào)表的打印以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的功能。

調(diào)度中心由服務(wù)器和光纖連接設(shè)備構(gòu)成。服務(wù)器通過光纖連接設(shè)備，實(shí)時(shí)讀取各輸氣站中PLC控制單元內(nèi)的數(shù)據(jù)，并通過Viewstar2000軟件平臺(tái)，顯示各站的所有工藝流程、過程參數(shù)、趨勢(shì)圖，監(jiān)控各站主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，打印各種管理報(bào)表以及存儲(chǔ)各站組要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)各部分主要功能及實(shí)現(xiàn)

3.1 輸氣站站控部分功能與特點(diǎn)

3.1.1 計(jì)量功能

對(duì)于小口徑如 DN50D、N80、DN100 和ND150西氣東輸采用的是的博斯特和阿爾斯特渦輪流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量數(shù)據(jù)的采集，而大口徑如 DN150、DN200、DN250和 DN300采用的是超聲波流量計(jì)作為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量數(shù)據(jù)的采集，測(cè)量顯示精度0.5%，完全能夠滿足天然氣計(jì)量需要。流量計(jì)算儀中的參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單、透明，保證了計(jì)量的公平、公正、公開。流量計(jì)算儀還具有強(qiáng)大的通信接口，通過通信接口將差壓、壓力、溫度、流速、累計(jì)流量等重要計(jì)量參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并在上位機(jī)操作界面中顯示，方便值班人員對(duì)計(jì)量過程的監(jiān)控（見圖 1）。

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)功能

根據(jù)輸氣站站場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)的操作界面具有簡(jiǎn)明、直觀和便于操作的特點(diǎn)，并且能夠?qū)崟r(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量參數(shù)、進(jìn)出站壓力、進(jìn)出站溫度、地溫、重要電動(dòng)球閥狀態(tài)等一系列重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)，值班人員通過查看計(jì)算機(jī)操作界面便可全面了解現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況。另外，通過操作界面可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重要電動(dòng)球閥進(jìn)行控制，特別是在緊急事故發(fā)生時(shí)，值班人員在控制室里能夠快速完成電動(dòng)球閥的開關(guān)工作，提高了生產(chǎn)的安全系數(shù)（見圖2）。

3.1.3 強(qiáng)大的報(bào)警功能

系統(tǒng)中采用聲光結(jié)合的報(bào)警方式，并加以文字在操作界面的報(bào)警窗口加以說明，確保在第一時(shí)間通知值班人員報(bào)警產(chǎn)生的原因和位置，確保安全平穩(wěn)生產(chǎn)。報(bào)警包括：站場(chǎng)可燃?xì)怏w超標(biāo)報(bào)警；進(jìn)出站壓力超標(biāo)報(bào)警；計(jì)量支路差壓值超標(biāo)報(bào)警；重要電動(dòng)球閥開關(guān)動(dòng)作報(bào)警；計(jì)量?jī)x表連接狀態(tài)報(bào)警（見圖3）。

圖3

圖4

3.1.4 豐富的歷史曲線

系統(tǒng)中提供了各計(jì)量支路中的壓力、差壓、溫度、瞬時(shí)流量計(jì)量參數(shù)和進(jìn)出站壓力等參數(shù)的趨勢(shì)曲線，通過曲線可針對(duì)某時(shí)段具體分析天然氣計(jì)量參數(shù)變化趨勢(shì)，對(duì)分析輸差，調(diào)配氣量，檢測(cè)儀表提供重要的輔助作用（見圖4）。

3.1.5 按時(shí)自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表

根據(jù)生產(chǎn)需要，系統(tǒng)每小時(shí)自動(dòng)生成一份生產(chǎn)報(bào)表，報(bào)表中包括重要電動(dòng)球閥狀態(tài)、各支路計(jì)量參數(shù)數(shù)值及進(jìn)出站壓力值等參數(shù)。作為生產(chǎn)重要資料，報(bào)表可連續(xù)保存一個(gè)月，并可根據(jù)實(shí)際需要延長(zhǎng)保存時(shí)間。

3.1.6 參數(shù)設(shè)定功能

由于天然氣組分的不定性，需要定時(shí)的根據(jù)天然氣氣體組分檢測(cè)報(bào)告修改流量計(jì)算儀中的天然氣組分確保計(jì)量的準(zhǔn)確，因此系統(tǒng)提供了天然氣組分設(shè)定界面，通過計(jì)算機(jī)通信接口與流量計(jì)算儀進(jìn)行通信，直接將操作界面設(shè)定的參數(shù)寫入流量計(jì)算儀，完成流量計(jì)算儀中的天然氣組分設(shè)定。另外，系統(tǒng)還提供了壓力變送器、差壓變送器、溫度變送器量程設(shè)定功能，實(shí)現(xiàn)根據(jù)變送器量程的改變重新設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，來確保變送器顯示數(shù)值的正確性，滿足生產(chǎn)需要（見圖5）。

3.1.7 可靠的安全性

圖5

圖6

系統(tǒng)采用權(quán)限操作方式，即不同操作權(quán)限的操作人員只能操作本權(quán)限內(nèi)的功能。系統(tǒng)中一般操作人員可以實(shí)現(xiàn)讀取工藝參數(shù)，讀取報(bào)表，查看趨勢(shì)曲線和報(bào)警的功能。通過登陸密碼登陸，獲取高級(jí)權(quán)限的操作人員，可以獲得生產(chǎn)參數(shù)的修改和電動(dòng)球閥控制的功能。繼續(xù)登陸，獲得更高權(quán)限的操作人員則可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改和完善。通過這樣的權(quán)限設(shè)置，一方面，避免了誤操作對(duì)生產(chǎn)造成影響，另一方面，可以保證生產(chǎn)參數(shù)的安全性，確保正常生產(chǎn)。

3.2 閥室SCADA系統(tǒng)簡(jiǎn)介

清管站和遠(yuǎn)控閥室（RTU）系統(tǒng)由RCI和RTU等設(shè)備組成RTU選用法國(guó)MODICON COMPACT系列可編程控制器，用于檢測(cè)工藝過程的壓力、溫度、可燃?xì)怏w濃度等信息，并對(duì)線路緊急截?cái)嚅y進(jìn)行監(jiān)視和控制。RCI用于收集RTU和第三方智能設(shè)備（太陽(yáng)能蓄電池、氣液聯(lián)動(dòng)閥等）的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳調(diào)度中心。

RCI選用的是Advantech（研華）的UNO-2059-GDA1產(chǎn)品，需要單獨(dú)配備一塊Advantech的64M內(nèi)存卡，型號(hào)為SDCFB-64-101-80，該模塊的主要功能是將RTU的串口通訊轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)通訊，接至通訊廠家提供的路由器上。

3.3 調(diào)度中心的功能與特點(diǎn)

遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控是SCADA系統(tǒng)優(yōu)于其它自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)最大的特點(diǎn)，在蘇浙滬全線SCADA系統(tǒng)中，調(diào)度中心的作用就是這一特點(diǎn)的充分體現(xiàn)。調(diào)度中心的操作界面如圖6所示：

在調(diào)度中心的操作界面中可以讀取SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的所有輸氣站的生產(chǎn)參數(shù)，并且可以通過點(diǎn)擊各輸氣站的圖標(biāo)，調(diào)出各輸氣站的操作界面進(jìn)行監(jiān)控。通過調(diào)度中心操作系統(tǒng)，調(diào)度人員可以在第一時(shí)間，更加直觀的了解到SCADA系統(tǒng)內(nèi)任意輸氣站的生產(chǎn)情況。另外，調(diào)度中心配有大容量硬盤空間，可以長(zhǎng)時(shí)間保存必要的生產(chǎn)參數(shù)。目前，調(diào)度中心服務(wù)器及有關(guān)軟件已經(jīng)調(diào)試通過，待光纖通信設(shè)備調(diào)試通過后，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)SCADA系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的強(qiáng)大功能。

4 總結(jié)

西氣東輸全線SCADA系統(tǒng)各輸氣站站控系統(tǒng)先后投用至今，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便，深受操作人員的歡迎。站控系統(tǒng)成功投運(yùn)后，充分發(fā)揮了自動(dòng)化全天候監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，節(jié)省了人力，確保了安全生產(chǎn)、平穩(wěn)供氣。另外，SCADA系統(tǒng)具有豐富的擴(kuò)展功能，新開發(fā)建設(shè)的輸氣站可輕松接入本系統(tǒng)中。

[1]段沖等，SCADA系統(tǒng)在西氣東輸管道中的應(yīng)用[J]，石油工程建筑，2007，33（4）5～7。