李華杰

(中石油中亞天然氣管道公司，北京100007)

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天然氣管道SCADA系統(tǒng)建設(shè)與研究

李華杰

(中石油中亞天然氣管道公司，北京100007)

摘要：為確保中哈天然氣管道在境外達到“站場無人操作、有人值守”和“閥室無人值守”的運營能力，采用了先進的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集SCADA(supervisory control and data acquisition)系統(tǒng)。完整分析了SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和調(diào)控中心，輸氣管理處,輸氣站控,站場設(shè)備,線路截斷閥室,北京調(diào)控中心的功能、配置、數(shù)據(jù)傳輸和控制原理，為境外長輸油氣管道的自動化建設(shè)提供了經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：天然氣管道監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)自動化

中亞天然氣管道作為國內(nèi)首條長距離跨越多國的天然氣管道，采用雙管鋪設(shè)，單線全長1 833 km。 該項目從2008年7月正式開工建設(shè)，于2010年8月底實現(xiàn)雙線通氣。中哈天然氣管道作為該管道的一部分，采用了監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集SCADA(supervisory control and data acquisition)系統(tǒng)作為管道投產(chǎn)運營之后的主要管理手段，其先進與否在很大程度上決定了管道的科技水平。

1SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，應用于電力、冶金、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制及過程控制等，通過主機和以微處理器為基礎(chǔ)的遠程終端設(shè)備RTU(remote terminal unit)、PLC及其他輸入/輸出設(shè)備的通信，實現(xiàn)整個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，從而保證系統(tǒng)的安全運作及優(yōu)化控制。SCADA系統(tǒng)非常適用于長距離、遠程設(shè)備對象，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能[2-5]。

中哈天然氣管道SCADA系統(tǒng)由調(diào)控中心、管理處、站場控制系統(tǒng)和閥室控制系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)實際特征和需要，該系統(tǒng)分為三層(級)控制： 調(diào)控中心遠程操控；獲得調(diào)控中心授權(quán)的各站場站控室控制；操作人員現(xiàn)場控制。在一般情況下，由調(diào)控中心遠程控制，站場可以實現(xiàn)無人值守或者僅有操作人員處于監(jiān)視狀態(tài)，現(xiàn)場沒有控制權(quán)。在某些情況下，調(diào)控中心可以授權(quán)站場，使站場操作人員具有控制權(quán)，此時調(diào)控中心處于監(jiān)視狀態(tài)。在某些特殊情況下，可以由現(xiàn)場人員直接操作控制。分層控制既劃清了調(diào)控中心和站場之間的職責和權(quán)力范圍，避免了控制沖突，同時又兼顧各種可能發(fā)生的情況及應該采取的措施，極大地豐富和提高了管道運行和管理的策略性和靈活性。

整個SCADA系統(tǒng)采用SCADA Vantager系列軟件產(chǎn)品，各站場的控制設(shè)備采用AC800M系列PLC，截斷閥室采用RTU560C遠程終端設(shè)備。作為主要負責采集數(shù)據(jù)和控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖1所示。數(shù)據(jù)從現(xiàn)場的設(shè)備層被采集，送到各站場的控制設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備層，再經(jīng)過隨管道鋪設(shè)的光纖或者衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳至調(diào)控中心(通常狀態(tài)是通過光纖傳輸，在特殊情況下切換到備用的衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。調(diào)控中心的命令經(jīng)過光纖或者衛(wèi)星系統(tǒng)傳至各站場，再由各站場的控制設(shè)備下達至具體的設(shè)備層，實現(xiàn)命令的執(zhí)行。同時，在各站場的控制層也可實現(xiàn)對設(shè)備層數(shù)據(jù)的采集和命令的下達。

圖1　SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意

該SCADA系統(tǒng)采用多種通信協(xié)議，符合中哈天然氣管道的實際特征。從現(xiàn)場設(shè)備層往上直到調(diào)控中心層，擁有許多不用的設(shè)備，各設(shè)備的接口也不盡一致，這就導致從最底層的現(xiàn)場設(shè)備層到站場的服務(wù)器的通信協(xié)議有多種，如Profibus，Modbus，串行口，以太網(wǎng)口等。而從站場服務(wù)器到調(diào)控中心服務(wù)器，則均采用冗余的OPC通信。同時，站場的服務(wù)器和現(xiàn)場的PLC之間也采用OPC

通信。該配置既保證了各設(shè)備能正常通信，又有效地保證了一致性，擁有諸多好處。

2調(diào)控中心

2.1調(diào)控中心的功能和結(jié)構(gòu)

調(diào)控中心處于三級控制的最頂層，起到對整條管道集中管理和監(jiān)控的功能。調(diào)控中心接收來自各個站場和RTU閥室的上傳數(shù)據(jù)，同時調(diào)度員可以根據(jù)管道的運行情況對壓氣站和RTU閥室的設(shè)備進行遠程控制。調(diào)控中心的數(shù)據(jù)可上傳至位于北京的中國石油調(diào)控中心和位于阿斯塔納的哈薩克斯坦國家油氣公司的調(diào)控中心。

調(diào)控中心的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要設(shè)備包括： 實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師工作站及在線模擬仿真系統(tǒng)、離線仿真系統(tǒng)、操作員工作站、大屏幕、打印機、光纖路由器等光纖通信設(shè)備、衛(wèi)星路由器及天線等衛(wèi)星通信設(shè)備。重要設(shè)備如服務(wù)器、工作站、通信網(wǎng)絡(luò)等都采用冗余配置，當目前設(shè)備出現(xiàn)故障時，自動切換到熱冗余的備用設(shè)備，提高了調(diào)控中心的故障容忍性和生產(chǎn)連續(xù)性。特別是調(diào)控中心與各站場和閥室的通信，在一般狀態(tài)下通過光纖通信，在特殊情況下可切換到衛(wèi)星通信，保證了調(diào)控中心與現(xiàn)場通信的雙重冗余。調(diào)控中心與各站場間采用目前在工業(yè)領(lǐng)域應用很廣泛的OPC通信協(xié)議。調(diào)控中心作為OPC的服務(wù)器，各站場和閥室作為OPC的客戶端，通過服務(wù)器/客戶端模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

圖2　中哈天然氣管道調(diào)控中心結(jié)構(gòu)示意

實時數(shù)據(jù)服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器是調(diào)控中心的核心設(shè)備，實質(zhì)上是兩個數(shù)據(jù)庫： 實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。實時服務(wù)器負責實時接收和預處理來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)并提交給操作員站實時監(jiān)控，例如實時趨勢圖和設(shè)備實時狀態(tài)等。操作員通過操作員站下達的命令也通過實時服務(wù)器處理，然后下達至相應的站場和設(shè)備層。實時服務(wù)器處理的所有數(shù)據(jù)都同步傳至歷史服務(wù)器作長期記錄，在此存放與調(diào)控中心相關(guān)的一切數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)、下達的指令、事件和報警記錄等。

工程師站是調(diào)控中心的配置站，對調(diào)控中心所作的調(diào)整都應該在這里進行，與操作員站構(gòu)成了調(diào)控中心的兩個對外窗口。通過工程師站可以修改實時服務(wù)器、歷史服務(wù)器、通信配置等參數(shù)，但不可直接在此下達調(diào)控指令。操作員站是調(diào)控中心的操作平臺，實現(xiàn)監(jiān)控和管理管道的功能。通過操作員站，可以實時監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備、下達操控指令，自動生成日報、周報或者月報。調(diào)控中心的大屏幕和操作員站連在一起，大屏幕實時展現(xiàn)操作員站的界面內(nèi)容。

2.2調(diào)控中心的配置

實時數(shù)據(jù)服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器均采用HP DL580G5，裝有SCADA Vantager服務(wù)器軟件。調(diào)控中心設(shè)有存儲量巨大的磁盤陣列作為歷史數(shù)據(jù)存放處，采用Oceanspace+V1300N，HMI(human machine interface)作為應用層面，設(shè)有工程師站、操作員站和仿真操作站。工程師站配置HP Z400工作站，裝置有OPC通信軟件、SCADA Vantager客戶端軟件等。操作員站配置HP Z400工作站，裝置流程圖畫面等人機界面程序。仿真操作站配置HP DL350G6，裝置Stoner仿真軟件，通過仿真軟件模擬管道的動態(tài)運行，對管道的實際運行起預測和分析作用，并可用于培訓調(diào)度員。

3輸氣站場的控制系統(tǒng)

3.1輸氣站場控制系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

各輸氣站場是最基層的管理單元，直接面對生產(chǎn)過程和裝置，是各個站場的大腦。各站場的控制系統(tǒng)構(gòu)成了SCADA系統(tǒng)的核心支撐部件和主體，它既可只具備監(jiān)視功能，由調(diào)控中心直接管理站場，也可以切換到站場獨立管理控制站場的模式[6-7]。

站場控制系統(tǒng)按照功能可分為3個子系統(tǒng)： 站控系統(tǒng)SCS(station control system)、火氣系統(tǒng)FGS(fire & gas system)、緊急停車系統(tǒng)ESD(emergency shutdown device)。其中，SCS負責站場的日常生產(chǎn)控制，與生產(chǎn)相關(guān)的各儀表、設(shè)備等均連到SCS；FGS負責處理在站場出現(xiàn)火焰或氣體泄漏等緊急事故后的報警和滅火事宜，主要是將可燃氣體探頭、火焰探頭、消防控制器等設(shè)備連至FGS；ESD是在站場發(fā)生緊急情況時為避免危險采用的，按照危險程度分為三級： 全站停產(chǎn)并放空、壓縮機組停產(chǎn)并放空、壓縮機組停產(chǎn)不放空。

按照站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為兩層： 上位機層；下位機和現(xiàn)場設(shè)備層。上位機層由冗余服務(wù)器、工程師站、操作員站、通信網(wǎng)絡(luò)等通信設(shè)備、打印機等設(shè)備構(gòu)成；下位機層由PLC系統(tǒng)、站場各具有遠控功能的儀表和設(shè)備構(gòu)成。重要設(shè)備如服務(wù)器、PLC、工程師站、操作員站等都采用冗余配置，確保在運行設(shè)備出現(xiàn)故障時仍不影響生產(chǎn)。

服務(wù)器和PLC是站控系統(tǒng)的核心。服務(wù)器負責接收來自現(xiàn)場第三方設(shè)備和PLC的數(shù)據(jù)并預處理，然后呈給操作員站實時監(jiān)控并傳送至調(diào)控中心。同樣，操作員站下達的指令或來自調(diào)控中心的指令經(jīng)由服務(wù)器直接到第三方設(shè)備或通過PLC下達至各現(xiàn)場儀表及設(shè)備。工程師站負責修改站控系統(tǒng)的配置。操作員站供操作員實時監(jiān)控整個站場。通信設(shè)備負責連通站場和調(diào)控中心，在站場端也有光纖通信和衛(wèi)星通信兩種模式，在通常情況下采用光纖通信，衛(wèi)星通信作為備用。站場SCADA服務(wù)器通過OPC協(xié)議和PLC系統(tǒng)間通信，此時，SCADA作為服務(wù)器，PLC作為客戶端。SCADA服務(wù)器在和調(diào)控中心SCADA服務(wù)器通信時，站場端SCADA服務(wù)器為OPC客戶端，調(diào)控中心端SCADA作為服務(wù)器。

下位機的PLC作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理和通信的核心，處于服務(wù)器和現(xiàn)場設(shè)備的中間層，具有采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、預處理數(shù)據(jù)、實現(xiàn)自動控制邏輯、與上位機通信、執(zhí)行上位機指令的功能。PLC與I/O模塊之間采用Profibus協(xié)議。位于站場附近的清管站也有站場控制。清管站沒有PLC等控制系統(tǒng)，僅有I/O模塊，它通過Modbus協(xié)議連至站場的SCS PLC和FGS PLC，在站場控制系統(tǒng)內(nèi)統(tǒng)一控制清管站。如上文所述，站控系統(tǒng)包括SCS PLC,FSG PLC,ESD PLC，分別承擔各自的功能。SCS PLC 連接現(xiàn)場生產(chǎn)相關(guān)的儀表及設(shè)備部分第三方設(shè)備，實現(xiàn)對生產(chǎn)的控制；FGS PLC連接現(xiàn)場的各火焰、氣體、溫度探頭和火災控制器、消防泵、二氧化碳滅火裝置等消防裝置，實現(xiàn)在出現(xiàn)火災和氣體泄漏等情況下及時發(fā)現(xiàn)并處理；ESD PLC連接現(xiàn)場的各ESD閥等設(shè)備，在站場出現(xiàn)緊急情況時，緊急停車關(guān)斷，保障站場人員和設(shè)備的安全。

SCS PLC，F(xiàn)GS PLC和ESD PLC既各自獨立，又互相統(tǒng)一。例如，火焰探頭發(fā)現(xiàn)某處有火焰，F(xiàn)GS PLC會先進行邏輯判斷并響應，如站場警報拉響、滅火裝置啟動等，如果情況嚴重，F(xiàn)GS PLC還會通知ESD PLC采取動作避免產(chǎn)生事故。FGS PLC 和ESD PLC都根據(jù)站場的邏輯程序和因果關(guān)系預置了各種情況發(fā)生時的應對措施，實現(xiàn)了安全自動化。

站場還有一部分第三方設(shè)備不經(jīng)過PLC系統(tǒng)，直接接入服務(wù)器，如壓縮機組控制系統(tǒng)、發(fā)電機組控制系統(tǒng)等。通常，這些設(shè)備都采用以太網(wǎng)口或者串行口通信，因而通過站控系統(tǒng)就可以操控這些第三方設(shè)備，實現(xiàn)全站設(shè)備的自動化。

3.2輸氣站場控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及配置

站控系統(tǒng)硬件和軟件配置： 數(shù)據(jù)服務(wù)器采用HP DL388G6，該機器上配備SCADA Vantager服務(wù)器軟件，負責數(shù)據(jù)處理和存儲。工程師站和操作員站都采用HP Z400工作站，工程師站裝有SCADA Vantager客戶端和AC 800M系列PLC的組態(tài)軟件Control BuilderM等，供工程師根據(jù)需要組態(tài)PLC和服務(wù)器并進行故障診斷；操作員站裝有SCADA Vantager操作界面，供操作員監(jiān)控全站的設(shè)備和儀表，了解站內(nèi)各區(qū)域的狀態(tài)。SCS，ESD和FGS都采用AC 800M系列PLC控制器，接收來自HMI層面的指令。

工程師站安裝的Control Biulder M 軟件通過RS-232/以太網(wǎng)協(xié)議和PLC連接，對PLC進行修改配置。PLC通過OPC協(xié)議和站場SCADA服務(wù)器通信，通過SCADA Vantage軟件處理實時數(shù)據(jù)，并可通過SQL數(shù)據(jù)庫軟件將實時數(shù)據(jù)導入歷史數(shù)據(jù)庫中。操作員站安裝SCADA Vantager客戶端和通過VB6開發(fā)人機界面軟件。同時，還可以通過工程師站安裝的VB6開發(fā)改進HMI軟件，整個軟件系統(tǒng)圍繞SCADA Vantager展開，具有很強的靈活性。

4計量站控制系統(tǒng)

4.1計量站控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

計量站為天然氣的貿(mào)易交割提供依據(jù)和保障，關(guān)系到天然氣買賣雙方和管道業(yè)主及各過境國等各方的實質(zhì)利益，是中亞管道最重要的組成部分之一。中哈管道的2座計量站的控制系統(tǒng)基本和輸氣站場的控制系統(tǒng)相同，具有同樣的結(jié)構(gòu)。計量站以計量為主，核心設(shè)備是超聲波流量計，沒有壓縮機組，因而其結(jié)構(gòu)相對于輸氣站場更為簡單。

計量站控制系統(tǒng)按功能也劃分為SCS，F(xiàn)GS，ESD3個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能與站場控制系統(tǒng)一致。計量站控制系統(tǒng)的獨特之處，即通過串口/以太網(wǎng)口將流量計算機和分析小屋等計量和氣體分析的數(shù)據(jù)連入站場SCADA服務(wù)器。

4.2計量站控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及配置

計量站控制系統(tǒng)的硬件和軟件配置與站場的配置相同。

5線路截斷閥室的控制系統(tǒng)

干線閥室起到緊急情況下關(guān)斷閥室、保障管道安全、減小影響的作用。此外，通過干線閥室安裝的儀表可以及時有效地獲得管道和氣體參數(shù)。根據(jù)實際需要，中哈天然氣管道全線的33座閥室裝有RTU系統(tǒng)，與傳統(tǒng)閥室相比，裝有RTU系統(tǒng)的閥室不僅可以實現(xiàn)遠程操控，還使RTU閥室具備自動控制功能，通過預先設(shè)置的邏輯程序，在出現(xiàn)某種情況時RTU系統(tǒng)自動操作，提高了干線管道的自動化水平。干線RTU閥室是整個管道SCADA系統(tǒng)的重要組成部分，它使各站場不再是孤立的單點，使管道管理層和調(diào)度員對管道的信息掌握得更全面和準確。

RTU閥室的結(jié)構(gòu)和站場控制系統(tǒng)一樣，也分為上位機層和下位機層，但結(jié)構(gòu)和設(shè)備比站場系統(tǒng)簡單得多。上位機層包括觸摸屏構(gòu)成的人機界面ADVANTECH TPC-1770H和通信設(shè)備；下位機包括專用于小型遠程控制的的RTU 560C系統(tǒng)。

RTU560C和通信設(shè)施采用冗余配置。RTU 560CI/O系統(tǒng)接收閥室現(xiàn)場儀表等設(shè)備的數(shù)據(jù)，傳至RTU560C 系統(tǒng)預處理后，實時呈現(xiàn)給觸摸屏HMI，同時通過安裝于閥室的光纖通信設(shè)備傳至調(diào)控中心(與站場鄰近的RTU閥室的數(shù)據(jù)先傳至站場控制系統(tǒng)，然后由站場控制系統(tǒng)傳至調(diào)控中心)。調(diào)控中心指令的傳遞沿此路徑反向傳遞，可以操控閥室的截斷閥等設(shè)備。

操作員除了可以遠程操控閥室，還可以在現(xiàn)場通過觸摸屏上位機直觀獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)并操控閥室。當RTU檢測到數(shù)據(jù)超過報警限就會產(chǎn)生報警信號，如果根據(jù)植入的邏輯程序判斷情況比較嚴重，就會產(chǎn)生動作，關(guān)斷閥室，保障管道的安全。

6輸氣管理處監(jiān)視系統(tǒng)

根據(jù)需要，中哈天然氣管道在管道途徑的三個州設(shè)有3處輸氣管理處，作為當?shù)氐倪\行管理機構(gòu)。每個輸氣管理處都具備監(jiān)視功能，但不具備控制功能。根據(jù)設(shè)立原則，輸氣管理處的監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，僅有1只路由器接收來自調(diào)控中心的實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過監(jiān)視計算機提供管道運行相關(guān)信息，供管理處層級人員指導生產(chǎn)。

7結(jié)論

中哈管道SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡，功能強大，將管道沿線的各輸氣站場、清管站、計量站、RTU閥室、管理處和調(diào)控中心有機連接成一個整體，實現(xiàn)了中哈天然氣管道的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)向國內(nèi)調(diào)控中心的傳輸。截至2014年SCADA系統(tǒng)已連續(xù)運行3年多，有力確保了海外管道的安全生產(chǎn)。

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Construction and Study of SCADA System of Natural Gas Pipeline

Li Huajie

(Trans-Asia Gas Pipeline Company Limited, Beijing, 100007, China)

Abstract：In order to fulfill the purpose of “station unmanned operation, only duty” and “valve chamber unmanned operation” at oversea, China-Kazakhstan natural gas pipeline adopts advanced SCADA (supervisory control and data acquisition) system. The structure, regulation control center, gas management office, gas transportation station, station equipments, line block valve chambers, and functions, configuration, data transmission, control principles of Beijing control center are completely analyzed for SCADA system.

Key words：natural gas pipeline; monitoring and data acquiring; structure; automation

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0024-04

作者簡介：李華杰(1983—)，男，湖北枝江人，2009年畢業(yè)于清華大學自動化專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)就職于中石油中亞天然氣管道有限公司，主要從事自控、信息化方面的研究，任工程師。

稿件收到日期： 2014-11-27。