孟韓(中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心,北京 100007)

SCADA系統(tǒng)在油氣管道中的發(fā)展與應(yīng)用研究

孟韓(中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心,北京 100007)

本文針對(duì)油氣管道在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合成熟的計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，深入研究SCADA系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展歷史，分析SCADA系統(tǒng)的基本功能和結(jié)構(gòu)組成，討論目前SCADA系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況，最終得出SCADA系統(tǒng)得到迅速發(fā)展的原因。研究表明：基于計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)的SCADA系統(tǒng)功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，能快速反饋油氣管道運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)管道進(jìn)行簡(jiǎn)單的保護(hù)，使整個(gè)油氣輸送過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能有效的保障油氣管道的安全。未來(lái)仍需要對(duì)SCADA系統(tǒng)的圖像化顯示功能進(jìn)行深入研究，簡(jiǎn)化工作人員判斷管道缺陷的方式。

SCADA系統(tǒng)；油氣管道；發(fā)展；結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

0 引言

SCADA系統(tǒng)(即監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))主要是在調(diào)控中心通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控以及控制等功能，其主要功能包括數(shù)據(jù)采集、危險(xiǎn)報(bào)警以及簡(jiǎn)單保護(hù)等方面，主要應(yīng)用與跨度較大的領(lǐng)域，比如電力、油氣以及水利等領(lǐng)域。

SCADA系統(tǒng)在油氣管道系統(tǒng)和電力系統(tǒng)應(yīng)用有一定的相似之處，兩者的跨度都比較大，通過(guò)人力對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和處理簡(jiǎn)單故障比較困難；兩者都需要24h運(yùn)行。因此SCADA系統(tǒng)開(kāi)始在油氣管道系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

通過(guò)SCADA系統(tǒng)，工作人員只需要在調(diào)控中心簡(jiǎn)單操作就可以得到管道運(yùn)行中的各種信息。不需要人為監(jiān)控管道或周期性的檢修管道就可以得到管道的缺陷信息，并對(duì)運(yùn)行設(shè)備的各種故障發(fā)出報(bào)警，方便工作人員的維修。同時(shí)，SCADA系統(tǒng)還提供簡(jiǎn)單的保護(hù)功能，對(duì)油氣輸送過(guò)程中的緊急停站等問(wèn)題提供保護(hù)，增強(qiáng)了油氣輸送管道的安全系數(shù)。但是目前來(lái)說(shuō)，SCADA系統(tǒng)使用中仍存在一定的問(wèn)題，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行研究十分必要。

1 SCADA系統(tǒng)在油氣管道中的發(fā)展

1.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r

SCADA系統(tǒng)最早在20世紀(jì)60年代被提出，最初的SCADA系統(tǒng)不夠成熟，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控功能，而設(shè)備的管理仍需要相關(guān)工作人員進(jìn)行操作，因此故障較多。在20世紀(jì)70年代，隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，SCADA系統(tǒng)也得到了一定的發(fā)展，到70年代中期，SCADA系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。在80年代，隨著智能化的發(fā)展，SCADA系統(tǒng)的功能得到了更大的完善，開(kāi)始實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能[2]。在20世紀(jì)90年代，隨著自動(dòng)化技術(shù)和智能化技術(shù)的相互結(jié)合，SCADA系統(tǒng)開(kāi)始具備集散控制功能，朝著遠(yuǎn)程分散控制以及集中監(jiān)控管理的方向發(fā)展，此時(shí)的主機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了獲取遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的功能，并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和處理，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單故障進(jìn)行保護(hù)。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)對(duì)SCADA系統(tǒng)的研究起步較晚，在20世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)系統(tǒng)，在90年代，我國(guó)的一些電力公司和油氣企業(yè)開(kāi)始自主研發(fā)SCADA系統(tǒng)。目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)的SCADA系統(tǒng)正處于高速發(fā)展的關(guān)鍵階段，但是該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)管道中的應(yīng)用水平差距較大，甚至某些管道仍然使用人工調(diào)度的方式，人工調(diào)度耗費(fèi)人力資源較多，出現(xiàn)問(wèn)題無(wú)法及時(shí)處理，無(wú)法適應(yīng)社會(huì)的快速發(fā)展[3]。在90年代后期建設(shè)的管道大多數(shù)都采用了先進(jìn)的SCADA系統(tǒng)。

在20世紀(jì)后期，國(guó)內(nèi)的SCADA系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)形式，分別是集中結(jié)構(gòu)、分布結(jié)構(gòu)以及復(fù)合結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)形式雖然相對(duì)來(lái)說(shuō)比較先進(jìn)，但是仍然不夠智能化。進(jìn)入21世紀(jì)以后，市場(chǎng)上出現(xiàn)了基于云技術(shù)的SCADA系統(tǒng)?；谠萍夹g(shù)的SCADA系統(tǒng)就是將計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)相結(jié)合，可以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)靈活性和安全性的要求，這種SCADA系統(tǒng)主要有四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)可升級(jí)；(2)成本低；(3)能力強(qiáng)；(4)推廣快。

2 SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)功能

SCADA系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，一部分是站場(chǎng)設(shè)備，包括各種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控功能，同時(shí)存在各種保護(hù)裝置，對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的簡(jiǎn)單問(wèn)題進(jìn)行保護(hù)，站場(chǎng)內(nèi)裝有路由器和各種信息收發(fā)器，以便對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的問(wèn)題反饋給工作人員和得到工作人員的處理信號(hào)[4]。另一部分是調(diào)控中心，該部分主要由工作人員進(jìn)行操作，工作人員得到遠(yuǎn)程傳輸回來(lái)的報(bào)警信號(hào)和缺陷信息，制定相關(guān)對(duì)策，反饋給遠(yuǎn)程終端或人工對(duì)管道進(jìn)行開(kāi)挖修補(bǔ)。SCADA系統(tǒng)的主要功能如下表1所示。

表1 SCADA系統(tǒng)的功能

2.1 特點(diǎn)

SCADA系統(tǒng)主要有四個(gè)優(yōu)勢(shì)較大的特點(diǎn)。正是基于這四個(gè)特點(diǎn)，SCADA系統(tǒng)才得到了廣泛的應(yīng)用。

(1)通訊準(zhǔn)確迅速。SCADA系統(tǒng)主要通過(guò)有線(xiàn)光纖進(jìn)行通訊，這種通訊方式能有效保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確度。

(2)可靠性高。SCADA系統(tǒng)中采用的設(shè)備性能較高，使其能在惡劣條件下運(yùn)行。并對(duì)比較重要的監(jiān)控設(shè)備采用了冗余的設(shè)計(jì)方式，保障了監(jiān)控的可靠性。每條控制回路除了自動(dòng)控制外，還設(shè)有手動(dòng)操作的后備選項(xiàng)，當(dāng)自動(dòng)控制無(wú)法工作或?qū)χ匾幕芈?，可以采用手?dòng)控制進(jìn)行操作。

(3)可操作性。SCADA系統(tǒng)操作方便，工作人員不需要具有很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)知識(shí)就可以實(shí)現(xiàn)操作。同時(shí)在SCADA系統(tǒng)升級(jí)之后，新的系統(tǒng)基于原有系統(tǒng)，不會(huì)做太大改變，方便工作人員適應(yīng)新系統(tǒng)。

(4)可維護(hù)性。SCADA系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中也可能會(huì)出現(xiàn)故障，但是維修比較簡(jiǎn)單，只需要采用排除法即可查找到出現(xiàn)問(wèn)題的部件。同時(shí)該系統(tǒng)采用的是模塊化的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障后只需要對(duì)故障模塊進(jìn)行維修即可，同時(shí)各模塊中都安裝有監(jiān)控指示燈，可以方便工作人員查找故障。

3 SCADA系統(tǒng)在油氣管道中的應(yīng)用

在油氣管道中運(yùn)用的SCADA系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)安裝于各站場(chǎng)中和調(diào)度中心，調(diào)度中心的實(shí)時(shí)模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程站場(chǎng)的控制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和規(guī)范，從上線(xiàn)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)功能，同時(shí)，實(shí)時(shí)模塊還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的整合和更新功能；歷史模塊也安裝與各站場(chǎng)和調(diào)度中心中，通過(guò)該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的讀取和分析，這里所說(shuō)的歷史讀取就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)；軟件平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，也是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的關(guān)鍵設(shè)備，人機(jī)交互功能的實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)模塊和歷史模塊，將各種處理后的數(shù)據(jù)在軟件上得以呈現(xiàn)在屏幕上。

油氣管道中運(yùn)用的SCADA系統(tǒng)中還包含有打印機(jī)和投影儀等設(shè)備。同時(shí)，為了保障系統(tǒng)的安全性和可靠性，系統(tǒng)在備份數(shù)據(jù)時(shí)一般采用雙備份的模式，同時(shí)，調(diào)控中心采用正版的windows系統(tǒng)；在設(shè)備監(jiān)控方面，采用較先進(jìn)的In Touch 8.0軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)警功能。

在一般情況下，SCADA系統(tǒng)可以對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的油氣管道實(shí)現(xiàn)六個(gè)功能：(1)對(duì)管道內(nèi)和站場(chǎng)內(nèi)的油氣輸送情況和設(shè)備運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)圖像顯示的方式，使工作人員得到有效數(shù)據(jù)。(2)控制整條管道和站場(chǎng)的啟動(dòng)和停止；(3)對(duì)管道中的各種故障進(jìn)行報(bào)警；(4)對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行維護(hù)；(5)傳輸管道數(shù)據(jù)；(6)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

4 結(jié)語(yǔ)

SCADA系統(tǒng)的完善和進(jìn)步，有利于我國(guó)油氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。油氣企業(yè)應(yīng)加快對(duì)該系統(tǒng)的研究工作，同時(shí)加強(qiáng)在小型管道中的應(yīng)用。在大型管道中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)逐步完善，使各項(xiàng)功能都得到有效的提升。同時(shí)，研究人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)圖像化顯示的研究，使人機(jī)交互功能更加便捷。

[1]郭曉瑛,路艷斌,鄭娟.國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸管道 SCADA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2011,30(02)∶36-38.

[2]王文平.SCADA系統(tǒng)在長(zhǎng)輸油氣管道系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子元器件,2012,14(11)∶51-55.

[3]燕林斌.SCADA系統(tǒng)在天然氣輸氣系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2013,19(36)∶37-39.

[4]祁國(guó)成,沈國(guó)輝,陳鵬,等.油氣管道SCADA系統(tǒng)跨平臺(tái)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].天然氣工業(yè),2013,27(11)∶92-97.

孟韓(1990-)，男，北京人，助理工程師，2012年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。