謝天天，王長征，曹斌，朱瑞苗

(1. 中石化中原石油工程設(shè)計有限公司，河南 濮陽 457001；2. 浙江中控技術(shù)股份有限公司， 浙江 杭州 310012)

國外天然氣管道行業(yè)的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)的應(yīng)用起步較早，已有相對成熟的經(jīng)驗和產(chǎn)品，可涵蓋分布式測控、多系統(tǒng)集成、綜合監(jiān)控、應(yīng)用調(diào)度以及Web信息化等全部功能。SCADA系統(tǒng)關(guān)系到輸氣管道的信息安全和調(diào)度控制安全，同時還直接影響到天然氣管道日常調(diào)度控制的正常進行，戰(zhàn)略意義不言而喻。中國長輸管道在實際應(yīng)用和控制水平上，與歐美管輸企業(yè)相比，差距仍較大，集中體現(xiàn)在遠程控制的深度和廣度，其控制理念也需改進[1]。針對天津液化天然氣(LNG)輸氣干線工程項目采用國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)，參照國家及行業(yè)工程設(shè)計規(guī)范[2-3]，按照安全可靠性、先進性、經(jīng)濟性次序考慮系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)[4]，為SCADA系統(tǒng)國產(chǎn)化應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗。

1 LNG項目輸氣干線工程SCADA系統(tǒng)

1.1 工藝管網(wǎng)概述

天津LNG項目輸氣干線工程起始于天津液化天然氣接收站，北至通州末站和唐山末站，南至鄒平末站，沿線經(jīng)過天津、北京、河北、山東4省市。干線長度540.5 km，設(shè)計壓力10.0 MPa；支線長度39.5 km，設(shè)計壓力6.3 MPa。管道沿線共設(shè)置10座輸氣站場，截斷閥室 31 座，并在天津設(shè)置調(diào)控中心和遠程管理處。根據(jù)項目要求，作為國產(chǎn)化SCADA系統(tǒng)軟件平臺典型示范應(yīng)用，需要實現(xiàn)常規(guī)的管線三級控制功能外[5-6]，還要實現(xiàn)時鐘同步、遠程維護、全網(wǎng)診斷、斷線續(xù)傳以及全系統(tǒng)防病毒專項功能應(yīng)用。

1.2 SCADA系統(tǒng)組成

該項目SCADA系統(tǒng)軟件采用浙江中控技術(shù)股份有限公司(以下簡稱中控)自主研發(fā)的VxSCADA系統(tǒng)平臺軟件。該軟件集成多種驅(qū)動接口，支持業(yè)界多種DCS，PLC和RTU產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于油氣田、公用工程等多個領(lǐng)域。VxSCADA系統(tǒng)平臺軟件架構(gòu)如圖1所示。

調(diào)控中心的網(wǎng)絡(luò)整體劃分為核心區(qū)和DMZ區(qū)[7-8]。核心區(qū)關(guān)鍵設(shè)備包括： 1對UNIX環(huán)境實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、1對掛接磁盤陣列的UNIX環(huán)境歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。實時數(shù)據(jù)服務(wù)器部署中控的VxHistorian大型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，雙機熱備冗余，數(shù)據(jù)實時同步。歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器部署甲骨文公司的Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，雙機熱備冗余，數(shù)據(jù)實時同步，掛接磁盤陣列進行長期歷史數(shù)據(jù)保存。面向用戶操作，部署多臺Windows環(huán)境工程師站和操作員站，均安裝了中控的VxSCADA監(jiān)控軟件。DMZ區(qū)關(guān)鍵設(shè)備包括： Web服務(wù)器兼防病毒服務(wù)器、OPC Server服務(wù)器，前者安裝中控的PIMS生產(chǎn)信息門戶網(wǎng)站軟件以及防病毒服務(wù)器軟件，后者安裝中控VH_OPC Server產(chǎn)品。在核心區(qū)與DMZ區(qū)之間、DMZ區(qū)對外部網(wǎng)絡(luò)之間，分別部署了硬件防火墻以實現(xiàn)通信隔離，確保核心區(qū)運行安全。

在站場的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為雙網(wǎng)冗余通信。站控PLC采用ControlLogix控制器，緊急停車系統(tǒng)(ESD)采用SafetyNet系統(tǒng)，站控HMI則采用中控的VxSCADA平臺軟件。同時在站控計算機上安裝防病毒客戶端，站場同時部署通信服務(wù)器，安裝VxCollector軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)斷線續(xù)傳等應(yīng)用。

站場和調(diào)控中心之間通信鏈路采用光纖專線和公網(wǎng)雙信道冗余通信[9]。SCADA系統(tǒng)可自動切換路由，在光纖專線主信道故障后，無擾切換到公網(wǎng)備用信道，同時在主信道恢復(fù)正常后，會自動切換回來。全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 VxSCADA系統(tǒng)平臺軟件架構(gòu)示意

圖2 全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意

2 專項解決方案

2.1 時鐘同步

1) 設(shè)計原則。調(diào)控中心時鐘服務(wù)器能夠通過GPS授時設(shè)備進行多級定時校時；調(diào)控中心內(nèi)各計算機、管理處、實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器能夠通過時鐘服務(wù)器進行定時校時；場站各節(jié)點能夠通過實時數(shù)據(jù)服務(wù)器和通信服務(wù)器進行定時校時。授時通信協(xié)議采用SNTP/NTP協(xié)議[9]。

2) 實現(xiàn)方案。調(diào)控中心節(jié)點時鐘同步配置采用GPS硬件作為時鐘源，實時數(shù)據(jù)服務(wù)器作為一級軟件時鐘源，GPS硬件時鐘源優(yōu)先級高于軟件時鐘源，通信服務(wù)器作為備用二級軟件時鐘源，場站各節(jié)點時鐘同步組態(tài)配置時將實時數(shù)據(jù)服務(wù)器作為時鐘源，通信服務(wù)器作為備用時鐘同步服務(wù)器。

2.2 遠程維護

1) 設(shè)計原則。場站的組態(tài)維護和更新需要通過遠程方式來實現(xiàn)，不能采用Windows自帶的遠程桌面功能，應(yīng)采用私有協(xié)議進行安全可控的遠程組態(tài)維護實現(xiàn)方案。調(diào)度中心以遠程維護終端受控連接到場站組態(tài)服務(wù)器，對場站組態(tài)遠程維護。

2) 實現(xiàn)方案。采用SVNC私有遠程協(xié)助協(xié)議方式實現(xiàn)遠程訪問，調(diào)度中心網(wǎng)絡(luò)與場站網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)局域網(wǎng)級連接，通過物理直連或者通過VPN安全通信隧道，調(diào)度中心的遠程維護站與被維護的遠程場站組態(tài)服務(wù)器進行連通。調(diào)度中心防火墻、場站防火墻設(shè)置SVNC遠程協(xié)助協(xié)議的通信端口為允許訪問，場站SVNC遠程協(xié)助服務(wù)設(shè)置成開機自啟動、密碼訪問保護。同時，調(diào)度中心及場站的防病毒軟件將SVNC的客戶端及服務(wù)加入到信任列表。調(diào)度中心設(shè)置1臺計算機作為遠程組態(tài)維護工程師站，調(diào)度中心以SVNC方式實現(xiàn)遠程桌面連接到場站組態(tài)服務(wù)器，對場站組態(tài)遠程維護。

2.3 全網(wǎng)診斷

1) 設(shè)計原則。能夠支持網(wǎng)絡(luò)通信的通斷情況的診斷，計算機硬盤、CPU、內(nèi)存、網(wǎng)口狀態(tài)的診斷，能夠支持路由器網(wǎng)口狀態(tài)、流量的診斷。

2) 實現(xiàn)方案。網(wǎng)絡(luò)診斷采用通信驅(qū)動診斷機制和網(wǎng)管軟件集成通信雙重機制實現(xiàn)，計算機和網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備診斷通過SNMP協(xié)議實現(xiàn)，站控PLC和ESD通過獲取其自身的故障診斷狀態(tài)信息來實現(xiàn)診斷，將診斷信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳到調(diào)控中心。

2.4 斷線續(xù)傳

1) 設(shè)計原則。能夠在調(diào)控中心和站場網(wǎng)絡(luò)全部斷開再恢復(fù)的情況下，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的自動回補功能，回補的歷史數(shù)據(jù)應(yīng)該完整并自帶時間戳。調(diào)控中心和場站之間使用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，回補歷史數(shù)據(jù)期間不能影響正常的實時數(shù)據(jù)通信，并能自動適應(yīng)寬、窄帶要求。

2) 實現(xiàn)方案。斷線續(xù)傳機制基于IEC 60870-5-104規(guī)約的設(shè)計，能通過發(fā)送指定的斷線續(xù)傳命令，向服務(wù)器端發(fā)送斷線期間數(shù)據(jù)請求，通過服務(wù)器端數(shù)據(jù)重發(fā)，解決網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下數(shù)據(jù)上傳和完整性的問題，實現(xiàn)最高7 d的斷線續(xù)傳緩存機制，根據(jù)需要可實現(xiàn)站控PLC到站控HMI的斷線續(xù)傳以及站控系統(tǒng)和調(diào)控中心之間的斷線續(xù)傳應(yīng)用。

2.5 全系統(tǒng)防病毒

1) 設(shè)計原則。全系統(tǒng)非UNIX計算機節(jié)點應(yīng)具備防病毒能力，防病毒軟件的病毒庫要能受控、自動更新，防病毒軟件要能夠與SCADA系統(tǒng)完全兼容[10]，不能影響SCADA系統(tǒng)軟件正常運行。

2) 實現(xiàn)方案。采用國際優(yōu)秀防病毒軟件進行兼容性全方位測試，測試通過后進行安裝。在DMZ區(qū)架設(shè)防病毒服務(wù)器，進行病毒庫自動更新，同時通過運維同步進行病毒庫更新后的兼容性驗證。

3 結(jié)束語

天津LNG項目輸氣干線工程實施過程中，針對項目具體問題，設(shè)計了5個專項解決方案，并在業(yè)內(nèi)率先提出并成功實現(xiàn)了基于IEC-104通信規(guī)約的斷線補傳功能[11]，極大地提高了歷史數(shù)據(jù)的完整性，為基于海量歷史數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)智能化管線應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)在天然氣長輸管道上成功的運用，為將來全面推動管道監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品的國產(chǎn)化帶來積極意義。

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