尚瑞琪

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對(duì)環(huán)境的重視，天然氣成為現(xiàn)今最受人們歡迎的能源，推動(dòng)著天然氣長(zhǎng)輸管道的建設(shè)和發(fā)展。遵循長(zhǎng)輸管道無人值守站的設(shè)計(jì)原則，長(zhǎng)輸管道大力建設(shè)站場(chǎng)和調(diào)控中心SCADA 系統(tǒng)，通過 SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸管道自動(dòng)化、信息化建設(shè)。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)和調(diào)控中心 SCADA 系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是其中最為關(guān)鍵、最為重要的一部分；長(zhǎng)輸管道的特點(diǎn)是距離長(zhǎng)，地形復(fù)雜，站點(diǎn)分散，網(wǎng)絡(luò)可靠性、安全性要求高；和其他行業(yè)自控組網(wǎng)不同，長(zhǎng)輸管道自控組網(wǎng)需要依靠主備兩條物理鏈路將沿線幾百公里甚至上千公里內(nèi)的站場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)連通起來，同時(shí)必須保證網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性和可管理性。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)輸管道；通信； SCADA；物理鏈路

結(jié)合某地區(qū)天然氣長(zhǎng)輸管道 SCADA 項(xiàng)目自控組網(wǎng)實(shí)例應(yīng)用，詳細(xì)描述了長(zhǎng)輸管道自控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；該項(xiàng)目采用專線鏈路和 DDN 鏈路構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)其物理鏈路、邏輯鏈路的管理及劃分，將全線劃分為三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建站場(chǎng)及閥室獨(dú)立的物理子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)閥室數(shù)據(jù)上傳上下游站場(chǎng)，完成數(shù)據(jù)上傳調(diào)控中心的功能需求。 全線站場(chǎng)、閥室及調(diào)控中心網(wǎng)絡(luò) IP 地址采用 C 類地址規(guī)劃，通過路由器實(shí)現(xiàn)多重網(wǎng)絡(luò)冗余機(jī)制，為站場(chǎng)及調(diào)控中心提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)及調(diào)控中心 SCADA 系統(tǒng)平臺(tái)搭建。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案論證

天然氣長(zhǎng)輸管道距離長(zhǎng)，站場(chǎng)和閥室分散；為了實(shí)現(xiàn)全線管線自動(dòng)化控制和信息化 SCADA 平臺(tái)，根據(jù)閥室數(shù)據(jù)流走向，可通過以下兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方案實(shí)現(xiàn)自控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建。

1.1 方案一

閥室 RTU 設(shè)備放置于站場(chǎng)和調(diào)控中心的中間網(wǎng)絡(luò)層，通過站場(chǎng)路由器和調(diào)控中心路由器讀取閥室 RTU 設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)該閥室 SCADA 系統(tǒng)監(jiān)控及控制。

該方案下，閥室需配備路由器設(shè)備，調(diào)控中心、閥室、站場(chǎng)路由器形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)需開放閥室至管理站場(chǎng)的數(shù)據(jù)鏈路，保證閥室數(shù)據(jù)能傳輸至站場(chǎng)和調(diào)控中心，同時(shí)站場(chǎng)數(shù)據(jù)需上傳至調(diào)控中心；因此站場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)管理難度較高。。

1.2 方案二

閥室 RTU 設(shè)備放置站場(chǎng)下的第三層網(wǎng)絡(luò)，先將閥室數(shù)據(jù)上傳至站場(chǎng)，然后通過站場(chǎng)將數(shù)據(jù)上傳至調(diào)控中心，實(shí)現(xiàn)該閥室SCADA 系統(tǒng)監(jiān)控及控制。

該架構(gòu)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為三層網(wǎng)絡(luò)，閥室無需部署路由器設(shè)備，可直接將閥室網(wǎng)絡(luò)與上下游站場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)打通，數(shù)據(jù)上傳至上下游站場(chǎng)，由站場(chǎng)統(tǒng)一上傳至調(diào)控中心

結(jié)合兩種方案，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)性、安全性、可管理性和數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)的多種因素考慮，在設(shè)計(jì)未要求閥室數(shù)據(jù)需直接上傳調(diào)控中心時(shí)，建議采用方案二實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸管道自控組網(wǎng)，本文參照方案二具體說明長(zhǎng)輸管道 SCADA 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。

2 長(zhǎng)輸管道 SCADA 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

長(zhǎng)輸管道 SCADA 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)中主要包括站場(chǎng)控制網(wǎng)和信息網(wǎng)、站場(chǎng)局域網(wǎng)（將上下游閥室劃分至站場(chǎng)局域網(wǎng)）、調(diào)控中心局域網(wǎng)三個(gè)子網(wǎng)結(jié)構(gòu)； 調(diào)控中心和站場(chǎng)通過敷設(shè)光纖建立物理鏈路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)長(zhǎng)輸管道的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.1 站場(chǎng)控制網(wǎng)和信息網(wǎng)

站場(chǎng)采用中控 VxSCADA 軟件實(shí)現(xiàn) SCADA系統(tǒng)平臺(tái)搭建，使用 AB L1756 系列控制系統(tǒng)進(jìn)行站場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及控制，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器完成第三方設(shè)備異構(gòu)通訊，獲取第三方設(shè)備數(shù)據(jù)。站場(chǎng)配有兩臺(tái) RCI 服務(wù)器、一臺(tái)工程師站和一臺(tái)操作員站。站場(chǎng)服務(wù)器及控制系統(tǒng)通過 A 網(wǎng)、B 網(wǎng)交換機(jī)形成冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。站場(chǎng)上下游閥室通過專線光纖接入站場(chǎng) A 網(wǎng)交換機(jī)，通過RCI 服務(wù)器采集閥室數(shù)據(jù)，同時(shí)站場(chǎng)的路由器設(shè)備通過專線光纖和 DDN 數(shù)字鏈路實(shí)現(xiàn)與調(diào)控中心的通訊網(wǎng)絡(luò)。

2.2 站場(chǎng)局域網(wǎng)建設(shè)

項(xiàng)目采用管道敷設(shè)光纖的方式建立全線物理鏈路，通過光電交換機(jī)將所有站場(chǎng)、閥室和調(diào)控中心網(wǎng)絡(luò)打通，完成物理鏈路組網(wǎng)；該物理鏈路不僅為自控?cái)?shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)通道，還為站場(chǎng)和閥室的視頻監(jiān)控和周界安防系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)通道。

2.2.1 VLAN 隔離

VLAN 的中文名稱為虛擬局域網(wǎng)，工作在 OSI 參考模型的第2 層和第 3 層。VLAN 是建立在物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的一種邏輯子網(wǎng)，因此建立 VLAN 需要相應(yīng)的支持 VLAN 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的不同 VLAN 間進(jìn)行相互通信時(shí)，需要路由的支持；長(zhǎng)輸管道SCADA 網(wǎng)絡(luò)的 VLAN 劃分目的是將每個(gè)站場(chǎng)隔離為單獨(dú)的局域網(wǎng)，長(zhǎng)輸管道通過工業(yè)交換機(jī)和光纖將所有各站各閥室的物理鏈路連接起來，形成一個(gè)大的物理局域網(wǎng)，站場(chǎng)及閥室通過工業(yè)交換機(jī)進(jìn)行 VLAN 劃分，將每個(gè)站場(chǎng)及上下游閥室規(guī)劃為單獨(dú)的局域子網(wǎng)，形成一個(gè)完整穩(wěn)定安全的物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.2.2 邏輯鏈路隔離

站場(chǎng)及閥室所有SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過 IP地址及子網(wǎng)掩碼劃分，將每個(gè)站場(chǎng)及閥室劃分為獨(dú)自局域網(wǎng)地址。SCADA 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安照 C 類 IP 地址標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃，將站場(chǎng)、閥室及調(diào)控中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯隔離，最終建立安全可靠的站場(chǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)。

2.3 調(diào)控中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

調(diào)控中心 SCADA 系統(tǒng)部署兩臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器、兩臺(tái)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、一臺(tái)工程師站、一臺(tái)遠(yuǎn)程維護(hù)站、一臺(tái)調(diào)度員站、 三臺(tái)操作員站、 一臺(tái) OPC 服務(wù)和一臺(tái) Web 服務(wù)器，其中使用兩個(gè)物理防火墻將 OPC 服務(wù)器、Web 服務(wù)器和生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)隔離出來，保證 OPC 服務(wù)器、Web 服務(wù)器工作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全，更保證調(diào)控中心 SCADA 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全。

2.4 自控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模型

2.4.1 模型解析

如圖 1所示，2#節(jié)點(diǎn)是由站場(chǎng)主路由器和調(diào)控中心主路由器通過專線鏈路搭建的物理鏈路節(jié)點(diǎn)，3#節(jié)點(diǎn)是由站場(chǎng)備路由器和調(diào)控中心備路由器通過 GPRS 數(shù)字鏈路搭建的物理鏈路節(jié)點(diǎn)，2#節(jié) 點(diǎn) 的 WAN口和 3#節(jié)點(diǎn)的WAN口形成公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用靜態(tài)IP的方式設(shè)定WAN口端口地址，調(diào)控中心和站場(chǎng)路由器的2#節(jié)點(diǎn)和3# 節(jié)點(diǎn)的 LAN 口形成 A、B網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，A 網(wǎng)和 B 網(wǎng)至少有一個(gè)正常工作，整個(gè)自控網(wǎng)絡(luò)均可正常工作，提高自控網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。

在該網(wǎng)絡(luò)正常工作中，2#節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)高于 3#節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，例如2#節(jié)點(diǎn)設(shè)備重啟過程中，網(wǎng)絡(luò)先切換到 3#節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，當(dāng) 2#節(jié)點(diǎn)設(shè)備正常時(shí)，則會(huì)自動(dòng)切換到2#節(jié)點(diǎn)設(shè)備；當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于備用狀態(tài)時(shí)，其節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)處于等待狀態(tài)，使用 Ping 命令進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)為斷開狀態(tài)。

2.4.2 網(wǎng)絡(luò)特性

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將全線網(wǎng)絡(luò)層級(jí)做出鮮明劃分，同時(shí)設(shè)有多重冗余機(jī)制，保證自控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性，同時(shí)大大增強(qiáng)了該網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性。

2.4.3 路由管理

長(zhǎng)輸管道自控網(wǎng)絡(luò)配置路由器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由管理及通道切換，實(shí)現(xiàn)路由器主備切換功能和內(nèi)網(wǎng)切換功能。在完成路由器配置后，站場(chǎng)和調(diào)控中心通訊服務(wù)器需要配靜態(tài)路由。

3 結(jié)束語

長(zhǎng)輸管道自控網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將全線站點(diǎn)、閥室和調(diào)控中心劃分為三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即站場(chǎng)和其上下游鄰近閥室為底層局域網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控中心為上層局域網(wǎng)絡(luò)，站場(chǎng)至調(diào)控中心為中間層廣域網(wǎng)；全線站場(chǎng)及調(diào)控中心鏈路采用主備兩條鏈路構(gòu)成冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；正常工作時(shí)，站場(chǎng)和調(diào)控中心通過主鏈路進(jìn)行通訊，當(dāng)沿線某地區(qū)站場(chǎng)通訊故障或光纖切斷時(shí)，其上游站場(chǎng)和閥室可通過主鏈路和調(diào)控中心進(jìn)行正常通訊，下游站場(chǎng)自動(dòng)切至備用鏈路與調(diào)控中心進(jìn)行通訊，主鏈路至備用鏈路的切換時(shí)間小于 10 s，完全滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王昆， 李琳， 李維校. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧長(zhǎng)輸管道[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)， 2018（1）：15-19.