邱昌勝

（中國石油中油國際管道公司）

當前自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢是網(wǎng)絡化、集成化和智能化，它與計算機、信息技術(shù)的融合和創(chuàng)新，已經(jīng)發(fā)展到對運行設備故障的在線監(jiān)測與控制，設備之間的協(xié)調(diào)控制與聯(lián)鎖保護及廠級管理決策與控制等。 工業(yè)控制系統(tǒng)大多是以通用計算機網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，以自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、圖像顯示技術(shù)為一體的綜合性系統(tǒng)裝置。 長輸天然氣管道的特點是運行距離長，管道敷設的地理條件復雜，站點也比較分散。 管道的生產(chǎn)運行一般包括壓縮機站場、遠程截斷閥室及計量站等運行站點， 而對于多個管道并行的長輸天然氣管道，其運行工藝相對比較復雜，根據(jù)工藝或運行能耗管理等生產(chǎn)運行需求，一般包括對各個管道之間的氣體進行調(diào)配［1，2］、站場壓縮機的運行優(yōu)化等［3］。

長輸天然氣管道在建設設計時，一般都遵循“遠程控制，無人值守”的原則，因此對于站場和調(diào)控中心的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)都采用了比較高的技術(shù)標準，例如SCADA網(wǎng)絡配置［4～6］、SCADA系統(tǒng) 冗 余［7］、壓 縮 機遠程 控 制［8］及 壓 縮 機站場的遠程啟停等，這對于生產(chǎn)運行能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)控中心控制提供了硬件基礎(chǔ)。 但由于一般設計階段在前期，在一定時間的施工建設后，當初的設計條件會有很大的變化，因而，在實際投入生產(chǎn)運行后， 會有許多生產(chǎn)運行條件與設計不符，如天然氣輸量變化、現(xiàn)場設備型號的改變等。 生產(chǎn)運行部門也會結(jié)合現(xiàn)場的運行和生產(chǎn)環(huán)境，不斷提出新的生產(chǎn)功能需求，需要對原有調(diào)控中心的功能進行擴充和增強。 因此，長輸天然氣管道的調(diào)控中心控制方案是隨著生產(chǎn)運行環(huán)境的改變而不斷進行優(yōu)化的。 調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)全管道的運行參數(shù)監(jiān)控、 運行設備的啟?？刂频龋虼?，對于SCADA網(wǎng)絡必須保證其安全性，免受外界惡意攻擊，這也是實現(xiàn)中心控制方案必須考慮的重要因素。

1 中心控制方案的論證

長輸天然氣管道的中心控制首先需要實現(xiàn)各管道運行站點，包括壓縮機站場、管道截斷閥室等運行站點的設備的遠程控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在調(diào)控中心對壓縮機組的啟停、閥門的開關(guān)及風扇的開啟等進行遠程操作，同時還需要能夠及時獲得工藝和設備運行參數(shù)以及報警信息，以便保證生產(chǎn)的安全平穩(wěn)運行，并可及時優(yōu)化調(diào)整管道運行模式，提高管道的運行效率。 管道SCADA系統(tǒng)負責全線設備和工藝運行參數(shù)的數(shù)據(jù)收集，并對現(xiàn)場運行設備進行遠程操作， 實現(xiàn)對整個管道運行的監(jiān)控。 調(diào)控中心作為整條管道生產(chǎn)運行的核心部分，負責實現(xiàn)管道生產(chǎn)運行的中心控制。長輸天然氣管道的運行控制模式一般分為三級：中心控制、站場控制和就地控制。 在管道正常運行的情況下， 調(diào)控中心的控制屬于最高權(quán)限的控制模式，當處于中心控制模式時，站場沒有生產(chǎn)運行的控制權(quán)； 當調(diào)控中心因為某些原因不能正常工作時，站場就具有了控制權(quán)限；而就地控制負責站場設備單體的現(xiàn)場操作， 一般只在設備不具備遠程操作功能或設備維護時。因而，調(diào)控中心的SCADA系統(tǒng)必須運行穩(wěn)定、控制功能平穩(wěn)可靠，且要求具備在災難、事故等嚴重情況下的系統(tǒng)備用功能。另外，天然氣管道的調(diào)控中心一般不在生產(chǎn)運行現(xiàn)場， 與現(xiàn)場的通信主要是依靠管道的伴行光纜或租賃的衛(wèi)星系統(tǒng)，因此，通信系統(tǒng)也就必須要求可靠性高且系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。

1.1 SCADA系統(tǒng)通信網(wǎng)絡方案

長輸管道SCADA網(wǎng)絡是專為天然氣管道生產(chǎn)運行而建設的工業(yè)控制專用網(wǎng)絡，同樣也是基于TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議， 在網(wǎng)絡規(guī)劃中主要包括截斷閥室局域網(wǎng)、站場控制局域網(wǎng)和調(diào)控中心局域網(wǎng)3個子網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 各控制局域網(wǎng)絡通過管道伴行敷設的光纖和租賃衛(wèi)星建立物理鏈路，實現(xiàn)整個長輸天然氣管道的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)架設。 在正常的生產(chǎn)運行中，光纖作為主通信鏈路，其通信帶寬、傳輸速率及安全性等能夠得到很好的保證，而當發(fā)生光纖中斷、光纖設備故障等無法實現(xiàn)通信時，需要自動切換到衛(wèi)星通信，作為SCADA系統(tǒng)的通信鏈路，這樣才能夠保證調(diào)控中心能夠不間斷地與現(xiàn)場各站點實時通信。 當光纖通信恢復正常后，再自動由衛(wèi)星通信切換到光纖通信。 因此，天然氣管道要實現(xiàn)調(diào)控中心控制，網(wǎng)絡的鏈路冗余必須得到合理的配置。

在截斷閥室局域網(wǎng)、站場控制局域網(wǎng)和調(diào)控中心局域網(wǎng)的網(wǎng)絡劃分上， 采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，將SCADA網(wǎng)絡做出多個層級的網(wǎng)絡劃分，同時在此基礎(chǔ)上可以設置網(wǎng)絡通信鏈路的多重冗余保護機制，不會因為其中一條鏈路故障導致該局域網(wǎng)通信的中斷， 或影響其他局域網(wǎng)的正常通信，保證了SCADA網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。 另外，為網(wǎng)絡故障排查和維護提供了便捷，當發(fā)生網(wǎng)絡故障時，可以在線對該局域網(wǎng)進行隔離，便于快速查找故障點，加強了SCADA網(wǎng)絡的可維護性。 圖1所示為SCADA網(wǎng)絡架構(gòu)，各個網(wǎng)絡之間互為備用路由，此網(wǎng)絡架構(gòu)增強了SCADA網(wǎng)絡的安全性和可靠性。

圖1 SCADA網(wǎng)絡架構(gòu)

1.2 SCADA系統(tǒng)運行安全方案

調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)的建設是實現(xiàn)長輸天然氣管道中心控制的核心部分，是長輸天然氣管道安全平穩(wěn)運行的保障，對于調(diào)控中心的SCADA系統(tǒng)的運行必須能夠長時間、連續(xù)無擾動，且要求系統(tǒng)運行故障率低， 一旦發(fā)生系統(tǒng)或設備故障，系統(tǒng)能夠快速檢測和恢復，或者無擾動地切換到相應的冗余或備用系統(tǒng)。 因此， 調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)必須具備系統(tǒng)或設備冗余、 故障自檢、通信通道自動檢測、冗余系統(tǒng)/設備自動切換等安全保護功能，能夠提高SCADA系統(tǒng)自身的魯棒性。 在結(jié)合現(xiàn)有通信設備、站控SCADA系統(tǒng)等應用中，對于調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)采用了分層多級冗余設計（圖2）。

圖2 調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)多層冗余結(jié)構(gòu)

SCADA 系統(tǒng)的熱機冗余備份，是基本的SCADA系統(tǒng)容錯的解決方案。 在主調(diào)控中心，兩臺SCADA服務器通過心跳協(xié)議等方式實現(xiàn)雙機的冗余備份，兩臺服務器用以太網(wǎng)直連，在同一時刻，只有一臺服務器為主服務器，取得系統(tǒng)的控制權(quán)，主要的監(jiān)控參數(shù)和系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)由主服務器同步給備份服務器， 當主服務器發(fā)生故障時，把控制權(quán)交給備份服務器，主服務器停止運行， 備份服務器作為主服務器接管系統(tǒng)的控制權(quán)。 故障服務器可以離線進行故障排查，當故障排除后，該服務器可以再次在線，作為備份服務器加入到運行系統(tǒng)中。 雙機熱備的解決方案在很大程度上依賴于SCADA系統(tǒng)軟件本身的功能，每個SCADA系統(tǒng)開發(fā)廠家的配置方式可能有所區(qū)別，但這項功能是必備的。

當然，雙機熱備冗余只是SCADA系統(tǒng)本身的容錯功能，如果控制中心遇到災難性事故，如地震、火災等時，原先的調(diào)控中心的設備和系統(tǒng)受到不可恢復的破壞時，就需要另一套系統(tǒng)進行控制權(quán)的切換，因此，長輸天然氣管道都建設有應急調(diào)控中心或備用調(diào)控中心，建立的地點與主調(diào)控中心一樣，在自然條件相對較好的地方。 當主調(diào)控中心發(fā)生上述災難時，備用調(diào)控中心將承擔起全管線的生產(chǎn)運行和運行參數(shù)的監(jiān)控功能。 在生產(chǎn)正常運行時，備用調(diào)控中心的SCADA系統(tǒng)只是同步主調(diào)控中心SCADA的數(shù)據(jù)，不具備現(xiàn)場設備的操控功能，僅具有存儲歷史數(shù)據(jù)、報警等有限功能。 另外， 當現(xiàn)場控制網(wǎng)絡與主調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)的通信發(fā)生故障時，備用調(diào)控中心也可以接管全管線的控制功能。

實現(xiàn)了SCADA系統(tǒng)冗余和調(diào)控中心應急備用后，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和系統(tǒng)軟件備份也是比較重要的環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)軟件運行平臺、歷史數(shù)據(jù)、事件的存儲可以在系統(tǒng)或設備崩潰之后，對SCADA系統(tǒng)的運行環(huán)境快速還原，恢復原有系統(tǒng)。

1.3 SCADA系統(tǒng)遠程控制方案

長輸天然氣管道的調(diào)控中心，需要對現(xiàn)場的所有設備能夠進行啟停等操作，對于第三方設備本身的控制系統(tǒng)要具有遠程接口，能夠與SCADA系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換， 配合工業(yè)電視的畫面監(jiān)控，實現(xiàn)所有設備的遠程操作。 長輸天然氣管道的運行，必須實現(xiàn)壓縮機站場的調(diào)控中心遠程控制和截斷閥室遠程控制，包括壓縮機組的啟停、閥門的開關(guān)等。

站場壓縮機組的遠程控制是實現(xiàn)站場中心控制的核心。 壓縮機組的控制可以分為就地控制模式和遠程控制模式，對于中心控制而言，必須實現(xiàn)壓縮機組的遠程控制模式。 遠程控制模式可以實現(xiàn)對站場多臺壓縮機組的負荷分配操作，通過SCADA控制界面， 設置站場的出入口壓力，多臺機組按照既定的邏輯運行，使每臺機組達到負載平衡，起到優(yōu)化機組運行效果的目的，并使每臺壓縮機的喘振裕量相當。 由于壓縮機組配套有本機組的控制系統(tǒng)，因此需要SCADA系統(tǒng)與機組控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，一些機組運行的重要參數(shù)必須上傳到SCADA系統(tǒng)中，對于壓縮機組的控制信號，例如壓縮機啟停命令、轉(zhuǎn)速升降命令、出入口壓力設定值等，則必須用硬接線的方式實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)與機組控制系統(tǒng)的連接，同時將壓縮機組運行的重要參數(shù)上傳到SCADA系統(tǒng)，以HMI畫面進行顯示。 對于重要的報警信息，可以采用彈框的形式提示操作人員。

對于站場其他區(qū)域的控制， 如過濾分離區(qū)、空冷區(qū)等，可以按照設計的控制邏輯，用SCADA控制器編程的方式實現(xiàn)區(qū)域的自動運行。 同時，對于重要設備，如發(fā)電機、空壓機等，則需要將重要數(shù)據(jù)上傳到SCADA系統(tǒng)。

線路截斷閥室的控制，只針對配置有遠程控制終端的閥室，對于沒有配置遠程控制終端的閥室可以采取改造增加相應設備的方式實現(xiàn)。

2 中心控制方案的應用

中哈天然氣管道項目在哈薩克斯坦共和國國境內(nèi)單管長1 300多公里，由A線、B線和C線3條管道組成， 共有13座壓縮機站、2座計量站和184座截斷閥室，調(diào)控中心位于阿拉木圖市，負責全線管道的生產(chǎn)運行監(jiān)控。 由于哈薩克斯坦共和國國內(nèi)管道運行環(huán)境的限制，在運行初期，調(diào)控中心只負責管道全線的運行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視，站場負責生產(chǎn)運行控制和臨近閥室的監(jiān)控。 為了實現(xiàn)建設世界先進水平管道的目標，需將站場控制轉(zhuǎn)為中心控制模式，結(jié)合國內(nèi)外天然氣管道中心控制的先進技術(shù)和運行經(jīng)驗，制定了一套科學可行的中心控制方案并得到了實際應用，大幅提高了天然氣管網(wǎng)的運行效率。

2.1 通信網(wǎng)絡優(yōu)化

中哈天然氣管道項目在A、B線管道建設期間，同步敷設了管道伴行光纖，通信主干接點設備使用的是華為的OSN 3500 SDH，主要負責A、B線站場和線路閥室的SCADA通信，同時也包括站場與項目總部的辦公網(wǎng)、工業(yè)監(jiān)控電視及視頻會議系統(tǒng)等應用。 但隨著后續(xù)C線站場和閥室的陸續(xù)投用， 特別是站場控制轉(zhuǎn)中心控制后，SCADA系統(tǒng)需要占用更多的網(wǎng)絡通信資源，并且基于帶寬計算、遠程診斷等信息化平臺建設，帶寬不足以支持新業(yè)務，原有的通信系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)要求。因此，項目根據(jù)需要對原有的SDH系統(tǒng)進行改造，使用了密集波分復用（DWDM）技術(shù)對原有的SDH系統(tǒng)進行更換，DWDM是一種主流的通信技術(shù)，與原有的SDH相比，DWDM具有更好的可擴展性，能夠滿足未來的擴容需求。 DWDM系統(tǒng)的最大帶寬可以達到400 Gbit/s，更換后的DWDM系統(tǒng)帶寬為20 Gbit/s，未來可靈活擴展，將現(xiàn)有的SDHSTM-16接口升級到10GE，帶寬從2.5 Gbit/s提高到20 Gbit/s。 并且將現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)帶寬進行了大幅度的拓寬，滿足了SCADA系統(tǒng)大數(shù)據(jù)量的要求。

對原有的SCADA控制網(wǎng)絡的截斷閥室網(wǎng)絡、站場局域網(wǎng)和調(diào)控中心網(wǎng)絡進行了分層冗余劃分，如果其中一個閥室的通信發(fā)生故障，則可以通過相近閥室的通信路由實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)了SCADA通信路由的冗余， 保證通信的穩(wěn)定性。由于傳輸網(wǎng)光纖長度長，布署在不利環(huán)境（如高低溫、強風、漏水，甚至人為因素等）中，容易發(fā)生變質(zhì)和破損，因此快速定位光纖斷裂位置非常重要，否則會使光纖通信恢復時間延長，帶來巨大的安全隱患和財產(chǎn)損失。 長周期光纖監(jiān)測成為光網(wǎng)絡運維的基本要求。 項目因此配置了光纖診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)傳輸網(wǎng)絡上的光纖特性提供光纖測試和光纖監(jiān)控，實現(xiàn)了對全網(wǎng)光纖進行7×24 h監(jiān)控，有助于發(fā)現(xiàn)光纖惡化的趨勢，準確定位故障并立即發(fā)送調(diào)度指令，提高光纖網(wǎng)絡維護的效率。

2.2 SCADA系統(tǒng)安全策略

中哈天然氣管道項目的SCADA系統(tǒng)使用的是SCADAVantage軟件系統(tǒng)，分別在壓縮機站和調(diào)控中心布署，現(xiàn)場可編程控制器等硬件使用的是800Xa系列，控制器等硬件實現(xiàn)了冗余，緊急停車系統(tǒng)使用了通過SIL3認證的軟硬件系統(tǒng)。

調(diào)控中心的SCADA系統(tǒng)采用雙機熱備冗余方式，保證SCADA系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，其冗余是基于心跳協(xié)議。 而應用心跳協(xié)議的冗余SCADA服務器不依賴于通信系統(tǒng)診斷功能， 避免了由于SCADA系統(tǒng)和通信系統(tǒng)協(xié)議不兼容或通信延遲等通信質(zhì)量不佳等原因，而無法實時對通信系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測的問題，很好地解決了站場SCADA和調(diào)控中心SCADA控制權(quán)的切換問題， 提高了SCADA系統(tǒng)自身的魯棒性。調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的通信方式分為兩種：調(diào)控中心SCADA數(shù)據(jù)與站控SCADA系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫復制的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)直接與站場的硬件控制器進行數(shù)據(jù)交換。 在正常狀態(tài)下，利用第1種數(shù)據(jù)交換方式， 這種方式能保證站場SCADA系統(tǒng)與調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保持高度一致，包括歷史記錄等。 當站場SCADA系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)會自動切換到與硬件控制器之間通信，保證了SCADA系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時， 在現(xiàn)場的7號壓縮機站場還配置了備用調(diào)控中心，備用調(diào)控中心的SCADA系統(tǒng)也是采取了雙機冗余備用，在正常工作情況下，備用調(diào)控中心只與主調(diào)控中心進行數(shù)據(jù)交換，沒有任何控制權(quán)， 不能進行站場遠程設備的啟停等操作，只有當主調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)不能工作時，可以手動切到備用調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)，此時，備用調(diào)控中心具有管道運行的控制權(quán)，可以進行現(xiàn)場設備遠程啟停等操作。 也可先設置好條件，當滿足設置條件時，管道運行控制權(quán)可以自動切換到備用調(diào)控中心。

2.3 完善數(shù)據(jù)上傳

為了在調(diào)控中心能夠更好地監(jiān)控現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，需要對各設備本身控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和通信接口進行擴展，如果無法實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的上傳， 調(diào)控中心就無法實現(xiàn)對遠程設備的操作。在長輸天然氣管道的壓縮機站場，最重要的就是對壓縮機組的遠程操作。 中哈天然氣管道項目經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)， 完成了壓縮機組綜合監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了壓縮機組全部參數(shù)上傳到調(diào)控中心。 同時調(diào)控中心經(jīng)過努力，完成了壓縮機組負載平衡的功能測試，目前壓縮機組完全實現(xiàn)了遠程控制的功能。 同時，對于發(fā)電機組，完善和補充了重要數(shù)據(jù)的上傳。

對于站場的工藝流程，如過濾分離區(qū)、空冷區(qū)等區(qū)域，重新經(jīng)過工藝流程優(yōu)化，完成相關(guān)控制邏輯的修改，實現(xiàn)了各個工藝區(qū)域設備的遠程邏輯控制。

中哈天然氣管道項目的現(xiàn)場截斷閥室有部分閥室不具有遠程操作功能，因此，經(jīng)過調(diào)研，確定了閥室改造方案，并進行技術(shù)改造，實現(xiàn)了遠程操作功能。

由于SCADA系統(tǒng)處于封閉的控制網(wǎng)絡，因而在長輸管道的現(xiàn)場對于管道實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控非常困難，而各專業(yè)技術(shù)人員如果需要實時監(jiān)控設備的運行狀態(tài)，也必須接入到SCADA網(wǎng)絡，這樣會給SCADA控制網(wǎng)絡帶來風險，為此，開發(fā)出了基于WEB的長輸管道遠程監(jiān)控系統(tǒng)。利用WEB的系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡安全技術(shù)，實現(xiàn)了跨網(wǎng)絡數(shù)據(jù)訪問的服務， 同時也滿足了現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)的要求。各專業(yè)技術(shù)人員也能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場設備，完善了調(diào)控中心控制的技術(shù)操控能力，使調(diào)控中心操作人員能夠?qū)Ｗ⒂诠に囌{(diào)整和流程操作。而對于重要的監(jiān)控數(shù)據(jù)，完成了各站場報警設定值的統(tǒng)一，完善報警提示功能，增加了重要報警的聲音報警，并對不同的設備報警采用不同的報警音提示。

3 結(jié)束語

中哈天然氣管道項目經(jīng)過前期的技術(shù)方案研究和技術(shù)改造，已經(jīng)實現(xiàn)了部分站場的調(diào)控中心控制，在實施中的一些技術(shù)方案和經(jīng)驗也值得其他項目借鑒。 要實現(xiàn)調(diào)控中心控制，首先通信系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)必須滿足技術(shù)要求， 現(xiàn)場工藝信息傳達必須準確及時；其次對于人員素質(zhì)也有一定的要求，調(diào)控中心人員必須能夠掌握壓縮機組等的運行特性和操作流程。