大型海外聚烯烴項目中CMADA系統的設計

吳弘

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

CMADA（Circuit Monitoring and Data Acquisition）電氣數據采集監控系統，即電氣領域的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統。應用范圍很廣，主要用于電力系統、石油、化工等生產裝置電氣數據的采集與監視控制等領域[1]。

CMADA系統是以計算機為基礎的電氣監控系統。它可以對變電所及現場運行設備的電氣數據進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。

1 CMADA在石化系統中的應用

由于石油化工生產過程具有易燃、易爆、有毒、有害的特點。為了確保企業生產安全、穩定、長周期生產，必須加強電氣監控，保障生產設備安全運行。CMADA作為電氣控制與數據采集系統，將先進的計算機技術、工業控制技術和通訊技術有機地結合在一起，既具有強大的現場測控功能，又具有極強的組網通訊能力。隨著石化裝置生產自動化水平不斷提高，電氣設備綜合管理的重要性與日俱增，所以近年來，在石化裝置中大量采用CMADA系統作為生產管理電氣自動化控制系統。

2 CMADA體系結構

CMADA系統主要包括三部分組成，主站端，通訊系統和遠程終端單元[2]。

2.1 主站系統

主站一般采用先進的計算機，有著良好的圖形界面支持，主要用于實時數據和歷史數據的挖掘工作，比如潮流分析、負荷預測、事故追憶、電網穩定性分析，能量管理等。作為CMADA主站系統，大的系統可能有幾十個工作站，多個服務器。為了保證系統的可靠性，采用雙前置，多服務器系統，兩個網絡。但是對于簡單的CMADA主站系統可能就只有一臺計算機，運行一套軟件[2]。

通常主站系統分為兩個層面，即客戶/服務器體系結構。服務器與硬件設備通信，進行數據處理和運算。而客戶端用于人機交互，如用文字、動畫顯示現場的狀態，并可以對現場的開關設備進行操作。

由服務器，客戶端構成的CMADA C/S結構中，可以有多個服務器，每個服務器可帶有多個I/O設備。客戶端可以訪問一臺或多臺服務器。服務器可配置在不同的機器上，甚至不同的操作系統平臺上，彼此分工協作，形成統一整體，構成了CMADA的分布式體系結構。

為了增加系統的可靠性，服務器端允許雙機熱備，重要場合可以一機多備。服務器雙機熱備一般是將兩臺機器配置相同，一臺作為主站，另一臺機器作為副站，主站完成服務器的正常工作，另一臺與其同步。當主站故障時，副站接替主站的工作。主站與副站是相對的，可互換的。雙機熱備包含I/O通道的熱備。由于多個客戶可以同時訪問一個服務器端，所以客戶端本來就是多重的。

CMADA系統硬件設備一般可以通過串口(RS232)點到點方式連接，也可以用RS485，以太網等總線方式連接到服務器上。總線方式與點到點方式區別主要在于：點到點是一對一，而總線方式是一對多，或多對多。

2.2 通訊系統

目前CMADA系統的通訊方式主要有兩種：有線和無線[2]。無線方式主要通過無線數據傳輸電臺構成專用通信網，但存在著電臺設備的更新和傳輸協議中數據傳輸檢錯、糾錯能力等問題，其可靠性和有效性有待提高。有線方式比較多：架空明線，同軸電纜，光纖等。在有線上傳輸大體分為基帶傳輸和調制傳輸，基帶傳輸在介質上傳輸的是數字信號。調制解調傳輸是要經過模擬數字變換的傳輸。目前有線網通訊技術的可利用率更高，發展前景較好。

2.3 遠程終端單元

遠程終端單元RTU一般包括通訊處理單元、開關量采集、輸出單元，模擬量采集、輸出單元、和脈沖量采集、輸出單元等構成。CMADA系統能夠掃描遠程終端單元RTU，對各種所需的參數進行實時監測，使操作人員能及時、準確地了解系統工況。

2.4 支撐硬件

2.4.1 CMADA系統要求連續工作，不得中斷，所以對電源系統要求比較苛刻，除了雙回供電，還要求有保證系統供電的UPS系統。

2.4.2 監視器：可通過圖形用戶界面GUI訪問CMADA數據庫中所有的數據，并可通過報表方式顯示時間信息和報警信息，使用歷史數據庫來顯示歷史和趨勢數據。

2.4.3 用于系統輸出的打印機系統，所有發生的報警事件均能通過A3網絡激光打印機在線自動打印，并帶有時間標簽和報警原因。

3 系統重要功能

3.1 設備各種參數狀態數據的采集和控制信息的發送

這部分涉及兩個含義：一是怎樣采集電氣設備參數狀態數據？它通常由智能綜保生產廠家解決，并提供可編程的通訊協議和協議處理芯片；二是設備狀態數據如何傳遞到主機系統處理？目前主機通常通過標準串口或I/O卡運行專用的上層采集模塊，從智能綜保中實時地采集設備各種參數的數據和發送控制信息；解決問題效率的高低表現在采集周期的長短上，這也是衡量一個系統是否適合于某個行業的一個重要指標。目前主機系統可以達到平均毫秒級的采集周期。

3.2 實時數據庫

先進的監控組態軟件都有一個實時數據庫作為整個系統數據處理、數據組織和管理的核心。實時數據庫無縫地集成了數據庫與定時性，利用實時數據庫可以完成以下應用：

（1）記錄實時過程的歷史數據，用于過程存檔、歷史數據查詢、事故分析、系統建模等。

（2）連接各種類型的監控設備（如：智能綜保、馬達控制器、變頻器等），配以監控界面，實現自動監控。

（3）通過數據庫網絡通訊功能構建分布式應用系統。

3.3 人機界面

人機界面由很多窗口組成，窗口包含圖形和文字。文字和圖形可動態變化。如文字可顯示現場I/O量的大小，圖形的顏色變化表示現場狀態量的改變等。

人機界面開發環境中提供了各種繪畫工具，如：畫矩形、橢圓、文字、位圖等工具。將采集的數據，用計算機圖形技術展示給用戶。同時提供了動畫連接手段，使圖形、文字等與現場的數據相關聯。現場數據變化則畫面上圖形顏色、位置等也相應改變，通過觀察畫面上的圖形文字就可以知曉現場的狀態。比如在圖上存在一個指示燈，與實時數據庫內的一個離散變量X進行動畫連接，那么當X=0時指示燈為綠色，X=1時指示燈為紅色。

CMADA系統還需提供可以開發復雜圖元和對象圖元的工具，讓用戶可以根據自己的需要開發圖元。這是因為一個軟件即使功能再強大，提供的圖元再多也有可能滿足不了用戶的所有需求。

趨勢圖是人機界面不可缺少的組成部分。趨勢圖以曲線的形式顯示過程數據庫中實時數據或歷史數據。一般實時數據和歷史數據分別在不同的趨勢圖中顯示。一幅趨勢圖中通常可以顯示多條曲線，曲線可以放大、滾動。

報表是人機界面的重要組成部分。開發環境提供專門的報表生成工具，方便的形成各種報表。報表中的數據可以有瞬時值、歷史值、統計值。還可以讓報表定時打印。另外，還可以利用CMADA的Excel插件，用MsExcel生成報表。

此外，在人機界面中還有許多其它種類的組件，如：XY曲線、報警瀏覽、總貌等。另外，人機界面幾乎都是OLE容器，可以嵌入OLE對象，或ActiveX控件。

3.4 報警與事件

報警是過程狀態出現問題時發出的警告，同時要求操作人員做出響應。當一過程值超出用戶自定義的極限時，譬如模擬量超出了上限值，報警即被觸發。報警模塊主要包括如下類型的報警信息。

開關量輸入狀態變化報警，指開關量輸入信號的狀態發生改變，如斷路器的位置從合變為分。這種狀態變化可能對系統的運行有嚴重的影響。

模擬量超限報警，指模擬量超過或者低于設定的限值，比如電機繞組或軸承溫度高于設定值，這種狀態的可能會導致設備安全事故。模擬量報警一般包括上上限、上限、下限、下下限等，有時用顏色加以區分。

其他報警包括變化率報警、偏差報警、異常報警等。更復雜的報警可以通過對測量值進行數學運算，然后對運算結果進行報警檢查而產生。發生報警后，操作員可以通過報警畫面對報警進行“確認”，“確認”就是告訴系統我知道了發生的事，以免系統再次提醒。報警信息，報警確認信息，報警恢復（報警消除）等信息都可以被系統自動記錄下來。報警按照重要程度可分為多個優先級，如：低級、高級、緊急。

報警發生時系統可以通過多種方式通知用戶，如：彈出報警窗、發出聲響，甚至可以發送短信或電子郵件。報警事件會被寫入歷史報警記錄，如有需要，可將它打印出來。

事件表示了系統正常狀態時的消息，當某一系統條件滿足時，事件即被觸發，它不要求操作人員響應，其查詢和記錄方法與報警相同。

3.5 事故追憶和趨勢分析

監控的另外一個目的是評價生產設備的運轉情況和預測系統可能發生的事故。在發生事故時能快速地找到事故的原因，并找到恢復生產的最佳方法。

為了分析系統出現故障時系統的狀態，便于找出事故原因，需要知道各個重要點數據和時間。這就需要事故追憶(SOE)。SOE事件記錄的實質是具有時標的信息（也就是在信息上打上時間標簽），主站端需要把這些數據讀出來并顯示，存入歷史報警數據庫中。從這個意義出發，實時歷史數據的保留和系統操作情況記錄變得非常重要。因而評價一個CMADA系統，其功能強弱最為重要的指標之一就在對實時歷史數據記錄和查詢的準確和高效上面。

SOE系統需要整個系統的時鐘同步，而且要求同步精度很高（1mS），所以對整個系統要求很高。過去很難有一種辦法解決這個問題，現在的網絡時鐘同步和GPS可以很好的解決。

3.6 歷史數據存儲

歷史數據是整個CMADA系統的財富。歷史數據是按照時間或者其它規則把實時數據轉成歷史記錄。歷史數據對于生產狀況分析、實現先進/優化控制、以及生產事故分析非常重要，所有重要的電氣數據都會進行長期歷史保存。

歷史數據的記錄很龐大，一年的記錄數據可能就有幾個GB甚至幾十個GB。所以對歷史數據庫服務器的內存和存儲以及CPU的速度要求比較高。因為在數據挖掘的時候，需要大量的訪問歷史數據。為了節省存儲介質空間，對保存的數據使用壓縮保存。常用的保存方式有周期性保存和變化保存（數據只有變化到一定程度才保存）。

4 CMADA系統的設計要求

在CMADA系統設計時，系統選用的軟、硬件，要求可靠性高、開放性好、適應性強，既能保持向下兼容，又能適應未來系統擴充的需要。要選擇有實力，有經驗的CMADA產品供應商。設計原則第一要采用標準化、通用化和系列化的計算機硬件產品。第二要采用符合國際標準或產業標準的成熟可靠的軟件產品。軟件要具有良好的模塊化以及標準的互聯接口，便于組成各種規模的系統及產品和技術的更新換代。第三要采用智能化自控設備，保證實時數據傳遞的快速、準確、有效、完整。

5 聚烯烴項目中的CMADA系統設計

聚烯烴項目包括三個大型生產裝置：LLDPE、PP、PHU；每個生產裝置均有自己獨立的變電所和控制室。CMADA系統監控范圍包括34.5/13.8/4.16/0.48 kV變壓器，13.8kV、4.16kV中壓開關柜、0.48kV低壓配電柜和MCC柜，以及UPS和直流電源柜、報警盤等變配電設備。

CMADA系統及中、低開關柜的供貨商是SCHNEIDER集團美國分公司SQUARED公司，CMADA現場設備層采用的是GE公司750、745、469等系列綜合保護裝置、智能型馬達控制器等智能變配電監控/保護產品。這些產品適應各種電壓等級，按設備對應分布式安裝在各個開關柜內，與開關、變壓器、機泵馬達等設備直接聯系，實現模擬信息、數字信息的采集、傳輸及控制等功能。智能設備間采用Belden 9481雙絞線串接起來，將有關信息輸送至網絡通訊層的通訊控制器。同時這些產品不依賴于網絡而獨立完成對電氣設備的保護監控等功能，實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。實時顯示電氣設備工作狀態、運行參數、故障信息和事件記錄、保護定值等。

網絡通訊層產品采用施耐德公司的EGX400網關網絡通訊控制器，使用Modbus，Ethernet TCP/IP協議。用于完成現場設備層和主站監控管理層之間通訊數據的上行和下達；控制器安裝在各組開關柜的進線柜或電容器柜內，具有多種下行口配置可選，每個下行口最多可帶32個智能通訊單元。其具有獨立的前置機功能，可不依賴于主站監控計算機系統獨立運行，完成通訊數據采集、協議轉換、數據組態、總線轉換、同時與主站進行數據交換，實現與上級監控系統信息資源共享。網絡通訊層作為現場設備與監控管理系統之間數據信息交換的橋梁通道，處理解決配電系統監控回路多、信息量大、實時性差、設備通訊協議不統一、總線不兼容的通訊問題。

圖1、圖2、圖3分別是中壓開關柜、低壓開關柜和MCC柜的內部網絡通訊圖。

CMADA系統需要整個系統的時鐘同步，而且要求同步精度很高，所以系統采用GPS時間信號來同步所有的數據收集設備的內部時鐘。GPS信號通過BELDEN 8760電纜在設備間串聯，見圖4。

主站監控管理層是CMADA系統最上層部分，分兩級管理。即控制室的CMADA工作站及下屬各自變電所的CMADA工作站，工作站由計算機硬件設備和系統監控管理軟件等組成，用于監控各自區域配電系統、電動機的運行狀態和智能保護繼電器的參數數據。另外，通過硬接線直接接受來自進線及母聯斷路器的各種狀態信號。

變電所的CMADA工作站負責對采集的現場各類數據信息自動計算處理，同時通過光纖以太網向控制室的CMADA工作站提供數據。控制室的CMADA工作站通過通訊接口與DCS（Distributed Control System）系統相連，實現數據交換和信息共享。

在控制室的CMADA工作站是人機交互的直接窗口，可利用監控管理軟件和豐富友好的圖形界面，顯示整個配電系統電的監測數據、異常報警信號等，提供監測數據的報表、運行狀態圖、參數圖和電能數據分析等畫面。不同操作級別人員可根據不同的權限方便的進行遠程參數修改、歷史數據查詢、時間報警記錄查詢和報表統計管理工作。實現整個變配電系統的遙信、遙測、遙控、管理等功能。

圖1 中壓開關柜內部網絡通訊圖

圖2 低壓開關柜內部網絡通訊圖

圖3 MCC柜內部網絡通訊圖

圖5、圖6分別是變電站內CMADA網絡通訊圖和變電站與控制室之間的CMADA網絡通訊圖。

圖5 變電站內CMADA網絡通訊圖

圖6 控制室之間的 CMADA網絡通訊圖

6 結論

以前，大多數石化裝置配電系統沒有實現智能化控制。但隨著具有網絡通信功能的智能斷路控制器、馬達控制器、綜合電量測控等儀表在配電柜上的應用，使得通過現場總線實現配電系統智能化成為可能。這樣配電柜的電參量信息、馬達，斷路器狀態信息，通過CMADA系統或主控室DCS電氣界面，呈現給裝置工藝人員，實現對各種用電設備的正常及事故情況下的監測、保護、控制、電力計量[3]。這就是以“四遙”監控、數字式保護、現場總線、計算機等技術為基本要求的CMADA智能配電監控管理系統，作為技術成熟的一種標準化的配置在石化裝置中的應用。

[1] YPC-E15-S01_1 Electrical Power CMADA System [S].

[2] 王鐵鋼.SCADA系統[M/OL]. 北京易控微網科技有限公司.hppt://www.docin.com/p-598283620.html/2014-06-08.

[3] 吳澤生,吳艷萍.數字化電氣監控管理系統的探討[J].電力自動化設備,2004,24(1):94-97.