天然氣管道SCADA系統建設與研究

李華杰

(中石油中亞天然氣管道公司，北京100007)

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天然氣管道SCADA系統建設與研究

李華杰

(中石油中亞天然氣管道公司，北京100007)

摘要：為確保中哈天然氣管道在境外達到“站場無人操作、有人值守”和“閥室無人值守”的運營能力，采用了先進的監控和數據采集SCADA(supervisory control and data acquisition)系統。完整分析了SCADA系統的結構和調控中心，輸氣管理處,輸氣站控,站場設備,線路截斷閥室,北京調控中心的功能、配置、數據傳輸和控制原理，為境外長輸油氣管道的自動化建設提供了經驗。

關鍵詞：天然氣管道監控和數據采集結構自動化

中亞天然氣管道作為國內首條長距離跨越多國的天然氣管道，采用雙管鋪設，單線全長1 833 km。 該項目從2008年7月正式開工建設，于2010年8月底實現雙線通氣。中哈天然氣管道作為該管道的一部分，采用了監控和數據采集SCADA(supervisory control and data acquisition)系統作為管道投產運營之后的主要管理手段，其先進與否在很大程度上決定了管道的科技水平。

1SCADA系統結構

SCADA系統是以計算機為基礎的自動化監控系統，應用于電力、冶金、石油、化工等領域的數據采集與監視控制及過程控制等，通過主機和以微處理器為基礎的遠程終端設備RTU(remote terminal unit)、PLC及其他輸入/輸出設備的通信，實現整個工業網絡的監控，從而保證系統的安全運作及優化控制。SCADA系統非常適用于長距離、遠程設備對象，可實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能[2-5]。

中哈天然氣管道SCADA系統由調控中心、管理處、站場控制系統和閥室控制系統構成。根據實際特征和需要，該系統分為三層(級)控制： 調控中心遠程操控；獲得調控中心授權的各站場站控室控制；操作人員現場控制。在一般情況下，由調控中心遠程控制，站場可以實現無人值守或者僅有操作人員處于監視狀態，現場沒有控制權。在某些情況下，調控中心可以授權站場，使站場操作人員具有控制權，此時調控中心處于監視狀態。在某些特殊情況下，可以由現場人員直接操作控制。分層控制既劃清了調控中心和站場之間的職責和權力范圍，避免了控制沖突，同時又兼顧各種可能發生的情況及應該采取的措施，極大地豐富和提高了管道運行和管理的策略性和靈活性。

整個SCADA系統采用SCADA Vantager系列軟件產品，各站場的控制設備采用AC800M系列PLC，截斷閥室采用RTU560C遠程終端設備。作為主要負責采集數據和控制的系統，該系統的數據流程如圖1所示。數據從現場的設備層被采集，送到各站場的控制設備和數據存儲設備層，再經過隨管道鋪設的光纖或者衛星通信系統傳至調控中心(通常狀態是通過光纖傳輸，在特殊情況下切換到備用的衛星系統傳輸)，實現數據的上傳。調控中心的命令經過光纖或者衛星系統傳至各站場，再由各站場的控制設備下達至具體的設備層，實現命令的執行。同時，在各站場的控制層也可實現對設備層數據的采集和命令的下達。

圖1　SCADA系統數據流程示意

該SCADA系統采用多種通信協議，符合中哈天然氣管道的實際特征。從現場設備層往上直到調控中心層，擁有許多不用的設備，各設備的接口也不盡一致，這就導致從最底層的現場設備層到站場的服務器的通信協議有多種，如Profibus，Modbus，串行口，以太網口等。而從站場服務器到調控中心服務器，則均采用冗余的OPC通信。同時，站場的服務器和現場的PLC之間也采用OPC

通信。該配置既保證了各設備能正常通信，又有效地保證了一致性，擁有諸多好處。

2調控中心

2.1調控中心的功能和結構

調控中心處于三級控制的最頂層，起到對整條管道集中管理和監控的功能。調控中心接收來自各個站場和RTU閥室的上傳數據，同時調度員可以根據管道的運行情況對壓氣站和RTU閥室的設備進行遠程控制。調控中心的數據可上傳至位于北京的中國石油調控中心和位于阿斯塔納的哈薩克斯坦國家油氣公司的調控中心。

調控中心的結構如圖2所示。其主要設備包括： 實時數據服務器、歷史數據服務器、工程師工作站及在線模擬仿真系統、離線仿真系統、操作員工作站、大屏幕、打印機、光纖路由器等光纖通信設備、衛星路由器及天線等衛星通信設備。重要設備如服務器、工作站、通信網絡等都采用冗余配置，當目前設備出現故障時，自動切換到熱冗余的備用設備，提高了調控中心的故障容忍性和生產連續性。特別是調控中心與各站場和閥室的通信，在一般狀態下通過光纖通信，在特殊情況下可切換到衛星通信，保證了調控中心與現場通信的雙重冗余。調控中心與各站場間采用目前在工業領域應用很廣泛的OPC通信協議。調控中心作為OPC的服務器，各站場和閥室作為OPC的客戶端，通過服務器/客戶端模式實現數據的傳遞。

圖2　中哈天然氣管道調控中心結構示意

實時數據服務器和歷史數據服務器是調控中心的核心設備，實質上是兩個數據庫： 實時數據庫和歷史數據庫。實時服務器負責實時接收和預處理來自現場的數據并提交給操作員站實時監控，例如實時趨勢圖和設備實時狀態等。操作員通過操作員站下達的命令也通過實時服務器處理，然后下達至相應的站場和設備層。實時服務器處理的所有數據都同步傳至歷史服務器作長期記錄，在此存放與調控中心相關的一切數據，包括現場設備數據、下達的指令、事件和報警記錄等。

工程師站是調控中心的配置站，對調控中心所作的調整都應該在這里進行，與操作員站構成了調控中心的兩個對外窗口。通過工程師站可以修改實時服務器、歷史服務器、通信配置等參數，但不可直接在此下達調控指令。操作員站是調控中心的操作平臺，實現監控和管理管道的功能。通過操作員站，可以實時監視現場設備、下達操控指令，自動生成日報、周報或者月報。調控中心的大屏幕和操作員站連在一起，大屏幕實時展現操作員站的界面內容。

2.2調控中心的配置

實時數據服務器和歷史數據服務器均采用HP DL580G5，裝有SCADA Vantager服務器軟件。調控中心設有存儲量巨大的磁盤陣列作為歷史數據存放處，采用Oceanspace+V1300N，HMI(human machine interface)作為應用層面，設有工程師站、操作員站和仿真操作站。工程師站配置HP Z400工作站，裝置有OPC通信軟件、SCADA Vantager客戶端軟件等。操作員站配置HP Z400工作站，裝置流程圖畫面等人機界面程序。仿真操作站配置HP DL350G6，裝置Stoner仿真軟件，通過仿真軟件模擬管道的動態運行，對管道的實際運行起預測和分析作用，并可用于培訓調度員。

3輸氣站場的控制系統

3.1輸氣站場控制系統的功能和結構

各輸氣站場是最基層的管理單元，直接面對生產過程和裝置，是各個站場的大腦。各站場的控制系統構成了SCADA系統的核心支撐部件和主體，它既可只具備監視功能，由調控中心直接管理站場，也可以切換到站場獨立管理控制站場的模式[6-7]。

站場控制系統按照功能可分為3個子系統： 站控系統SCS(station control system)、火氣系統FGS(fire & gas system)、緊急停車系統ESD(emergency shutdown device)。其中，SCS負責站場的日常生產控制，與生產相關的各儀表、設備等均連到SCS；FGS負責處理在站場出現火焰或氣體泄漏等緊急事故后的報警和滅火事宜，主要是將可燃氣體探頭、火焰探頭、消防控制器等設備連至FGS；ESD是在站場發生緊急情況時為避免危險采用的，按照危險程度分為三級： 全站停產并放空、壓縮機組停產并放空、壓縮機組停產不放空。

按照站控系統結構可以分為兩層： 上位機層；下位機和現場設備層。上位機層由冗余服務器、工程師站、操作員站、通信網絡等通信設備、打印機等設備構成；下位機層由PLC系統、站場各具有遠控功能的儀表和設備構成。重要設備如服務器、PLC、工程師站、操作員站等都采用冗余配置，確保在運行設備出現故障時仍不影響生產。

服務器和PLC是站控系統的核心。服務器負責接收來自現場第三方設備和PLC的數據并預處理，然后呈給操作員站實時監控并傳送至調控中心。同樣，操作員站下達的指令或來自調控中心的指令經由服務器直接到第三方設備或通過PLC下達至各現場儀表及設備。工程師站負責修改站控系統的配置。操作員站供操作員實時監控整個站場。通信設備負責連通站場和調控中心，在站場端也有光纖通信和衛星通信兩種模式，在通常情況下采用光纖通信，衛星通信作為備用。站場SCADA服務器通過OPC協議和PLC系統間通信，此時，SCADA作為服務器，PLC作為客戶端。SCADA服務器在和調控中心SCADA服務器通信時，站場端SCADA服務器為OPC客戶端，調控中心端SCADA作為服務器。

下位機的PLC作為現場數據處理和通信的核心，處于服務器和現場設備的中間層，具有采集現場數據、預處理數據、實現自動控制邏輯、與上位機通信、執行上位機指令的功能。PLC與I/O模塊之間采用Profibus協議。位于站場附近的清管站也有站場控制。清管站沒有PLC等控制系統，僅有I/O模塊，它通過Modbus協議連至站場的SCS PLC和FGS PLC，在站場控制系統內統一控制清管站。如上文所述，站控系統包括SCS PLC,FSG PLC,ESD PLC，分別承擔各自的功能。SCS PLC 連接現場生產相關的儀表及設備部分第三方設備，實現對生產的控制；FGS PLC連接現場的各火焰、氣體、溫度探頭和火災控制器、消防泵、二氧化碳滅火裝置等消防裝置，實現在出現火災和氣體泄漏等情況下及時發現并處理；ESD PLC連接現場的各ESD閥等設備，在站場出現緊急情況時，緊急停車關斷，保障站場人員和設備的安全。

SCS PLC，FGS PLC和ESD PLC既各自獨立，又互相統一。例如，火焰探頭發現某處有火焰，FGS PLC會先進行邏輯判斷并響應，如站場警報拉響、滅火裝置啟動等，如果情況嚴重，FGS PLC還會通知ESD PLC采取動作避免產生事故。FGS PLC 和ESD PLC都根據站場的邏輯程序和因果關系預置了各種情況發生時的應對措施，實現了安全自動化。

站場還有一部分第三方設備不經過PLC系統，直接接入服務器，如壓縮機組控制系統、發電機組控制系統等。通常，這些設備都采用以太網口或者串行口通信，因而通過站控系統就可以操控這些第三方設備，實現全站設備的自動化。

3.2輸氣站場控制系統的實現及配置

站控系統硬件和軟件配置： 數據服務器采用HP DL388G6，該機器上配備SCADA Vantager服務器軟件，負責數據處理和存儲。工程師站和操作員站都采用HP Z400工作站，工程師站裝有SCADA Vantager客戶端和AC 800M系列PLC的組態軟件Control BuilderM等，供工程師根據需要組態PLC和服務器并進行故障診斷；操作員站裝有SCADA Vantager操作界面，供操作員監控全站的設備和儀表，了解站內各區域的狀態。SCS，ESD和FGS都采用AC 800M系列PLC控制器，接收來自HMI層面的指令。

工程師站安裝的Control Biulder M 軟件通過RS-232/以太網協議和PLC連接，對PLC進行修改配置。PLC通過OPC協議和站場SCADA服務器通信，通過SCADA Vantage軟件處理實時數據，并可通過SQL數據庫軟件將實時數據導入歷史數據庫中。操作員站安裝SCADA Vantager客戶端和通過VB6開發人機界面軟件。同時，還可以通過工程師站安裝的VB6開發改進HMI軟件，整個軟件系統圍繞SCADA Vantager展開，具有很強的靈活性。

4計量站控制系統

4.1計量站控制系統的功能結構

計量站為天然氣的貿易交割提供依據和保障，關系到天然氣買賣雙方和管道業主及各過境國等各方的實質利益，是中亞管道最重要的組成部分之一。中哈管道的2座計量站的控制系統基本和輸氣站場的控制系統相同，具有同樣的結構。計量站以計量為主，核心設備是超聲波流量計，沒有壓縮機組，因而其結構相對于輸氣站場更為簡單。

計量站控制系統按功能也劃分為SCS，FGS，ESD3個子系統，每個子系統的結構和功能與站場控制系統一致。計量站控制系統的獨特之處，即通過串口/以太網口將流量計算機和分析小屋等計量和氣體分析的數據連入站場SCADA服務器。

4.2計量站控制系統的實現及配置

計量站控制系統的硬件和軟件配置與站場的配置相同。

5線路截斷閥室的控制系統

干線閥室起到緊急情況下關斷閥室、保障管道安全、減小影響的作用。此外，通過干線閥室安裝的儀表可以及時有效地獲得管道和氣體參數。根據實際需要，中哈天然氣管道全線的33座閥室裝有RTU系統，與傳統閥室相比，裝有RTU系統的閥室不僅可以實現遠程操控，還使RTU閥室具備自動控制功能，通過預先設置的邏輯程序，在出現某種情況時RTU系統自動操作，提高了干線管道的自動化水平。干線RTU閥室是整個管道SCADA系統的重要組成部分，它使各站場不再是孤立的單點，使管道管理層和調度員對管道的信息掌握得更全面和準確。

RTU閥室的結構和站場控制系統一樣，也分為上位機層和下位機層，但結構和設備比站場系統簡單得多。上位機層包括觸摸屏構成的人機界面ADVANTECH TPC-1770H和通信設備；下位機包括專用于小型遠程控制的的RTU 560C系統。

RTU560C和通信設施采用冗余配置。RTU 560CI/O系統接收閥室現場儀表等設備的數據，傳至RTU560C 系統預處理后，實時呈現給觸摸屏HMI，同時通過安裝于閥室的光纖通信設備傳至調控中心(與站場鄰近的RTU閥室的數據先傳至站場控制系統，然后由站場控制系統傳至調控中心)。調控中心指令的傳遞沿此路徑反向傳遞，可以操控閥室的截斷閥等設備。

操作員除了可以遠程操控閥室，還可以在現場通過觸摸屏上位機直觀獲得現場數據并操控閥室。當RTU檢測到數據超過報警限就會產生報警信號，如果根據植入的邏輯程序判斷情況比較嚴重，就會產生動作，關斷閥室，保障管道的安全。

6輸氣管理處監視系統

根據需要，中哈天然氣管道在管道途徑的三個州設有3處輸氣管理處，作為當地的運行管理機構。每個輸氣管理處都具備監視功能，但不具備控制功能。根據設立原則，輸氣管理處的監視系統結構簡單，僅有1只路由器接收來自調控中心的實時數據，經過監視計算機提供管道運行相關信息，供管理處層級人員指導生產。

7結論

中哈管道SCADA系統結構精簡，功能強大，將管道沿線的各輸氣站場、清管站、計量站、RTU閥室、管理處和調控中心有機連接成一個整體，實現了中哈天然氣管道的生產運行數據向國內調控中心的傳輸。截至2014年SCADA系統已連續運行3年多，有力確保了海外管道的安全生產。

參考文獻：

[1]孫鵬.中哈天然氣管道SCADA通信EPC中的設計管理研究.天津： 天津工業大學, 2011： 5-20.

[2]張寧.SCADA系統在長輸管線中的應用.廣東化工,2007(09)： 122-123.

[3]崔紅升.信息化再造管道運營技術.油氣儲運,2003(10)： 1-4.

[4]周昊，王磊，王曉剛，等.數字化管道技術在輸氣管上的應用研究.天然氣與石油,2007(01)： 3-6.

[5]張權.SCADA系統在長輸管道系統中的應用研究.化工管理,2013(14)： 75-76.

[6]黃春芳.油氣管道儀表與自動化.北京： 中國石化出版社，2009： 76-80.

[7]黃春芳.天然氣管道輸送技術.北京： 中國石化出版社，2009： 121-125.

[8]謝孝宏.構架原油長輸管道SCADA/OPS系統的探討.石油化工自動化，2006，42(03)： 26-30.

Construction and Study of SCADA System of Natural Gas Pipeline

Li Huajie

(Trans-Asia Gas Pipeline Company Limited, Beijing, 100007, China)

Abstract：In order to fulfill the purpose of “station unmanned operation, only duty” and “valve chamber unmanned operation” at oversea, China-Kazakhstan natural gas pipeline adopts advanced SCADA (supervisory control and data acquisition) system. The structure, regulation control center, gas management office, gas transportation station, station equipments, line block valve chambers, and functions, configuration, data transmission, control principles of Beijing control center are completely analyzed for SCADA system.

Key words：natural gas pipeline; monitoring and data acquiring; structure; automation

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0024-04

作者簡介：李華杰(1983—)，男，湖北枝江人，2009年畢業于清華大學自動化專業，獲碩士學位，現就職于中石油中亞天然氣管道有限公司，主要從事自控、信息化方面的研究，任工程師。

稿件收到日期： 2014-11-27。