OPC技術在天然氣管道SCADA系統中的應用

邱昌勝

(中國石油中亞天然氣管道有限公司，北京 100007)

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OPC技術在天然氣管道SCADA系統中的應用

邱昌勝

(中國石油中亞天然氣管道有限公司，北京 100007)

為確保SCADA系統對現場多個設備的控制單元實現數據通信和共享， 敘述了中亞天然氣管道中SCADA系統現有的數據通信系統結構，遵循SCADA系統數據實時性和易于維護的原則，在數據通信中使用了OPC技術，制訂了最優化和切合實際的數據通信方案，保證了中亞天然氣管道安全穩定的運行。

數據采集與監控系統OPC協議天然氣管道

中亞天然氣管道是落實國家“一帶一路”的油氣產業合作項目，起始于土庫曼斯坦與烏茲別克斯坦邊境的格達伊姆地區，并穿越烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦境內，在新疆維吾爾自治區霍城縣進入中國境內，與同期建設的西氣東輸二線和三線銜接。目前C線壓縮機站場正在建設當中，已經投入運行的AB線在哈薩克斯坦境內共設5座壓氣站和33座RTU閥室，每年將來自于土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦的清潔能源天然氣輸入中國，滿足中國經濟高速發展的能源需要。5座壓縮機站場的SCADA系統已經安全平穩運行了多年，為中亞天然氣管道的生產運行提供了有力保證。

1　中哈管道SCADA系統數據通信組成

SCADA系統是對分布距離遠，生產單位分散的生產系統進行數據采集、監視和控制的系統，在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置使機器設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行。SCADA系統包含了兩層結構： 第一層為過程控制層，負責現場儀器的數據采集和工藝過程的邏輯控制系統；第二層為生產管理層，負責生產管理的數據處理和顯示。為了保證生產的正常運行，自動控制系統中通過各種儀器儀表和各種生產控制設備，能自動調節、檢測現場的各種生產參數并進行生產的無人工干預，增加了產品的產量和質量，同時降低了成本和勞動強度，保證了生產安全。但這些生產控制設備往往來自不同的生產商，硬件的控制單元采用了不相同的設計標準和通信規約，與其連接的應用程序之間的接口也難以有統一的標準，這給系統集成商的控制系統硬件集成帶來了難度，導致SCADA系統的數據通信的互操作性和穩定性差。

中亞天然氣管道采用了某著名廠商的SCADA系統，底層控制模塊通過對現場各種智能儀表的數據采集并對采集的數據進行信息處理，按照預訂的控制方案對天然氣管道的輸送進行調節和控制，確保管道的安全持續運行。上位機部分的人機界面作為SCADA的應用管理程序，也是系統的重要組成部分，負責控制信息的處理，包括過程參數的實時通信、報警、歷史數據存儲和顯示等，特別是壓縮機站場的壓縮機設備的各種參數，都要能夠正確地實現數據信息實時共享，便于阿拉木圖調度中心對全天然氣管道的數據監控。

同時，SCADA系統對數據的實時性要求嚴格，這樣能使生產監控人員隨時查看生產過程數據，以便快速做出判斷并發出控制指令。在中亞天然氣管道項目中使用的實時數據庫有著友好的人機畫面，支持各種工業數據通信接口，為了能夠實時、準確地顯示和控制生產工藝數據，并實現不同設備的數據共享，在該項目中主要設備的數據通信使用了OPC協議。OPC技術作為一種新的工業標準，定義了統一的工業標準化接口，能夠簡單地實現控制設備和控制系統的應用系統之間的數據交換。在中亞天然氣管道項目中，最重要的控制設備是壓縮機，而不同廠家的設備有著不同的自有通信協議和外部通信接口，因而與SCADA系統的數據通信協議的選擇就非常重要。SCADA系統的數據通信結構如圖1所示。

圖1　SCADA系統的數據通信結構示意

由圖1可知，針對SCADA系統的PLC控制器和壓縮機控制系統中的通信規約不同，信息共享存在一定困難，結合現場的實際情況使用了OPC技術的解決方案。

2　OPC技術特點及引用性分析

2.1OPC技術特點

OPC協議作為公開發布的技術標準，具有如下的技術特點：

1) 數據接口具有開放性。OPC協議是基于微軟Windows中的OLE/COM技術實現工業控制系統過程控制中的數據交換標準化，支持Internet網絡的遠程數據訪問，結合OPC協議的安全機制，保證了數據能夠安全地在網絡上實現遠傳。

2) 數據具有互聯性。OPC協議里面規定了一系列開放接口，支持OPC接口的第三方應用軟件系統都可以與這些接口進行自由的數據交換，簡化了工業控制中的所有數據通信問題。

3) 數據交換具有高效性。OPC協議能夠高效地實現數據間的交換，支持多用戶的數據請求，并具有高速的數據傳輸性能，同時也適合需要采集大量動態過程變量的場合。

4) 應用成本低。設備開發者可以使自控設備數據接口的開發簡單化和單一化，使用通用的開發工具，不必開發特別的接口，使得設備接口開發簡單易行。而作為最終用戶，可以方便地對不同的設備進行數據讀取，實現系統的升級和管理。

在實際的生產使用中，OPC的服務器可以分為多種類型，經常用的有數據存取(OPC DA)、報警和事件(OPC AE)、歷史數據存取(OPCHDA)和批量過程。在工業過程的分布式自動化中基本都支持OPC的結構體系，可以按照OPC的規范編寫一定的代碼，就可以與大多數的DCS以及SCADA系統等產品所帶的OPC服務器連接成功，取得所需的數據。

2.2OPC技術引用性分析

在中亞天然氣管道SCADA系統中，與第三方通信的協議有多種。但結合現場的實際需求，為了實現數據的實時交換和遠程信息的實時傳輸，簡化通信規約、降低系統維護成本、擺脫不同的設備束縛，充分利用OPC技術的優勢，實現數據的交換：

1) 增強SCADA系統的兼容性。OPC協議是以COM技術為基礎，與編程代碼語言和操作系統無關，同時對于OPC協議接口的執行具有重用性。當系統需要增加新的控制功能時，只需要增加新的OPC客戶端接口即可，不需要對原有的服務器進行更改，可以實現新舊系統的兼容性，大幅提高了控制系統的穩定性和重用性。

2) 增加SCADA系統的可靠性。OPC協議采用了客戶端/服務器模型，該模型將服務器和客戶端分離，可以使用不同的硬件和軟件結構，客戶端的任何使用不會影響服務器端的正常運行，使SCADA系統具有較高的可靠性，便于系統維護。同時，SCADA系統中不同的應用系統利用同一個OPC接口訪問設備，也避免了不同的驅動程序獲取同一設備的實時數據給設備的運行帶來的不穩定。在中亞天然氣管道的控制系統中，對同一數據源最少有2個客戶端在讀取數據，站場的SCADA系統和阿拉木圖調控中心的SCADA系統都直接通過OPC接口對現場控制設備進行數據交換。

3) 增強SCADA系統集成性。OPC協議是以面向對象為原則，全面封裝了服務器對象接口的功能，只對客戶端提供統一的接口方法和屬性，需要讀取數據的客戶端只需要遵從OPC協議規范，就可以直接進行相互的通信，使數據通信變得透明，同時也使系統的集成變得簡單。增加或減少客戶端可以變得相對簡單，不會影響原有系統的運行穩定性。

4) 增加系統的可擴展性。由于中亞天然氣管道穿越了4個國家，在各個國家內的SCADA系統各不相同，而統一調控中心位于北京，因而需要將過程控制數據實現遠傳。OPC協議利用了DCOM技術實現了遠程過程調用，提高了相互通信的程序對不同環境的適應性，便于北京調控中心的系統配置和擴展。

3　OPC技術在SCADA系統中的應用

通過對OPC技術的研究和分析，OPC技術在中亞天然氣管道的SCADA系統中得到了成功的應用。在中亞天然氣管道的SCADA系統架構中，對于壓縮機設備的實時數據交換就是利用OPC協議，同時對于現場的SCS，ESD和FGS系統則使用了OPC技術中的OPC DA和OPC AE進行讀取和處理。

站場的SCADA系統的控制網絡有壓縮機控制系統網段和SCADA系統網段，這是2個不同的網段。OPC協議在不同的網段之間使用了DCOM技術，首先需要在壓縮機的OPC服務器上進行DCOM配置，然后在SCADA系統客戶端上安裝OPC客戶端軟件進行數據的讀取。其中對壓縮機的數據讀取大約有300點，而SCADA系統的控制點有5000點。OPC技術的應用完全符合數據的實時性要求，同時也保證了SCADA系統的安全和穩定。

4　結束語

中亞天然氣管道中OPC技術得到了成功的應用，在實際的生產和運行中，根據生產的需要增加和擴展了許多應用功能，例如管道水利模擬系統以及準備投用和使用的SCADA報表系統。OPC技術在中亞管道SCADA系統中的成功應用，既增強了SCADA系統的穩定性，同時也保證了中亞管道的安全平穩運行。

[1]OPC基金會.OPC應用程序入門[M].北京： OPC(中國)促進委員會，2005.

[2]傅春霞.OPC數據訪問服務器的開發研究及實現[D].北京： 北京工業大學，2004.

[3]蘇彩虹，師潤.傳輸管道SCADA遠程通信技術的實施[J].自動化博覽，2010(09)： 74-77.

[4]李京，宋真君，凌志浩，等. 工控軟件互操作規范OPC技術講座[J].自動化儀表，2002，23(05)： 68-70.

[5]李華杰.天然氣管道SCADA系統建設與研究[J].石油化工自動化，2015，51(02)： 24-27.

[6]張震，張勇.SCADA系統在中緬天然氣管道調控運行中的應用[J].石油化工自動化，2015，51(03)： 25-28.

[7]朱鵬飛，夏陸岳，周猛飛，等.OPC技術在氯乙烯聚合過程軟測量中的應用[J].化工自動化及儀表，2014，41(05)： 571-574，589.

Application of OPC Technology in Natural Gas Pipeline SCADA System

Qiu Changsheng

(PetroChina Zhongya Natural Gas Pipeline Co. Ltd.， Beijing， 100007， China)

Abstracts： To ensure realization of data communication and sharing for SCADA system to control units of multiple equipments， the data communication system structure of current used SCADA in Zhongya natural gas pipeline is described. Following principles of real time data and easy maintenance for SCADA system， the optimized and practical data communication scheme is formulated with application of OPC technology in data communication to ensure safe and stable operation of Zhonya natural gas pipeline.

data collecting and monitoring system；OPC protocol；natural gas pipeline

邱昌勝，男，現就職于中國石油中亞天然氣管道有限公司，從事天然氣管道控制系統的設計工作。

信息技術

TP273

B

1007-7324(2016)04-0040-03

稿件收到日期： 2016-01-11，修改稿收到日期： 2016-06-10。