區(qū)域性油氣輸送管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)建設(shè)與研究

高山（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300451）

紀(jì)玉學(xué)（ABB（中國）有限公司，北京 100015）

李　勇（ABB（中國）有限公司，北京 100015）

區(qū)域性油氣輸送管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)建設(shè)與研究

高山（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300451）

紀(jì)玉學(xué)（ABB（中國）有限公司，北京 100015）

李勇（ABB（中國）有限公司，北京 100015）

為確保液化天然氣管網(wǎng)達(dá)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(jìn)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集SCADA系統(tǒng)。本文完整分析了SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主備調(diào)控中心，輸氣站場設(shè)備，閥室的功能、配置、數(shù)據(jù)傳輸和控制原理，為構(gòu)建區(qū)域油氣輸送管網(wǎng)提供參考。

液化天然氣管網(wǎng)；監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集；自動化

當(dāng)前我國油氣輸送管道主干線的投資周期已經(jīng)基本結(jié)束，而連接主干線與企業(yè)用戶、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的區(qū)域性輸送管道的投資建設(shè)仍有較大的需求。天然氣作為我國重要的清潔能源，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快及企業(yè)用戶對天然氣需求量的增加，省級區(qū)域輸送網(wǎng)絡(luò)將成為滿足下游企業(yè)及城市燃?xì)庥脩粜枨蟮闹匾緩?。本文以中海油福建省輸氣支干線管網(wǎng)項目為例，闡述上述區(qū)域輸送網(wǎng)絡(luò)的自動化系統(tǒng)的構(gòu)建及運營管理。該項目為中國第一個自主引進(jìn)、建設(shè)、管理的大型液化天然氣項目，包括接收站、碼頭和輸氣支干線管網(wǎng)三個單項工程，其中輸氣支干線管網(wǎng)項目最終將建成覆蓋福建省的天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)。液化天然氣輸氣支干線管網(wǎng)作為該項目的一部分，采用了監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集SCADA（supervisory control and data acquisition）系統(tǒng)作為管道投產(chǎn)運營后的主要管理手段，其先進(jìn)與否在很大程度上決定了管道的科技水平。

1　SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用于電力、冶金、石油化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制及過程控制等，通過主機和以微處理器為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備RTU (remote terminal unit) 、PLC及其他輸入/輸出設(shè)備的通信，實現(xiàn)整個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，從而保證系統(tǒng)的安全運作及優(yōu)化控制。SCADA系統(tǒng)非常適用于長距離、遠(yuǎn)程設(shè)備對象，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)及各類信號報警等功能。

福建液化天然氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)由主備調(diào)控中心、站場控制系統(tǒng)和閥室控制系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)實際特征和需要，該系統(tǒng)控制和管理分為三級：控制中心監(jiān)視、控制及調(diào)度管理；站場控制室控制；就地手動控制。在一般情況下，由調(diào)控中心遠(yuǎn)程控制，站場可以實現(xiàn)無人值守或者僅有操作人員處于監(jiān)視狀態(tài)，現(xiàn)場沒有控制權(quán)。在某些情況下，調(diào)控中心可以授權(quán)站場，使站場操作人員具有控制權(quán)，此時調(diào)控中心處于監(jiān)視狀態(tài)。在某些特殊情況下，可以由現(xiàn)場人員直接操作控制。分層控制既劃清了調(diào)控中心和站場之間的職責(zé)和權(quán)力范圍，避免了控制沖突，同時又兼顧各種可能發(fā)生的情況及應(yīng)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(tǒng)采用SCADA Vantage系列軟件產(chǎn)品，各站場的控制設(shè)備采用PLC控制系統(tǒng)，閥室采用RTU遠(yuǎn)程終端設(shè)備。作為主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和控制的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖1所示。數(shù)據(jù)從現(xiàn)場的設(shè)備層被采集，送到各站場的控制設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備層，再經(jīng)過專用通信網(wǎng)絡(luò)傳至調(diào)控中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。調(diào)控中心的命令經(jīng)過專用通信網(wǎng)絡(luò)傳至各站場，再由各站場的控制設(shè)備下達(dá)至具體的設(shè)備層，實現(xiàn)命令的執(zhí)行。通信網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)為光纖，冗余配置。同時，在各站場的控制層也可實現(xiàn)對設(shè)備層數(shù)據(jù)的采集和命令的下達(dá)。

圖 1 SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意圖

該SCADA系統(tǒng)采用多種通信協(xié)議，符合福建液化天然氣管網(wǎng)的實際特征。從現(xiàn)場設(shè)備層往上直到調(diào)控中心層，擁有許多不同的設(shè)備，各設(shè)備的接口也不盡一致，這就導(dǎo)致從最底層的現(xiàn)場設(shè)備層到站場的服務(wù)器的通信協(xié)議有多種，如PROFIBUS、Modbus、串行口等。而從站場服務(wù)器到調(diào)控中心服務(wù)器，則采用冗余的OPC通信。同時，站場的服務(wù)器和現(xiàn)場的PLC之間采用OPC通信。該配置既保證了各設(shè)備能正常通信，又有效地保證了一致性。

2　調(diào)控中心

2.1調(diào)控中心的功能和結(jié)構(gòu)

調(diào)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(jiān)控的功能。調(diào)控中心接收來自各個站場和RTU閥室的上傳數(shù)據(jù)，同時調(diào)度員可以根據(jù)管道的運行情況對各個站場和RTU閥室的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制?，F(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)可上傳至位于秀嶼的調(diào)度控制中心和位于福州的備用調(diào)控中心。SCADA系統(tǒng)服務(wù)器采用冗余和分層結(jié)構(gòu)，使得主調(diào)度控制中心和備用調(diào)度控制中心異地配置成為可能。SCADA Vantage系統(tǒng)支持異地災(zāi)難恢復(fù)服務(wù)功能，在主服務(wù)器崩潰后自動授權(quán)給異地備用服務(wù)器。在正常狀態(tài)下，主服務(wù)器通過內(nèi)部同步協(xié)議同步備用服務(wù)器。

調(diào)控中心的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要設(shè)備包括：實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站及模擬仿真系統(tǒng)、操作員站、大屏幕系統(tǒng)、打印機、光纖路由器等光纖通訊設(shè)備。重要設(shè)備都采用冗余配置，如服務(wù)器、工作站、通信網(wǎng)絡(luò)等，在當(dāng)前設(shè)備出現(xiàn)故障時，可自動切換到熱冗余的備用設(shè)備，提高了調(diào)控中心的故障容忍性和生產(chǎn)連續(xù)性。調(diào)控中心與各站場間采用目前在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的OPC通信協(xié)議。調(diào)控中心作為OPC服務(wù)器，各站場和閥室作為OPC的客戶端，通過服務(wù)器/客戶端模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

圖2　天然氣管道通信架構(gòu)示意圖

實時數(shù)據(jù)服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器是調(diào)控中心的核心設(shè)備，實質(zhì)上是兩個數(shù)據(jù)庫：實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。實時服務(wù)器負(fù)責(zé)實時接收和預(yù)處理來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)并提交給操作員站實時監(jiān)控，例如實時趨勢圖和設(shè)備實時狀態(tài)等。操作員通過操作員站下達(dá)的命令也通過實時服務(wù)器處理，然后下達(dá)至站場和設(shè)備層。實時服務(wù)器處理的所有數(shù)據(jù)都同步傳至歷史服務(wù)器作長期記錄，在此存放與調(diào)控中心相關(guān)的一切數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)、下達(dá)的指令、事件和報警記錄等。

實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)都可以通過趨勢圖再現(xiàn)?；谧畛醯脑O(shè)計定義，丟失數(shù)據(jù)可以通過回填方式代替。數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫形式儲存，數(shù)據(jù)庫采用服務(wù)器/客戶端的分布式開放架構(gòu)。

工程師站是調(diào)控中心的配置站，對調(diào)控中心所有的調(diào)整都應(yīng)該在這里進(jìn)行，與操作員站構(gòu)成了調(diào)控中心的兩個對外窗口。通過工程師站可以修改實時服務(wù)器、歷史服務(wù)器、通信配置等參數(shù)，但不可直接在此下達(dá)調(diào)度指令。操作員站是調(diào)控中心的操作平臺，實現(xiàn)監(jiān)控和管理功能。通過操作員站，可以實時監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備，下達(dá)操控指令，自動生成日報、周報或者月報。調(diào)控中心的大屏幕系統(tǒng)和操作員站連接，可實時展現(xiàn)操作員站的界面內(nèi)容。

2.2調(diào)控中心的配置

實時數(shù)據(jù)服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器均采用HP DL580G，裝有SCADA Vantage服務(wù)器軟件。調(diào)控中心設(shè)有存儲量巨大的磁盤陣列作為歷史數(shù)據(jù)存放處，HMI（human machine interface）作為應(yīng)用層面，設(shè)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，裝有OPC通信軟件、SCADA Vantage客戶端軟件等。操作員站配置HP Z400工作站，裝有流程圖畫面等人機界面程序。仿真操作站配置HP DL350G工作站，裝有仿真軟件，通過仿真軟件模擬管道的動態(tài)運行，對管道的實際運行起預(yù)測和分析作用，并可用于培訓(xùn)調(diào)度員。

3　輸氣站場的控制系統(tǒng)

3.1輸氣站場控制系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

各輸氣站場是基層的管理單元，直接面對生產(chǎn)過程和裝置，是各個站場的大腦。各站場的控制系統(tǒng)構(gòu)成了SCADA系統(tǒng)的核心支撐部件和主體，它既可只具備監(jiān)視功能，由調(diào)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。

站場控制系統(tǒng)按照功能可分為3個子系統(tǒng)：站控系統(tǒng)SCS（station control system）、火氣系統(tǒng)FGS（fire & gas system）、緊急停車系統(tǒng)ESD（emergency shutdown device）。其中，SCS負(fù)責(zé)站場的日常生產(chǎn)控制，與生產(chǎn)相關(guān)的各儀表、設(shè)備等均連接到SCS；FGS負(fù)責(zé)處理在站場出現(xiàn)火焰或氣體泄露等緊急事故后的報警和滅火事宜，主要是將可燃?xì)怏w探測器、火焰探測器、消防控制器等設(shè)備連接到FGS；ESD是在站場發(fā)生緊急情況時為避免和消除重大的和災(zāi)難性的事故，保證人員和裝置安全而采用的，按照危險程度分為三級：全站場停產(chǎn)并放空，壓縮機組停產(chǎn)并放空，壓縮機組停產(chǎn)但不放空。

按照站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為兩層：上位機層；下位機和現(xiàn)場設(shè)備層。上位機由冗余服務(wù)器、工程師站、操作員站、通信設(shè)備、打印機等設(shè)備構(gòu)成；下位機層由PLC系統(tǒng)、站場各具有遠(yuǎn)程功能的儀表和設(shè)備構(gòu)成。重要設(shè)備如服務(wù)器、PLC控制器、工程師站、操作員站等采用冗余配置，確保在運行設(shè)備出現(xiàn)故障時仍不影響生產(chǎn)。

服務(wù)器和PLC系統(tǒng)是站控系統(tǒng)的核心。服務(wù)器負(fù)責(zé)接收來自現(xiàn)場第三方設(shè)備和PLC的數(shù)據(jù)并預(yù)處理，然后傳給操作員站實時監(jiān)控并傳送至調(diào)控中心。同樣，操作員下達(dá)的指令或者來自調(diào)控中心的指令經(jīng)由服務(wù)器直接到第三方設(shè)備或通過PLC下達(dá)至現(xiàn)場儀表及設(shè)備。工程師站負(fù)責(zé)修改站控系統(tǒng)的配置。操作員站供操作員實時監(jiān)控整個站場的運行狀態(tài)。通信設(shè)備負(fù)責(zé)連通站場和調(diào)控中心，在站場端也采用冗余光纖通信。站場SCADA服務(wù)器通過OPC協(xié)議和PLC系統(tǒng)間通信，此時，SCADA作為服務(wù)器，PLC作為客戶端。SCADA服務(wù)器在和調(diào)控中心SCADA服務(wù)器通信時，站場端SCADA服務(wù)器為OPC客戶端，調(diào)控中心端SCADA作為服務(wù)器。

下位機的PLC作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理和通信的核心，處于服務(wù)器和現(xiàn)場設(shè)備的中間層，具有采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)、實現(xiàn)自動控制邏輯、與上位機通信、執(zhí)行上位機指令的功能。PLC控制器與I/O模塊之間采用PROFIBUS協(xié)議。如上文所述，站控系統(tǒng)包括SCS PLC，F(xiàn)GS PLC，ESD PLC，分別承擔(dān)各自的功能。SCS PLC連接現(xiàn)場生產(chǎn)相關(guān)的儀表及第三方設(shè)備部分，實現(xiàn)對生產(chǎn)的控制；FGS PLC連接現(xiàn)場的火焰、可燃?xì)怏w、感溫探測器和火災(zāi)控制器、消防泵等消防裝置，實現(xiàn)在出現(xiàn)火災(zāi)和氣體泄漏等情況下及時發(fā)現(xiàn)并處理；ESD PLC連接現(xiàn)場的ESD閥門等設(shè)備，在站場出現(xiàn)緊急情況時，緊急停車關(guān)斷，保障站場人員和設(shè)備的安全。

SCS PLC、FGS PLC和ESD PLC既各自獨立，又互相統(tǒng)一。例如，火焰探測器發(fā)現(xiàn)某處有火焰，F(xiàn)GS PLC會先進(jìn)行邏輯判斷并響應(yīng)，進(jìn)行站場警報、滅火裝置啟動等，如果情況嚴(yán)重，F(xiàn)GS PLC還會通知ESD PLC采取動作避免發(fā)生事故。FGS PLC和ESD PLC都根據(jù)站場的邏輯程序和因果關(guān)系預(yù)置了各種情況發(fā)生時的應(yīng)對措施，實現(xiàn)了安全自動化管理。

站場還有一部分第三方設(shè)備不經(jīng)過PLC系統(tǒng)，直接接入服務(wù)器，如壓縮機組控制系統(tǒng)、發(fā)電機組控制系統(tǒng)等。通常這些設(shè)備都采用以太網(wǎng)或者串行口通信，因而可以操控這些第三方設(shè)備，實現(xiàn)全站場設(shè)備的自動化。

3.2輸氣站場控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及配置

站控系統(tǒng)硬件和軟件配置：數(shù)據(jù)服務(wù)器采用HP DL388G，該機器配備SCADA Vantage服務(wù)器軟件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)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 Vantage客戶端和PLC的組態(tài)軟件等，供工程師根據(jù)需要組態(tài)PLC和服務(wù)器并進(jìn)行故障診斷；操作員站裝有SCADA Vantage操作界面，供操作員監(jiān)控全站的設(shè)備和儀表，了解站內(nèi)各區(qū)域的狀態(tài)。SCS，ESD和FGS都采用PLC控制器，接收來自HMI層面的指令。

工程師站安裝的組態(tài)軟件通過以太網(wǎng)協(xié)議和PLC連接，對PLC進(jìn)行修改配置。PLC通過OPC協(xié)議和站場SCADA服務(wù)器通信，通過SCADA Vantage軟件處理實時數(shù)據(jù)，并可通過SQL數(shù)據(jù)庫軟件將實時數(shù)據(jù)導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)庫中。操作員安裝SCADA Vantage客戶端和通過VB6開發(fā)人機界面軟件。同時，還可以通過工程師站安裝的VB6開發(fā)改進(jìn)HMI軟件，整個軟件系統(tǒng)圍繞SCADA Vantage展開，具有很強的靈活性。

4　計量站控制系統(tǒng)

4.1計量站控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

計量站為天然氣的貿(mào)易交割提供依據(jù)和保障，關(guān)系到天然氣買賣雙方和管道業(yè)主等各方的實質(zhì)利益，是最重要的組成部分之一。計量站的控制系統(tǒng)基本和輸氣站場的控制系統(tǒng)相同，具有同樣的結(jié)構(gòu)。計量站以計量為主，核心設(shè)備是超聲波流量計，沒有壓縮機組，因而其結(jié)構(gòu)相對于輸氣站場更為簡單。

計量站控制系統(tǒng)按功能也劃分為SCS、FGS、ESD系統(tǒng)，每個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能與站場控制系統(tǒng)一致。計量站控制系統(tǒng)的獨特之處，即通過串口/以太網(wǎng)口將流量計算機和分析小屋等計量和氣體分析的數(shù)據(jù)連入站場SCADA服務(wù)器。

4.2計量站控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與配置

計量站控制系統(tǒng)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(tǒng)

截斷閥室起到緊急情況下關(guān)斷閥室、保障管道安全、減小影響的作用。此外，通過閥室安裝的儀表可以及時有效地獲得管道和氣體參數(shù)。根據(jù)實際需要，管道全線的閥室裝有RTU系統(tǒng)，與傳統(tǒng)閥室相比，裝有RTU系統(tǒng)的閥室不僅可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，還使RTU閥室具備自動控制功能，通過預(yù)先設(shè)置的邏輯程序，在出現(xiàn)某種情況時RTU系統(tǒng)自動操作，提高了干線管道的自動化水平。RTU閥室是整個管道SCADA系統(tǒng)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(diào)度員對管道的信息掌握的更全面和準(zhǔn)確。

RTU閥室的結(jié)構(gòu)和站場控制系統(tǒng)一樣，也分為上位機層和下位機層，但結(jié)構(gòu)和設(shè)備比站場系統(tǒng)簡單得多。上位機層包括觸摸屏構(gòu)成的人機界面和通信設(shè)備；下位機層包括專用于遠(yuǎn)程控制的RTU系統(tǒng)。

RTU和通信設(shè)備采用冗余配置。RTU I/O系統(tǒng)接收閥室現(xiàn)場儀表等設(shè)備的數(shù)據(jù)，傳至RTU系統(tǒng)預(yù)處理后，實時呈現(xiàn)給觸摸屏HMI，同時通過安裝于閥室的光纖通信設(shè)備傳至調(diào)控中心（與站場鄰近的RTU閥室的數(shù)據(jù)先傳至站場控制系統(tǒng)，然后由站場控制系統(tǒng)傳至調(diào)控中心）。調(diào)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(shè)備。

操作員除了可以遠(yuǎn)程操控閥室，還可以在現(xiàn)場通過觸摸屏上位機直觀獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)并操控閥室。當(dāng)RTU檢測到數(shù)據(jù)超過報警限值就會產(chǎn)生報警信號，如果根據(jù)植入的邏輯程序判斷情況比較嚴(yán)重，就會產(chǎn)生動作，關(guān)斷閥室，保障管道的安全。

6　結(jié)論

福建省液化天然氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡，功能強大，將管道沿線的各輸氣站場、清管站、計量站、RTU閥室和主備調(diào)控中心有機連接成一個整體，實現(xiàn)了天然氣管道的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)向調(diào)控中心的傳輸，有力確保了管道的安全生產(chǎn)，對構(gòu)建區(qū)域性油氣輸送管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)具有一定的借鑒意義。

[1] 中國石油天然氣管道工程有限公司. 福建LNG站線項目輸氣干線初步設(shè)計[Z]. 2005.

[2] CBI, 中國成達(dá)工程公司. 福建LNG站線項目接收終端工程FEED設(shè)計[Z]. 2005.

[3] 勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院有限公司. 福建管網(wǎng)海西天然氣管網(wǎng)二期工程（福州 - 福鼎段）設(shè)計規(guī)格書[Z]. 2013.

[4] 大慶油田工程有限公司, 中石油管道工程有限公司珠海分公司. 福建管網(wǎng)海西天然氣管網(wǎng)二期工程（漳州 - 龍巖 - 詔安段）設(shè)計規(guī)格書[Z]. 2015. [5] ABB. ABB SCADA Vantage技術(shù)手冊[Z].

Construction and Study of SCADA System for Regional Oil and Gas Transportation Pipeline Network

In order to fulfill the purpose of "station unmanned operation, only duty" and "valve chamber unmanned operation" for the liquefied natural gas pipeline network, we adopt the advanced SCADA system. This paper analyzes completely the structure, the main and back-up regulation control centers, the gas transportation station equipment, the line chambers and functions, configuration, the data transmission and control principles. It provides the reference for constructing the gas pipeline network.

Liquefied natural gas pipeline network; Monitoring and data acquiring; Automation

B 文章編號：1003-0492（2016）06-0098-04 中圖分類號：TP273

高山（1983-），男，遼寧錦州人，中級工程師，本科，現(xiàn)就職于中海石油（中國）有限公司天津分公司，主要研究方向為自動化儀表。

紀(jì)玉學(xué)（1981-），男，黑龍江人，工程師，本科，現(xiàn)就職于ABB（中國）有限公司，主要研究方向為自控系統(tǒng)及儀表。

李勇（1968-），男，河南人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于ABB（中國）有限公司，主要研究方向為自控系統(tǒng)及儀表。