AB PLC在天然氣SCADA系統中的冗余設計

張曉玲，張鶴川，魏宗康

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

AB PLC在天然氣SCADA系統中的冗余設計

張曉玲，張鶴川，魏宗康

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

基于網絡控制的PLC冗余系統，通過設備實現冗余所需的自動事件同步和無擾動切換，不會丟失信息，無需切換時間。避免由于單個CPU故障造成系統癱瘓，系統故障率接近于零，保證系統的可靠性、穩定性和實時性。本文提出在天然氣SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統，即數據采集與監視控制系統中，采用Rockwell公司的ControlLogix PLC冗余系統，利用以太網和ControlNet控制網構建了系統的硬件組網冗余方案，實現數據的采集和對現場設備的自動控制，在實際的應用中取得了良好的效果。

SCADA；ControlLogix；ControlNet；冗余系統

0 引言

天然氣輸配系統大多采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統，即數據采集與監視控制系統。SCADA系統是一個集中管理、統一調度、分散控制的集散型計算機網絡監控系統。在系統中運用了計算機技術、控制技術、通信技術和圖形技術，調度中心通過網絡將分布在輸氣管線各處的遠程站連接起來，共同完成系統的實時監控和調度管理。同時在天然氣場站站控監控系統，實現“無人操作，有人值守”的監控水平。為了保證天然氣輸配管網的安全運行和穩定供氣，提高供氣管理水平，用于對遠程站點進行監控，包括對各站點各種數據的實時采集、各種設備狀態的實時監測以及對遠端設備的調節和控制等。研制一套自動化水平高、覆蓋范圍廣的天然氣管網數據采集與監視控制SCADA系統具有重要的意義［1?4］。

目前，PLC冗余熱備系統分為兩種：由硬件實現的硬件冗余熱備以及由軟件實現的軟件冗余熱備。基于冗余系統可保證系統的可靠性、穩定性和實時性，可實現冗余所需的自動事件同步和無擾動切換，不會丟失信息，無需切換時間，系統故障率接近于零。為保證系統連續安全運行，系統操作維護方便，進一步提高系統的可靠性，本文采用硬件冗余的方式來實現冗余監控。硬冗余系統的冗余結構確保了任何時候的系統可靠性，所有的重要部件都是冗余配置，包括了冗余的CPU、供電模件和用于冗余CPU通信的同步模塊［5］。

因此，本文提出了AB PLC冗余系統在天然氣SCADA系統中的冗余設計。實驗證明，本系統可以連續安全、可靠運行，操作方便直觀。運行過程中的自動化率高，既能滿足中心集中監控的要求，又大大降低了勞動強度。

1 系統組成

ControlLogix是AB的PLC系列，為多種類型的監控提供了高性能的控制平臺。由于該平臺是模塊化的，用戶能夠有效地設計、建立和更改平臺，通過先進的組態工具和對編程與內存要求較少的內存結構、符號進行編程。ControlLogix平臺允許混合使用多個處理器、多種網絡結構和I／O，沒有任何限制。因此，在天然氣輸配氣門站SCADA系統中采用ControlLogix冗余系統。

天然氣輸氣門站SCADA系統的主要控制方式是：在天然氣門站中心控制室集中對輸氣門站的各種設備和生產運行數據進行監視和控制，天然氣輸送處理過程工藝參數和設備的狀態在上位機上顯示。各設備均有兩種方式控制，即就地手動控制、集中控制。控制室具有自動／遠程手動控制兩種方式。這種控制方式具有集中管理，分散控制的特點，可靠性較高，維護也方便［6］。

該系統由上位機、2個互為熱備的PLC控制器、遠程I／O組成。上位機和PLC控制器之間通過Modbus網絡連接，遠程I／O接入到ControlNet網絡中。系統拓撲結構如圖1所示。

圖1　拓撲結構圖Fig.1 Topological structure

站控系統采用分布式結構，操作員站上運行iFIX監控軟件，通過以太網與PLC通信，完成參數上傳和控制命令的下傳，完成本地人機界面的數據表現。

PLC選用冗余模塊化設備，通過標準電信號采集壓力、溫度等參數，通過RS485接口連接智能儀表和智能設備，例如流量計、壓縮機、干燥機等設備，完成本地自動控制。站控系統采用不間斷電源系統UPS為站控系統供電［7?10］。

2 硬件設計

2.1 PLC設計

從圖1的系統拓撲結構圖可以看出，系統整體上分PLC機架和I／O遠程機架，圖2是采用Au?tocad進行整體架構設計。

圖2　PLC系統設計Fig.2 System design of PLC

本文分別從PLC機架和I／O遠程機架進行詳細的設計。

（1）PLC機架

本系統PLC機架配備了2個7槽的機架L1、L2，運行時L1和L2互為熱備，構成了冗余。L1和L2機架各個槽位所配置的模塊如表1所示。

表1　L1和L2機架所配置的模塊Table 1 Module configuration of L1 and L2 rack

從表1可以看出，L1、L2這2個機架的配置完全一樣。

其中，0槽是CPU；1槽是以太網模塊；2、4槽為空槽；3槽是ControlNet網模塊，這種模塊帶有2個網絡接口（A、B）；5、6槽是用于同步的冗余模塊，1個模塊需要占據2個槽位，且該模塊在RSLOGIX5000軟件編程中，是不需要進行組態的。

（2）I／O遠程機架

本系統除了2個互為熱備的主機架外，還有1個10槽的遠程I／O機架L3，該機架上配置I／O模塊和通信模塊，具體配置如表2所示。

表2　L3機架所配置的模塊Table 2 Module configuration of L3 rack

從表2可以看出：0、1槽配置了2個完全一樣的ControlNet網模塊，該模塊與主機架上的一樣；2槽是Modbus網絡通信模塊，帶2個網絡接口（P1、P2）；3槽是16點的模擬量輸入模塊；4、5槽是32點的數字量輸入模塊；6、7槽是32點的數字量輸出模塊；8槽是4點模擬量輸出模塊；9槽為空槽。

3個機架（L1、L2、L3）都各自配備了1個電源模塊1756?PA72，且電源模塊是貼于機架的最左邊的邊緣固定的，因此不占據機架的槽位。

2.2 系統冗余方案

由圖1包含的系統網絡構成和系統硬件配置，可以看出該系統包含2層冗余。

第1層冗余是：主CPU和從CPU的冗余。L1、L2機架上的冗余模塊1757?SRM通過光纖相互連接，正常工作時，1756?L61中所有的程序和數據通過光纖進行同步。

第2層冗余是：ControlNet網絡冗余。系統中配置了4塊相同的ControlNet網模塊1756?CNBR／E，這種模塊帶有2個ControlNet網接口（A、B）。因此，該系統中擁有2個ControlNet網絡，一個是A，另一個是B，它們互為熱備。該冗余需要在RSNetworx for ControlNet軟件中做相應的配置，在軟件的Media Redundancy選項中將“A”改為“A／B”，即可實現ControlNet網絡冗余。基于在CPU冗余情況下，ControlNet冗余網絡有一個規定：ControlNet冗余網絡的節點必須有4個或4個以上。因此，這也是該系統在遠程I／O機架L3上配置了2個ControlNet網模塊的原因。此外，在此系統中的L1、L2機架上的ControlNet網模塊必須撥碼為相同的C網站址。主機架上的顯示撥碼站址，而從機架上的會自動加1顯示。

因此，2層冗余可以保證系統運行穩定、安全，保證現場數據的實時傳輸［11］。

2.3 冗余系統的通信

本系統涉及3個通信：CPU與遠程I／O的通信，PLC與上位機通信，PLC與第三方設備通信［12］。

（1）CPU與遠程I／O的通信

從網絡架構可以看出，CPU與I／O是通過ControNet網進行數據交換。但在硬件組態中是直接分配I／O地址，因此可直接讀取地址中的數據。

（2）PLC與上位機、第三方設備通信

本系統中，PLC與上位機和第三方設備的通信都是通過Modbus網絡完成的，采用的通信模塊是I／O遠程機架上的MVI56。該模塊有2個Modbus通信口（P1、P2），在此系統中，P1設置成主站與第三方的設備（2個流量計計算機、1個調壓撬控制器、1個壓縮機、1個干燥機）進行數據交換，P2設置成從站與上位機進行通信。

3 軟件設計

由于采用的是ControlLogix PLC冗余系統，該PLC的軟件設計開發涉及4個軟件，這4個軟件環環相扣，缺一不可。

3.1 BOOTP?DHCP Serve

以太網模塊首次使用是沒有IP地址的，需要采用BOOTP?DHCP Serve軟件給以太網模塊分配1個靜態IP。在該冗余系統中，必須將L1、L2機架中的以太網模塊都設置成相同的IP地址。而在顯示狀態下，主機架的IP地址自始至終都是顯示設置的地址，而從機架的IP地址會在設置的地址上自動加1。

3.2 RSLinx

RSLinx軟件是工業通信的樞紐，為所有的AB網絡提供了完整的驅動程序。通過RSLinx軟件，用戶可以通過1個窗口查看所有激活的網絡，也可以通過1個或多個通信接口同時運行任何所支持的應用程序的組合。RSLinx提供最快速的OPC、DDE和Custom C／C++的接口。RSLinx還能夠為用戶提供多個網絡、本地工作站和DDE／OPC性能診斷工具，便于進行系統維護和故障排錯。

RSLinx Gateway驅動程序能夠完美地支持TCP／IP客戶與AB控制器的連接，它也支持與遠程OPC進行通信，操作界面如圖3所示。

圖3　RSLinx操作界面Fig.3 RSLinx interface

3.3 RSNetWorx for ControlNet

RSNetWorx for ControlNet用于ControlNet網絡的設計、配置及管理。在I／O組態配置后，還需要通過該軟件對ControlNet網絡通信重新進行組態。該軟件可以非常直觀地配置ControlNet，進行合適的組態。網絡刷新時間、最大預定義節點地址號，都可以通過該軟件來重新配置。然后將配置文件下載到PLC中，由它作為ControlNet的Keeper管理網絡。如圖4所示，該系統的主機架的站址是10，從機架的站址是11，I／O遠程機架的站址分別是25、26。

圖4　RSNetWorx for ControlNet網絡配置Fig.4 Network configuration of RSNetWorx for ControlNet

3.4 RSLogix5000

RSLogix5000與第一代可編程控制軟件相比，RSLogix5000功能更加強大，更加方便實用。RSLogix5000編程軟件除了為順序控制提供梯形圖編程外，還可以為運動控制提供完整的編程及調試支持。RSLogix5000可同時完成順序控制與運動控制。使用RSLogix5000軟件可以完全實現對模塊的設置和監視，所有模塊相關數據都包含在1個處理器數據對象中，這便于配置、監視和連接模塊參數。

（1）組態

組態和編程都是在軟件RSLogix5000中完成，操作非常方便。首先創建1個新項目，選擇相應的控制器，然后在I／O配置中加入New Module，對應相應的槽位，如圖5所示。并在模塊屬性框中設置相應的參數。

（2）編程

組態完成后，就可以在MainProgram中進行相關的編程，編程中所使用到的I／O地址及中間地址都可以在Controller Tags中找到，因此直接在程序中調用即可，非常簡便。如圖6所示，顯示的是該系統對閥的一部分控制程序。

圖6　編程畫面Fig.6 Program interface

（3）軟件流程圖

冗余系統的軟件流程圖如圖7所示，主要工作：讀取閥門狀態、壓力、溫度、流量，控制電動調節閥門，與智能設備（壓縮機、干燥機）通信進行數據交換。

圖7　監控流程圖Fig.7 Flow chart of supervisory control

4 工作站監控功能設計

PLC將所有數據通過網絡上傳至工作站電腦，通過上位計算機可直觀地顯示全站各工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫面，使操作人員及時掌握輸配氣站運行情況。從而實現整個輸氣管道的優化、經濟、合理、可靠的運行。系統可實現如下功能：實時數據采集和處理；控制功能；圖形顯示功能；報警顯示、報警管理以及事件的查詢、打印；歷史數據的采集、歸檔、管理以及趨勢圖顯示等。具體如圖8所示。

圖8　上位機操作員站Fig.8 Operator station of upper computer

5 結論

ControlLogix自從投入天然氣SCADA系統中使用以來運行情況良好，故障率低，可靠性高，符合天然氣對系統運行穩定的基本要求。而且Con?trolLogix的使用使得整個系統的組成變得比較簡單，便于維護，天然氣監控系統要求的各種功能也得到了很好的實現。相信ControlLogix冗余系統在控制領域將得到越來越廣泛的應用。

［1］張小俊，顏非非，吳昭，等．Rockwell過程控制系統冗余技術在長輸管道的應用［J］．中國儀器儀表，2010（8）：32?34．ZHANG Xiao?jun，YAN Fei?fei，WU Zhao，et al．The ap?plication of rockwell process control system's redundancy technology in the long?distance pipeline［J］．Chinese In?strument，2010（8）：32?34．

［2］張建峰，陳在平，王露萍，等．基于ControlNet現場總線的PLC雙CPU冗余控制系統實現［J］．制造業自動化，2005，27（8）：42?45．ZHANG Jian?feng，CHEN Zai?ping，WANG Lu?ping，et al．ControlNet field bus?based realization of PLC CPU re?dundancy control［J］．Manufacture Automation，2005，27（8）：42?45．

［3］陳彥，金俊文，劉洪彬．淺析AB ControlLogix冗余系統的實現機制，優化其在西氣東輸二線工程中的應用［J］．中國儀器儀表，2013（2）：49?53．CHEN Yan，JIN Jun?wen，Liu Hong?bin．Analysis of acting mechanism of AB ControlLogix redundancy system，optimization of application of second west?east gas pipeline［J］．China Instrumentation，2013（2）：49?53．

［4］Xie P C．Design of redundant automatic control of glass?forming system based on AB PLC［J］．Automation Applica?tion，2011（11）：44?46．

［5］Pan M Q．Application of Controllogix system in the buildings automation control［J］．Automation＆Instrumen? tation，2013，28（3）：63?66．

［6］Wang Z M，Huang Q Z，Zhu X J．ControlLogix control system design for waterworks automation［J］．Instrumenta?tion Technology，2012（4）：16?19．

［7］Wang F．Application of AB?PLC system on effluent treat?ment［J］．Shenhua Science and Technology，2013（1）：90?92．

［8］Qian K，Hao Y P，Wang Q．Design of belt conveyer re?dundant control system based on PLC［J］．Coal Mine Ma?chinery，2014（10）：260?261．

［9］Gao H，Yang J L，Wang D．Design and research of auto?matic control system of paper?making tobacco sheet post?processing production line based on AB PLC［J］．Pro?grammable Controller＆Factory Automation，2014（8）：59?62．

［10］Xu J．Coal mine drainage automation system based on SCADA［J］．Coal Mine Machinery，2013（1）：265?267．

［11］Liu P，Xue P D．The design of SCADA system in the city gas pipe network［J］．Control＆Automation，2005（4）：82?83．

［12］Liu X M．SCADA system application and optimization for long?distance natural gas pipeline［J］．Petroleum Engi?neering Construction，2011（1）：41?43．

Redundant Design of Natural Gas SCADA System Based on AB PLC

ZHANG Xiao?ling，ZHANG He?chuan，WEI Zong?kang
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

PLC redundant system with network control may realize automatic event synchronization and undisturbed switching．The system not only has no information loss and no switching time，but it also avoids system breakdown beacause of single CPU fault，so that the system fault rate is close to zero and can ensure the reliability，stability and real?time．This paper presents the natural gas SCADA system which uses ControlLogix PLC redundant system of Rockwell company．The system finishes data acquisition and control field devices automatically by using hardware network redundant solution which is made up of Ethernet and ControlNet network．Finally，it can achieve good results in practical application．

SCADA；ControlLogix；ControlNet；redundant system

X924．3

A

1674?5558（2016）01?01093

10．3969／j．issn．1674?5558．2016．06．003

2015?03?17

張曉玲，女，博士，工程師，研究方向為導航、制導與控制。