國產SCADA系統在LNG輸氣干線工程中的應用

謝天天，王長征，曹斌，朱瑞苗

(1. 中石化中原石油工程設計有限公司，河南 濮陽 457001；2. 浙江中控技術股份有限公司， 浙江 杭州 310012)

國外天然氣管道行業的監控及數據采集系統(SCADA)的應用起步較早，已有相對成熟的經驗和產品，可涵蓋分布式測控、多系統集成、綜合監控、應用調度以及Web信息化等全部功能。SCADA系統關系到輸氣管道的信息安全和調度控制安全，同時還直接影響到天然氣管道日常調度控制的正常進行，戰略意義不言而喻。中國長輸管道在實際應用和控制水平上，與歐美管輸企業相比，差距仍較大，集中體現在遠程控制的深度和廣度，其控制理念也需改進[1]。針對天津液化天然氣(LNG)輸氣干線工程項目采用國產SCADA系統，參照國家及行業工程設計規范[2-3]，按照安全可靠性、先進性、經濟性次序考慮系統的設計指標[4]，為SCADA系統國產化應用積累了寶貴的經驗。

1 LNG項目輸氣干線工程SCADA系統

1.1 工藝管網概述

天津LNG項目輸氣干線工程起始于天津液化天然氣接收站，北至通州末站和唐山末站，南至鄒平末站，沿線經過天津、北京、河北、山東4省市。干線長度540.5 km，設計壓力10.0 MPa；支線長度39.5 km，設計壓力6.3 MPa。管道沿線共設置10座輸氣站場，截斷閥室 31 座，并在天津設置調控中心和遠程管理處。根據項目要求，作為國產化SCADA系統軟件平臺典型示范應用，需要實現常規的管線三級控制功能外[5-6]，還要實現時鐘同步、遠程維護、全網診斷、斷線續傳以及全系統防病毒專項功能應用。

1.2 SCADA系統組成

該項目SCADA系統軟件采用浙江中控技術股份有限公司(以下簡稱中控)自主研發的VxSCADA系統平臺軟件。該軟件集成多種驅動接口，支持業界多種DCS，PLC和RTU產品，廣泛應用于油氣田、公用工程等多個領域。VxSCADA系統平臺軟件架構如圖1所示。

調控中心的網絡整體劃分為核心區和DMZ區[7-8]。核心區關鍵設備包括： 1對UNIX環境實時數據服務器、1對掛接磁盤陣列的UNIX環境歷史數據服務器。實時數據服務器部署中控的VxHistorian大型數據庫產品，雙機熱備冗余，數據實時同步。歷史數據服務器部署甲骨文公司的Oracle關系數據庫產品，雙機熱備冗余，數據實時同步，掛接磁盤陣列進行長期歷史數據保存。面向用戶操作，部署多臺Windows環境工程師站和操作員站，均安裝了中控的VxSCADA監控軟件。DMZ區關鍵設備包括： Web服務器兼防病毒服務器、OPC Server服務器，前者安裝中控的PIMS生產信息門戶網站軟件以及防病毒服務器軟件，后者安裝中控VH_OPC Server產品。在核心區與DMZ區之間、DMZ區對外部網絡之間，分別部署了硬件防火墻以實現通信隔離，確保核心區運行安全。

在站場的網絡設計為雙網冗余通信。站控PLC采用ControlLogix控制器，緊急停車系統(ESD)采用SafetyNet系統，站控HMI則采用中控的VxSCADA平臺軟件。同時在站控計算機上安裝防病毒客戶端，站場同時部署通信服務器，安裝VxCollector軟件，實現數據斷線續傳等應用。

站場和調控中心之間通信鏈路采用光纖專線和公網雙信道冗余通信[9]。SCADA系統可自動切換路由，在光纖專線主信道故障后，無擾切換到公網備用信道，同時在主信道恢復正常后，會自動切換回來。全系統網絡拓撲結構如圖2所示。

圖1 VxSCADA系統平臺軟件架構示意

圖2 全系統網絡拓撲結構示意

2 專項解決方案

2.1 時鐘同步

1) 設計原則。調控中心時鐘服務器能夠通過GPS授時設備進行多級定時校時；調控中心內各計算機、管理處、實時數據服務器、通信服務器能夠通過時鐘服務器進行定時校時；場站各節點能夠通過實時數據服務器和通信服務器進行定時校時。授時通信協議采用SNTP/NTP協議[9]。

2) 實現方案。調控中心節點時鐘同步配置采用GPS硬件作為時鐘源，實時數據服務器作為一級軟件時鐘源，GPS硬件時鐘源優先級高于軟件時鐘源，通信服務器作為備用二級軟件時鐘源，場站各節點時鐘同步組態配置時將實時數據服務器作為時鐘源，通信服務器作為備用時鐘同步服務器。

2.2 遠程維護

1) 設計原則。場站的組態維護和更新需要通過遠程方式來實現，不能采用Windows自帶的遠程桌面功能，應采用私有協議進行安全可控的遠程組態維護實現方案。調度中心以遠程維護終端受控連接到場站組態服務器，對場站組態遠程維護。

2) 實現方案。采用SVNC私有遠程協助協議方式實現遠程訪問，調度中心網絡與場站網絡能夠實現局域網級連接，通過物理直連或者通過VPN安全通信隧道，調度中心的遠程維護站與被維護的遠程場站組態服務器進行連通。調度中心防火墻、場站防火墻設置SVNC遠程協助協議的通信端口為允許訪問，場站SVNC遠程協助服務設置成開機自啟動、密碼訪問保護。同時，調度中心及場站的防病毒軟件將SVNC的客戶端及服務加入到信任列表。調度中心設置1臺計算機作為遠程組態維護工程師站，調度中心以SVNC方式實現遠程桌面連接到場站組態服務器，對場站組態遠程維護。

2.3 全網診斷

1) 設計原則。能夠支持網絡通信的通斷情況的診斷，計算機硬盤、CPU、內存、網口狀態的診斷，能夠支持路由器網口狀態、流量的診斷。

2) 實現方案。網絡診斷采用通信驅動診斷機制和網管軟件集成通信雙重機制實現，計算機和網絡關鍵設備診斷通過SNMP協議實現，站控PLC和ESD通過獲取其自身的故障診斷狀態信息來實現診斷，將診斷信息通過網絡上傳到調控中心。

2.4 斷線續傳

1) 設計原則。能夠在調控中心和站場網絡全部斷開再恢復的情況下，實現歷史數據的自動回補功能，回補的歷史數據應該完整并自帶時間戳。調控中心和場站之間使用標準通信協議，回補歷史數據期間不能影響正常的實時數據通信，并能自動適應寬、窄帶要求。

2) 實現方案。斷線續傳機制基于IEC 60870-5-104規約的設計，能通過發送指定的斷線續傳命令，向服務器端發送斷線期間數據請求，通過服務器端數據重發，解決網絡中斷的情況下數據上傳和完整性的問題，實現最高7 d的斷線續傳緩存機制，根據需要可實現站控PLC到站控HMI的斷線續傳以及站控系統和調控中心之間的斷線續傳應用。

2.5 全系統防病毒

1) 設計原則。全系統非UNIX計算機節點應具備防病毒能力，防病毒軟件的病毒庫要能受控、自動更新，防病毒軟件要能夠與SCADA系統完全兼容[10]，不能影響SCADA系統軟件正常運行。

2) 實現方案。采用國際優秀防病毒軟件進行兼容性全方位測試，測試通過后進行安裝。在DMZ區架設防病毒服務器，進行病毒庫自動更新，同時通過運維同步進行病毒庫更新后的兼容性驗證。

3 結束語

天津LNG項目輸氣干線工程實施過程中，針對項目具體問題，設計了5個專項解決方案，并在業內率先提出并成功實現了基于IEC-104通信規約的斷線補傳功能[11]，極大地提高了歷史數據的完整性，為基于海量歷史數據進行大數據智能化管線應用奠定了堅實的基礎。國產SCADA系統在天然氣長輸管道上成功的運用，為將來全面推動管道監控系統產品的國產化帶來積極意義。

參考文獻：

[1] 郭曉瑛，路艷斌，鄭娟. 國內外長輸管道SCADA 系統標準現狀[J].油氣儲運，2011，30(02)： 156-159.

[2] 田京山，程云海，王懷義，等.GB/T 50823—2013油氣田及管道工程計算機控制系統設計規范[S].北京： 中國計劃出版社，2013.

[3] 聶中文，徐志強，汪濤，等.SY/T 7037—2016油氣輸送管道監控及數據采集(SCADA)系統安全防護規范[S].北京： 石油工業出版社，2016.

[4] 謝安俊.油氣管線SCADA系統調度控制中心的安全策略[J].天然氣工業,2005,25 (06)： 113-115.

[5] 汪金滿.淺談天然氣長輸管道SCADA系統[J].中國化工貿易，2015(34)： 35-35.

[6] 陳晗.SCADA在長輸管線中的應用[J].自動化博覽，2004,21(02)： 88-89.

[7] 陳義良.SCADA系統在長輸管線中的應用[J].數字化用戶,2017,23(27)： 10-11.

[8] 張法琪.基于分布式Web 技術的熱網SCADA 系統[J].煤氣與熱力，2011,31(05)： 23-28.

[9] 董列武，陳秀麗. 長輸管道SCADA系統時鐘同步分析及優化[J].石油化工自動化，2013，49(05)： 68-69.

[10] 蒲石，陳周國，祝世雄. 震網病毒分析與防范[J].信息網絡安全，2012(02)： 40-43.

[11] 平器興，姚罕琦，蔡其星,等. 基于IEG 60870-5-104規約的實時數據斷線續傳實現與應用[J].儀器儀表標準化與計量，2017(04)： 33-36.

[12] 劉朋.天然氣長輸管道SCADA軟件發展現狀及展望[J].石油化工自動化，2016，52(02)： 7-10.

[13] 徐剛.SCADA系統在長輸管道中的應用特點及現狀研究[J].中國石油和化工標準與質量，2013(15)： 262.