長輸管道數據采集與監視控制系統組網結構及實現

尚瑞琪

摘 要：隨著經濟發展和對環境的重視，天然氣成為現今最受人們歡迎的能源，推動著天然氣長輸管道的建設和發展。遵循長輸管道無人值守站的設計原則，長輸管道大力建設站場和調控中心SCADA 系統，通過 SCADA 系統進行現場數據采集和控制，實現長輸管道自動化、信息化建設。為了實現長輸管道站場和調控中心 SCADA 系統，網絡平臺是其中最為關鍵、最為重要的一部分；長輸管道的特點是距離長，地形復雜，站點分散，網絡可靠性、安全性要求高；和其他行業自控組網不同，長輸管道自控組網需要依靠主備兩條物理鏈路將沿線幾百公里甚至上千公里內的站場網絡連通起來，同時必須保證網絡的安全性、可靠性和可管理性。

關鍵詞：長輸管道；通信； SCADA；物理鏈路

結合某地區天然氣長輸管道 SCADA 項目自控組網實例應用，詳細描述了長輸管道自控網絡實現；該項目采用專線鏈路和 DDN 鏈路構建冗余網絡，通過對其物理鏈路、邏輯鏈路的管理及劃分，將全線劃分為三層網絡拓撲結構，構建站場及閥室獨立的物理子網結構，實現閥室數據上傳上下游站場，完成數據上傳調控中心的功能需求。 全線站場、閥室及調控中心網絡 IP 地址采用 C 類地址規劃，通過路由器實現多重網絡冗余機制，為站場及調控中心提供安全可靠的網絡環境，實現站場及調控中心 SCADA 系統平臺搭建。

1 網絡架構方案論證

天然氣長輸管道距離長，站場和閥室分散；為了實現全線管線自動化控制和信息化 SCADA 平臺，根據閥室數據流走向，可通過以下兩種網絡結構方案實現自控網絡平臺搭建。

1.1 方案一

閥室 RTU 設備放置于站場和調控中心的中間網絡層，通過站場路由器和調控中心路由器讀取閥室 RTU 設備數據，實現該閥室 SCADA 系統監控及控制。

該方案下，閥室需配備路由器設備，調控中心、閥室、站場路由器形成環狀結構，同時需開放閥室至管理站場的數據鏈路，保證閥室數據能傳輸至站場和調控中心，同時站場數據需上傳至調控中心；因此站場數據服務器數據管理難度較高。。

1.2 方案二

閥室 RTU 設備放置站場下的第三層網絡，先將閥室數據上傳至站場，然后通過站場將數據上傳至調控中心，實現該閥室SCADA 系統監控及控制。

該架構將整個網絡劃分為三層網絡，閥室無需部署路由器設備，可直接將閥室網絡與上下游站場網絡打通，數據上傳至上下游站場，由站場統一上傳至調控中心

結合兩種方案，根據網絡架構可實現性、安全性、可管理性和數據流結構的多種因素考慮，在設計未要求閥室數據需直接上傳調控中心時，建議采用方案二實現長輸管道自控組網，本文參照方案二具體說明長輸管道 SCADA 系統網絡的實現。

2 長輸管道 SCADA 系統網絡的實現

長輸管道 SCADA 系統網絡在實現中主要包括站場控制網和信息網、站場局域網（將上下游閥室劃分至站場局域網）、調控中心局域網三個子網結構； 調控中心和站場通過敷設光纖建立物理鏈路，實現整個長輸管道的網絡結構。

2.1 站場控制網和信息網

站場采用中控 VxSCADA 軟件實現 SCADA系統平臺搭建，使用 AB L1756 系列控制系統進行站場數據采集及控制，通過協議轉換器完成第三方設備異構通訊，獲取第三方設備數據。站場配有兩臺 RCI 服務器、一臺工程師站和一臺操作員站。站場服務器及控制系統通過 A 網、B 網交換機形成冗余網絡結構。站場上下游閥室通過專線光纖接入站場 A 網交換機，通過RCI 服務器采集閥室數據，同時站場的路由器設備通過專線光纖和 DDN 數字鏈路實現與調控中心的通訊網絡。

2.2 站場局域網建設

項目采用管道敷設光纖的方式建立全線物理鏈路，通過光電交換機將所有站場、閥室和調控中心網絡打通，完成物理鏈路組網；該物理鏈路不僅為自控數據提供數據通道，還為站場和閥室的視頻監控和周界安防系統提供數據通道。

2.2.1 VLAN 隔離

VLAN 的中文名稱為虛擬局域網，工作在 OSI 參考模型的第2 層和第 3 層。VLAN 是建立在物理網絡基礎上的一種邏輯子網，因此建立 VLAN 需要相應的支持 VLAN 技術的網絡設備，當網絡中的不同 VLAN 間進行相互通信時，需要路由的支持；長輸管道SCADA 網絡的 VLAN 劃分目的是將每個站場隔離為單獨的局域網，長輸管道通過工業交換機和光纖將所有各站各閥室的物理鏈路連接起來，形成一個大的物理局域網，站場及閥室通過工業交換機進行 VLAN 劃分，將每個站場及上下游閥室規劃為單獨的局域子網，形成一個完整穩定安全的物理網絡環境。

2.2.2 邏輯鏈路隔離

站場及閥室所有SCADA系統網絡設備通過 IP地址及子網掩碼劃分，將每個站場及閥室劃分為獨自局域網地址。SCADA 系統網絡安照 C 類 IP 地址標準進行規劃，將站場、閥室及調控中心網絡進行邏輯隔離，最終建立安全可靠的站場局域網系統。

2.3 調控中心網絡結構

調控中心 SCADA 系統部署兩臺實時數據服務器、兩臺歷史數據服務器、一臺工程師站、一臺遠程維護站、一臺調度員站、 三臺操作員站、 一臺 OPC 服務和一臺 Web 服務器，其中使用兩個物理防火墻將 OPC 服務器、Web 服務器和生產網和辦公網隔離出來，保證 OPC 服務器、Web 服務器工作網絡環境安全，更保證調控中心 SCADA 系統的網絡安全。

2.4 自控網絡組網模型

2.4.1 模型解析

如圖 1所示，2#節點是由站場主路由器和調控中心主路由器通過專線鏈路搭建的物理鏈路節點，3#節點是由站場備路由器和調控中心備路由器通過 GPRS 數字鏈路搭建的物理鏈路節點，2#節 點 的 WAN口和 3#節點的WAN口形成公網網絡節點，公網網絡節點使用靜態IP的方式設定WAN口端口地址，調控中心和站場路由器的2#節點和3# 節點的 LAN 口形成 A、B網冗余結構，A 網和 B 網至少有一個正常工作，整個自控網絡均可正常工作，提高自控網絡的可靠性和穩定性。

在該網絡正常工作中，2#節點優先級高于 3#節點優先級，例如2#節點設備重啟過程中，網絡先切換到 3#節點進行網絡通訊，當 2#節點設備正常時，則會自動切換到2#節點設備；當節點處于備用狀態時，其節點網絡處于等待狀態，使用 Ping 命令進行網絡檢測時，網絡為斷開狀態。

2.4.2 網絡特性

網絡結構采用星型網絡結構，將全線網絡層級做出鮮明劃分，同時設有多重冗余機制，保證自控網絡的穩定性、安全性和可靠性，同時大大增強了該網絡的可維護性。

2.4.3 路由管理

長輸管道自控網絡配置路由器進行網絡路由管理及通道切換，實現路由器主備切換功能和內網切換功能。在完成路由器配置后，站場和調控中心通訊服務器需要配靜態路由。

3 結束語

長輸管道自控網絡采用星型網絡結構，將全線站點、閥室和調控中心劃分為三層網絡拓撲結構，即站場和其上下游鄰近閥室為底層局域網絡，調控中心為上層局域網絡，站場至調控中心為中間層廣域網；全線站場及調控中心鏈路采用主備兩條鏈路構成冗余網絡結構；正常工作時，站場和調控中心通過主鏈路進行通訊，當沿線某地區站場通訊故障或光纖切斷時，其上游站場和閥室可通過主鏈路和調控中心進行正常通訊，下游站場自動切至備用鏈路與調控中心進行通訊，主鏈路至備用鏈路的切換時間小于 10 s，完全滿足行業標準要求。

參考文獻：

[1]王昆， 李琳， 李維校. 基于物聯網技術的智慧長輸管道[J]. 油氣儲運， 2018（1）：15-19.