輸油管道SCADA 系統調試技術

崔志誠，馬 勝，廉小偉

（河北華北石油工程建設有限公司，任丘062552）

SCADA 系統即數據采集與監控系統，由調控中心控制系統、站場控制系統、遠程終端設備（RTU）和相關通信系統組成，長輸管道的生產過程監視與控制、設備遠程控制以及調度策略優化等都依靠SCADA 系統來實現[1-2]。為優質、高效、穩妥地做好輸油管道SCADA 系統試運投產的各項工作， 確保輸油管道安全、可靠、經濟、順利的投入生產，需要在試運投產前高效率、高質量地完成輸油管道SCADA系統調試工作[3]。 本文以尼日爾管道3 號站加泵工程SCADA 系統調試為基礎，對SCADA 系統調試的施工組織、調試工藝及方法、關鍵環節調試技術進行了探討。

1 工程概述

1.1 工程概況

尼日爾管道SCADA 系統設有1 座調控中心，多座場站和RTU 閥室， 各場站和RTU 閥室通過通信系統與調控中心連接。 系統控制水平分為三級，即中心控制級、站場控制級、就地控制級，保障輸油管道安全、高效運行。

尼日爾管道3 號站加泵工程擬在3 號站內增加一臺外輸泵以滿足原油輸量的要求， 同時對工藝、電氣、通信、儀表及自動化系統進行適應性改造。 3 號站控制系統包括過程控制系統和獨立的安全儀表系統，采用PLC 作為控制單元、計算機作為操作站（即人機交互界面），通過計算機網絡、數據通信接口設備等相連。 站場控制系統中的所有監控設備采用局域網形式連接，局域網設有冗余機制。

1.2 改造方案

站控系統增加1 面PLC 系統I/O 擴展機柜用于本次改造的擴展，I/O 擴展機架接入原PLC 系統內，構成完整系統。 在原ESD 系統控制機柜內增加I/O 卡件進行擴容，并與原系統融合。

為完成站控系統的擴容，在系統中配置相應的軟件，通過編程、組態、調試等工作，最終實現站控系統對工藝過程及各種設備（包括泵控制系統）的實時監視和控制，完成數據的調取和上傳。 新增上位機畫面風格、編程語言和原控制系統保持一致。新增泵及閥門等站控邏輯、ESD 邏輯控制水平與原系統保持一致，控制邏輯按原有系統風格執行，并納入原系統，構成完整PLC 系統和ESD 系統。 站控系統在完成信號采集、實時監控的同時，還需滿足信號上傳調控中心的要求。 3 號站新增輸入/輸出量如表1 所示。 由于擴建部分中影響管線水擊保護系統的信號需上傳至水擊保護系統，需要修改水擊系統程序并完成測試。

表1 新增輸入/輸出量Tab.1 New input / output

2 調試工藝流程及主要調試方法

2.1 調試工藝流程

調試工藝流程如圖1 所示。

為保證SCADA 系統調試工作在進度、質量、安全方面順利有序進行，制定了嚴謹的調試計劃并進行了科學的組織。 調試工作被劃分為以上5 個層次，根據“嚴格分層、平行作業”的原則進行調試，由于工藝設備、過程控制等重要環節多在站場，所以Ⅱ層和Ⅲ層是調試工作的重點[4]。

圖1 調試工藝流程Fig.1 Commissioning process

2.2 主要調試方法

2.2.1 調試準備

1）技術準備

調試所需技術文件主要有設計文件、SCADA 系統技術規格書、設備技術規格書、系統組態資料、生產工藝流程、現場驗收測試（SAT）文件等。調試前需明確SCADA 系統應滿足工藝過程的應用功能，做好技術交底，確保調試工作依據相關標準規范及經批復的調試方案進行。

2）人員準備

調試總負責人1 名，負責從進度、質量、安全等方面對調試工作進行全面把控以及與各單位溝通協調，下設若干作業小組并確定各小組職責，具體人員配置如下：

調控中心：總負責人1 名，系統維護人員4 名，通信專業人員1 名， 施工單位2 名/調度臺，SCADA系統廠家2 名/調度臺。

被控端：施工單位2 名/組，SCADA 系統廠家1名/組，供電段2 名/組，驗收人員2 名/組。

3）調試前應具備的條件

SCADA 系統設備出廠前，應完成工廠驗收測試（FAT），經相關單位驗收并取得驗收報告；SCADA系統軟件/硬件按要求安裝完畢； 站場變配電系統（包括UPS 系統）及通訊系統安裝、調試完成，驗收合格并投入運行；相關電纜敷設、機柜接線、接地系統安裝完成且驗收合格； 相關儀表經檢定校驗合格，安裝完畢且驗收合格；相關單體（或成套）工藝設備安裝、試運完成且驗收合格。

2.2.2 控制室內設備調試

調試主要流程如圖2 所示。

圖2 控制室內設備調試流程Fig.2 Control room equipment commissioning process

其中主要調試內容如下：

1）上電前檢查

在確保系統內設備已全部安裝完畢的前提下，主要檢查調試環境、接地系統、電源及UPS 系統、電纜、硬件等。 調試環境（溫度、濕度、清潔度等）應符合要求；工作接地系統、保護接地系統及屏蔽接地應合格，接地電阻符合要求；電源及UPS 系統應符合設計要求；相關電纜接線無誤；機柜內接線（包括通訊線、電源線、接地線等）正確、可靠，線徑符合設計要求；機柜及其內部部件安裝應牢固；機柜內各插卡、適配器及其接口的型號、安裝位置應符合設計要求，各插卡預設旋鈕位置正確[5]。

2）程序加載及系統啟動

SCADA 系統設備上電，在工程師站安裝系統軟件、應用軟件及數據庫。 在操作站啟動系統，確認系統無故障、無報警，待系統正常運行后，在各設備上安裝系統軟件，建立數據點表，搭建結構，建立數據庫。 將控制網絡上所有節點全部啟動，確認系統無故障、誤報警，狀態正常。 利用測試程序對控制站、操作站等進行診斷，確認系統運行正常。

3）通訊測試

對站場局域網、調控中心局域網、場站與調控中心間的廣域網進行鏈路調試。 測試站場局域網中每個節點的平均響應時間、最大響應時間、丟包率，完成系統的性能測試。 通過網絡PING 方法在調控中心與站場之間進行SCADA 系統雙通道測試。

4）組態檢查及畫面測試

在HMI 上測試畫面切換功能，應切換方便，切換標記直觀。檢查HMI 畫面種類、數量及畫面中的工藝符號、參數、單位是否完整，檢查畫面動態顯示是否符合實際需要，畫面主要包括總覽圖、流程圖、實時趨勢圖、歷史趨勢圖、報警顯示、事件記錄等。

5）冗余測試和容錯能力測試

冗余測試主要是對服務器、控制器、通訊網絡、卡件、電源進行冗余測試。 容錯能力測試主要包括控制器切換時的容錯測試、控制器故障時的容錯測試、控制器斷電時的容錯測試。

2.2.3 單體設備及輔助儀表盤調試

利用過程校驗儀對現場單體設備及輔助儀表盤進行校準和試驗，避免因接線錯誤等原因造成設備損壞。 單體設備主要包括顯示儀表、記錄儀表、報警儀表、執行機構等，輔助儀表盤主要包括外輸泵、回注泵等輸油泵控制盤。

2.2.4 控制功能測試

1）輸入和輸出功能測試

系統會根據輸入信號的有無或類型做出不同的響應，比如當輸入信號錯誤或突然掉線時，系統會做出自我保護響應；當特定的輸入信號超過設定的高低限值時，系統會自動報警并做出提示；針對某些輸入信號，系統應具有濾波、開方、補償等功能。 針對以上功能，分別選取典型輸入類型信號，檢查系統功能是否正常。

2）回路測試

根據現場實際情況和回路的復雜程度，按位號和信號類型對各回路合理排序并進行逐一測試，每個回路及其聯鎖分支的測試應一次性完成，避免重復和遺漏，從而提高調試效率。 檢查采集信號（壓力、溫度、報警、設備狀態等）能否在HMI 正確顯示，以及命令信號（泵啟停、開關閥等）能否正常下達到現場設備并使之按命令動作。

3）邏輯測試

站控系統與現場設備進行聯合調試，通過對現場設備及HMI 的操作， 檢查設備動作是否正確，確保該邏輯符合設計要求且滿足實際生產需要。 測試內容一般有泵啟停邏輯、泵切換邏輯、發球邏輯、收球邏輯等。

4）聯鎖測試

在HMI 上模擬聯鎖條件的發生，觀察是否觸發現場設備動作，檢查觸發后的設備動作是否符合設計要求。 需測試的工況一般有輸油泵入口壓力超過低限值、輸油泵出口壓力超過高限值、輸油泵溫度超過高限值、輸油泵振動值超過高限值等。

2.2.5 站控系統與電氣接口測試

主要是指站控系統與現場電氣控制盤的接口測試，根據第三方設備的通訊要求，將SCADA 系統與其連接并測試通訊情況，確保第三方通訊正常。

2.2.6 站控系統控制電氣設備試運轉

站控系統與電氣接口測試完畢后，斷開電氣設備主回路電源，在不帶電的情況下對電氣設備進行邏輯控制測試，確保動作的邏輯關系正確、聯鎖功能正常，然后電氣設備上電，由站控系統控制電氣設備進行試運轉。

2.2.7 中心控制系統調試

1）邏輯測試

中心控制系統對現場設備進行操作測試，檢查現場設備的動作是否符合設計要求，同時對第三方數據采集、模擬量和開關量數據上傳進行調試。 需要測試的邏輯有全線啟輸邏輯、全線停輸邏輯等。

2）水擊測試

在HMI 上模擬水擊條件的發生，觀察是否觸發現場設備動作，檢查現場設備動作是否正確，確保其符合設計要求。 需要測試的水擊工況有自動閥室關閉、手動閥室關閉、首站或中間站失電、中間站進站閥關閉等。

3）系統功能測試

測試調控中心的硬件工作情況（包括服務器冗余測試、域控測試、GPS 時間同步測試、D.E-SERVER的工作測試等）； 測試中心控制系統與站控系統和RTU 的通訊情況；測試應用軟件的傳送功能。

4）畫面測試

檢查HMI 畫面種類、 數量及畫面中的工藝符號、參數、單位是否完整，檢查畫面動態顯示是否符合實際需要，同時校核及調整站控系統畫面與中心控制系統畫面的工藝原理和I/O 點位。 畫面主要包括主畫面、主流程畫面、各站權限設置畫面、D.RTU監控畫面等。

2.2.8 后續完善

由于調試期間現場條件的限制，某些設備在試運行時才具備調試條件，對此類設備在試運行期間再進行調試。 管道輸油工藝有大量調節過程，各工藝參數相互關聯，為獲得最佳工況，在試運行階段需對各調節系統的計算系數、設定值、PID 參數（比例度、積分時間、微分時間）等工藝參數進行精調。在SCADA 系統整體調試完成后，還需要協調、監督調試期間遺留問題的整改，經相關單位確認簽字后方可銷項。

3 重、難點及關鍵環節調試技術

3.1 回路測試

在進行回路測試時，應按時序和邏輯關系加入條件信號進行測試，并調整其工作狀態到符合設計要求為止。 當有閥門定位器時應同時對其進行測試，執行機構的動作方向應符合設計文件規定。 當閥門不僅要參與連續調節，而且故障狀態下要實現緊急全開或全關時，對閥門選型要進行確認。

3.2 柴油機泵機組啟停和控制邏輯測試

1）柴油機泵組啟停

試運轉時，柴油機泵組能夠順利啟動的條件大致如下：柴油機進氣管道連接密封可靠且進氣壓力達到啟動條件，無聯鎖停車事故，電氣系統正常，潤滑系統正常， 冷卻系統正常，ESD 系統的柴油機起動限制解除，電控柜允許起動信號燈亮起，柴油機允許起動。

2）ESD 系統聯鎖測試

ESD 系統是站場的安全保護系統，級別在生產過程控制之上，獨立運行并實時監測設備的安全狀況。 正常情況下該系統處于靜態，只有當生產設備出現緊急情況時，該系統才會做出響應。 當聯鎖條件發生時，ESD 系統直接發出信號，觸發設備動作，實現緊急停車，對現場設備進行安全保護。 為保證ESD 系統正常有效，檢查ESD 系統與站控系統通訊情況，確保兩者數據同步更新，同時對其他重要的聯鎖組態進行檢查和測試。

3.3 組態臨時變更管理

根據現場實際情況，在SCADA 系統調試階段經常發生組態臨時變更，為了做到有據可查，應建立簡單便捷的變更管理機制，使組態變更管理工作做到閉環控制，實現所有變更有依據、有記錄、可追蹤、可查閱。 當按要求完成組態后，組態的任何增加、刪除及修改，都需經過有效的審查和風險評估，并經過運行單位、調控中心簽字確認，辦理操作票后方能實行變更，組態變更過程需詳細記錄。

4 結語

長輸管道SCADA 系統調試關系到整個輸油管道的試運行及投產，項目部應給予高度的重視，由于調試工作集中，調試周期緊張，需要對該項工作進行科學、合理地組織和實施。系統調試工作技術含量高并且需要多專業、多工種配合，要做到對各類資源的配置進行統籌規劃，盡早與各相關單位溝通協調，保證調試工作的全面性，為管道安全、順利進行試運行及投產奠定了基礎。