浙江中控SCADA系統在成品油長輸管道上的應用

劉維國，李 朦，汪 濤，徐曉理，黃桂鋒

（1.中國石化銷售股份有限公司華南分公司，廣州511400；2.浙江中控技術股份有限公司，杭州310053）

自1973年我國建成國內第一條成品油長輸管道，即青海格爾木—西藏拉薩管道（格拉線）以來，經過多年的發展，我國形成了遍布西北、西南、華中和珠三角地區的成品油管道輸送系統，SCADA 系統是成品油管道運行的“大腦”，對輸油生產起著重要作用[1]，但由于我國成品油管道發展較晚，SCADA 系統的設計和使用也長期借鑒或直接使用國外的控制系統，如霍尼韋爾、西門子、ABB、泰爾文特、西技萊克等公司產品，造成長期以來對國外SCADA 系統產生嚴重依賴[2]，近年來，國內部分自動化公司也開展了技術攻關，并形成了具有較高水平的軟硬件產品，逐步打破了國外系統的壟斷局面，但在成品油管道領域，還未實現軟硬件全部國產化，因此對成品油管道SCADA 系統軟硬件進行攻關，具有重大意義。

1 珠三角成品油SCADA 系統

1.1 系統應用情況

珠三角成品油管網全線采用ABB SCADA 系統監控，軟件為ABB SCADAvantage，硬件為ABB AC800M 系列PLC。系統架構如圖1 所示。

整套系統采用集中式數據庫架構，站控和調控中心SCADA 系統的上位機均直接從站場PLC 中采集數據。

圖1 ABB SCADA 系統架構圖Fig.1 ABB SCADA system architecture diagram

1.2 系統存在問題及國產化改造意義

珠三角管線ABB SCADA 系統由于系統投運時間長，目前存在較多問題，例如軟硬件與新操作系統之間存在兼容性問題，導致系統運行緩慢；軟件版本、硬件固件已經停止更新，不支持新興技術的配套應用；維護成本非常高昂，維護效果不理想；國家能源的網絡安全防護不受保障。因此，珠三角管線的SCADA 控制系統亟需升級改造。為保障國家能源的網絡安全，打破國外系統長期的壟斷局面，擬采用國產化的方案。

2 國產化改造及應用情況

2.1 國產SCADA 系統簡介

珠三角成品油管線國產SCADA 的構架如圖2所示。

VxSCADA 監控軟件是浙江中控技術股份有限公司（簡稱“浙江中控”）為油氣儲運、油氣開采行業研發的一套實時監控軟件。VxSCADA 軟件作為調控中心及站控SCADA 系統HMI 軟件，負責完成調控中心及站控SCADA 系統流程畫面、設備操作、報警記錄查詢、趨勢記錄等功能。

VxHistorian 大型數據庫作為調控中心核心數據庫，支持百萬點數據庫，具備高速高壓縮存儲功能。

圖2 國產SCADA 系統構架圖Fig.2 Domestic SCADA system architecture diagram

VxCollector 采集器與大型數據庫配合使用，作為調控中心SCADA 系統采集站控PLC 數據的重要組件，一方面可以支持數據通過modbus TCP、IEC104、OPC 等通用協議進行轉發，作為數據服務器，供客戶端讀取；另一方面支持通過軟件內部協議將數據通過輪訓或逢變則報的方式寫入中控的VxHistorian 大型數據中。

GCS-G5 是中控的大中型可編程控制器，具有高性能、大容量、全冗余、快速采集等特點，可作為長輸管道站場控制系統，完成站控對現場設備的控制和數據采集。

為了打破國外SCADA 系統在成品油管網的壟斷局面，中國石化銷售華南分公司和浙江中控合作對成品油管道關鍵控制技術進行了合作攻關，實現了混油界面跟蹤、批次管理、報警管理等高級功能，并完成了虛擬化云平臺建設等，填補了國產SCADA系統軟硬件在成品油管道上空白。

2.2 國產SCADA 系統的特點

2.2.1 對象化組態技術

采用面向設備的對象化組態技術，能夠輕松實現對象化動態遷移、重新配置和負載分布，降低系統組態工作量。SCADA 系統軟件中面向設備的對象化組態是面向對象的實時數據庫組態。此類數據庫的特點包括：面向對象、分布式、事件驅動、內存數據庫[3]。面向對象的實時數據庫需要模擬監控設備，通過研究建立“設備—子設備—變量—屬性”的層次模型，完成對統一對象進行設備監視的過程。在一個設備層次的每個等級上，靜態特征可被計算并傳送到報警及其他應用。參考IEC-61970 CIM 對象模型標準，對長輸成品油管道進行標準化設計，SCADA 軟件提供圖模一體化平臺，能夠快速建立對應管道站場各種典型設備環境的工程模型。通過對標準的對象化模板進行版本管理，以及區域的互聯，能夠構建工程應用的基礎模板，加快工程實施進程；通過標準化設備對象，將智能化站場邏輯進行模塊化對象封裝，使得項目開發成果能夠在各個站場重用，使得同時開展多個站場實施成為可能。

結構化位號組態技術是指在PLC 組態過程中，將多個同類位號按照一定的規則，結合成為一個結構化位號，在監控畫面組態過程中，創建一個固定的面板與圖符。在每一個設備的組態過程中，都調用這一個面板與圖符，只是關聯的結構化位號不同。下面以調控中心的電動閥組態為例，詳細說明結構化位號組態技術。具體步驟如下：

步驟1在PLC 中進行組態，構建結構化位號。圖3 是構建好的電動閥結構化位號。STN10MOV011是結構化位號的位號名，每一個引腳都是一個位號。

圖3 結構化位號Fig.3 Structured tag

步驟2在SCADA 數據庫中，將結構化位號讀取上來，具體的位號名為“結構化位號名.引腳名”，例“STN15MOV011.ZLO”，如圖4 所示。

步驟3繪制面板與圖符，并關聯好相關的位號。注意在進行動態編輯時“結構化位號名.引腳名”中的結構化位號使用“@THIS@”代替。繪制好的面板與圖符如圖5 所示。

圖4 數據庫Fig.4 Database

圖5 HMI 面板Fig.5 HMI panel

步驟4在主流程圖中，對單設備進行組態。添加單設備后，需要綁定位號，及綁定對應的結構化位號，如圖6 所示。

圖6 綁定位號Fig.6 Binding bit number

這樣，一個設備就完成了組態。在監控畫面中，該圖符下的所有位號，就自動關聯為“STN15MOV019.引腳名”這個位號。

使用結構化位號進行組態，即可以節省大量的組態時間，也不容易出錯。同時在后續的維護過程中，也可以很方便地進行組態修改。

2.2.2 全系統冗余架構

全系統冗余架構大大提高系統運行可靠性。整個系統SCADA 數據服務、VxCollector 采集器服務、VxHistorian 大型數據庫服務、底層PLC 控制器、IO卡件等，都可以實現熱備冗余及無擾動更換。而且可以手動切換工作/備用狀態，方便對系統進行檢修與問題排查。在工作狀態出現變化時，及時報警，提示操作人員及時檢查問題，另外創新提出了一種基于雙層環網冗余的PLC 優化設計方案，實現以太環網故障自愈，有效地解決以太環網由于轉發數據表刷新報文丟失以及端口故障恢復自協商時間不確定而導致的通訊中斷的難題，網絡斷開后恢復診斷時間小于300 ms，優于國外主流技術（500 ms），具體冗余結構如圖7 所示。

圖7 全系統冗余構架Fig.7 Redundant architecture of the whole system

2.2.3 通訊互聯技術

強大的通訊互聯技術，提高與不同品牌系統之間的兼容性。VxSCADA 軟件及VxCollector 中控采集器有著很便捷的數據互通能力，不僅可以作為主站，采集MODBUS RTU、MODBUS TCP/IP、IEC104、OPC、DNP3 等標準協議的數據，也可以作為從站，將數據以MODBUS TCP/IP、OPC、IEC104 等標準協議對外轉發。同時也支持與市場主流系統進行通訊，例如西門子S7 系統、ABB 控制系統等。在本項目中，由于需要與ABB AC800M 系統互聯，各站場間數據要進行相互監控，對于中控SCADA、ABB SCADAvantage 及ABB AC800M 系統之間的互聯均采用通訊數據轉發的實施方式，給項目的順利實施提供了有效的技術手段，可以更好地適應成品油長輸管道的復雜網絡結構與數據交互需求。

3 國產SCADA 系統改造方案

國產化SCADA 系統的改造方案，主要分為3個主要部分，分別是前期準備工作、停輸改造工作、保運工作，具體注意事項如下。

3.1 前期準備

在前期準備工作中，主要要完成現場調研、硬件設計方案、組態編寫、機柜FAT 等工作。

現場調研過程中，要注意機柜間、控制室的排列方式，考慮是否需要增加機柜或操作臺。同時要獲得原控制系統的資料，包括但不限于IO 點表、控制程序、HMI 程序、控制要求、數據通訊方式等。在做硬件設計時，要注意IO 點的配電情況、信號類型等，同時預留出足夠的備用通道。進行組態編寫之前，要解讀原程序，明確原系統的控制方案，同時與工作人員做好功能確認，明確是否存在需要改進的控制方案。在做FAT 時，測試系統的所有功能，保證硬件、控制邏輯沒有問題，同時做好離線仿真，保證系統輸出正常。

前期準備時，另外一項重點工作就是主動發現問題，有不明確的地方一定要做測試，確保方案的可行性。若發現某一條方案有問題，應及時解決問題或更換其他可行的技術路線。

3.2 停輸改造

停輸改造工作，主要分為兩個時間段，一個時間段是停輸前3～5 天；另一個時間段是停輸階段。

在停輸前3～5 天，所有工作人員就要到位，包括但不限于機柜拆裝人員、接線人員、系統調試人員、儀表工、安全員等。在這段時間中，工作人員要熟悉現場，并明確自己的工作任務，準備相應的工具。依據改造模擬過程建立工作時序卡，并依據所述工作時序卡，采用PDCA 循環模式對由所述待替換站控PLC 系統替換為所述目標站控PLC 系統的工作流程進行分解，并做好應急措施。同時進行人員安全教育、辦理操作證、辦理動火證等工作，確保改造可以正常進行。

在停輸階段，所有工作人員按照工作時序卡，進行工作安排。保證工作順序不能被打亂。及時更新工作時序卡，若出現工作嚴重滯后的情況，及時采取應急措施保證工作效率。

3.3 保運

在國產SCADA 系統完成調試并成功開車后，就進入了保運階段。在這一階段，主要工作就是主動發現問題，并加以解決。

4 國產化改造的技術創新

4.1 互聯互通

原有系統與國產系統之間的互聯互通。站控系統軟硬件改造完成后，需要將PLC 數據接入到調控中心ABB 系統中，由于ABB 系統通過OPC DA2.0協議采集PLC 中的數據，為確保現場改造過程中，國產PLC 系統能夠穩定接入到調控中心ABB 系統中，需要對PLC 的位號標簽和AC800M 的標簽一致，這樣就可以大大降低實施時間。

4.2 系統虛擬化及云計算平臺

首次在成品油管道上實施SCADA 系統虛擬化部署及云計算平臺應用。基于自適應云、虛擬化和彈性時序數據分布式存儲機制，通過數據一致性和實時性統一，將控制系統狀態和集群狀態進行結合，形成云虛擬化SCADA 系統的存儲基礎[4]。再通過容器化動態擴容云數據服務器，支撐多行業應用模塊自注冊，同步發布到各計算節點，同時提供在線和離線更新模式。SCADA 數據云服務運行于虛擬化云環境，實現云服務實例無限冗余，任意云服務宕機均不會對系統造成任何影響，充分保證系統穩定性。云服務實例間根據負荷值仲裁實現SCADA事務自動遷移，有效提升系統執行效率[5]。

4.3 工控系統安全防護

發明了一種成品油管道工控系統安全防護技術。通過研究邊界防護、訪問控制、惡意代碼防范、安全審計、入侵檢測、主機加固、主機安全防護、網絡設備防護以及統一安全管理中心相關安全應用技術。通過全方位的信息安全控制與監視，進行風險監測與主動防御，實現系統本質安全與防護一體化[6]。

5 結語

目前，國產SCADA 系統已經在珠三角管網部分站場及調控中心應用，經過了長時間的使用與檢驗，國產SCADA 系統滿足了成品油長輸管道SCADA 系統對于數據采集、工藝監控、設備操作、報警趨勢等需求，打破了成品油管道SCADA 系統由國外產品壟斷的局面，而且本次應用也使SCADA系統得到了提升，部分性能超過了原使用的外國品牌SCADA 系統，如SCADA 系統實時數據最小采集周期小于0.1 s；實時監控畫面載入時間小于1 s；畫面刷新時間小于1 s； 冗余服務器切換時間小于1 s 等。

事實證明，國產的SCADA 軟硬件系統能夠完成大規模長輸管道的使用需求，可以使成品油管道SCADA 監控技術不再受制于人，從而為國家的能源安全保駕護航。