長輸油氣場站SCADA系統的分析與應用

冼智錦

摘 要 目前，隨著石油氣工業快速發展，國民生產生活對天然氣需求比重逐漸增大，而在天然氣長輸油氣場站中，對提高生產效率、安全性、時效性等方面都提出了更高的要求。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統是目前生產運輸企業最常用的管理手段之一，該系統主要借助計算機為平臺對企業的天然氣生產和運輸過程進行運行調度、工藝現場監控和現場設備狀態檢測等工作。在全國范圍內許多企業已經開始使用SCADA系統對長輸油氣管道及場站進行全天候、全范圍的監控。本文概括描述并探討了該項技術在長輸油氣場站中的應用，對該SCADA系統進行了分析，旨在提高企業生產質量。?

關鍵詞 SCADA系統 長輸油氣場站 自動控制

中圖分類號：TE4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0025-03

1 SCADA系統的結構

SCADA系統常被用于工業生產環節中進行數據采集和監控，是遙感和數據采集功能的集合，也是一種以計算機為基礎的自動化系統。該系統包含有采集、傳輸和監控三個部分，在工藝現場安裝的傳感器采集工藝現場的設備及環境的信號，并通過專用線路傳輸回指揮中心。值班的工作人員在指揮中心計算機工作站對采集的數據進行必要的分析計算，再將各種狀態信息通過HMI界面顯示給值班人員。通過該SCADA系統能夠提高工業生產的安全性和生產效率。

2 SCADA系統的應用

SCADA系統以其功能全面、兼容性強、智能穩定、全天候監控和可視化管理、可記錄、可追溯等諸多優點被逐漸應用到工業生產的各個領域中[1]，尤其在電網傳輸和鐵路運輸領域最為普遍。SCADA系統計算機軟件對工藝現場進行操作和管理，能充分發揮其控制能力，對于值班的工作人員來說操作更加便捷。同時，SCADA系統以計算機為基礎，更方便各類數據的儲存和必要時后期查證。

3 長輸油氣場站SCADA的設計

3.1 系統功能

結合長輸油氣場站送配氣的實際和生產需求，長輸油氣場站SCADA系統實現自動化監視與控制應具有以下幾個功能：

1.數據采集。在工藝現場的各類傳感器和儀表實時采集各個提前預設的監控點數據，其中包括了輸氣場管道流量、管道壓強、環境溫度、環境濕度、各閥門的工作狀態、各類氣體的濃度等。

2.數據儲存。將采集到的各類數據儲存在數據庫服務器內，以用作程序數據處理和留檔，以便于實時或事后調用查證。

3.瀏覽查看。值班的工作人員通過系統授權認證后，可以在電腦或移動終端上通過網頁瀏覽器或者軟件客戶端登錄，通過本地局域網或者異地瀏覽SCADA系統中的各項數據。并可以將SCADA系統拓展延伸至GIS（Geographic Information System，地理信息系統）和CIS（Consumer Information System，用戶信息系統）等第三方系統中，從而實現GIS、CIS和SCADA多系統的一體化應用。

4.異地控制。已經通過系統授權的值班工作人員在處理系統事件時無需到達現場，能隨時登錄系統異地控制工作現場的設備，從而縮短系統出現事件的響應時間。同時，在系統檢測到發生緊急事件時能進行設備緊急停機和安全保護。

5.界面顯示。在監控中心的大屏幕上以簡單且直觀的HMI人機界面，生成較為形象的圖形、數據圖表、狀態報表、開關閥門狀態等多種形式內容，實時顯示現場儀表檢測到的設備和管道的不同工作狀態。

6.事件報警。通過HMI人機界面彈出報警信息或發出報警蜂鳴聲等多種方式提示值班的工作人員處理事件。其中包括了設備故障、參數異常、通信中斷、管道泄漏、參數過閾值等。

7.打印和導出報表。值班的工作人員能夠在監控中心隨時或者定時導出和打印各項數據報表、歷史操作記錄、故障事件記錄和報警記錄等關鍵信息。

8.權限設置。SCADA系統能夠給不同的值班人員設置不同的訪問權限，值班人員根據不同的賬號登錄系統后擁有相對應的訪問和操作權限，以實現系統多級高效的人員管理。

3.2 系統結構

在長輸油氣場站中，SCADA系統總體結構以分層式、分布式的思路進行設計，由數據采集系統、網絡通信系統、站控執行系統和數據儲存系統等多部分組成。SCADA系統的總體結構如圖1所示。

1.近端監控中心。SCADA系統在近端的監控中心內對系統進行實時監控和管理調度，系統中采集到的各類數據信息均匯集到監控中心的工作站內。組建的專用網絡是在B/S（瀏覽器/服務器）的結構下進行設計的。高速的以太網絡搭建的系統內部的局域網用于各項數據之間的通信。SCADA系統中的各類服務器、計算機工作站、網絡設備和打印機設備均設置在近端監控中心內。其主要的作用是接收數據信息，并在將其儲存到對應的數據庫的同時，于HMI人機界面上顯示出來。

2.中間數據傳輸。該部分是系統中負責進行中間數據傳輸的，主要是以通信網絡組成。通過高速網絡組建，以起到將RTU遠程測控終端與近端監控中心連接起來的作用。場站內的管道壓力、管道流量、環境溫度和開關閥門的工作狀態等重要數據均借助該高速網絡進行傳輸。其傳輸的方式主要有三種，分別是以太網傳輸、光纖傳輸和無線傳輸。目前，各生產企業通常使用的是光纖傳輸，原因是其優勢明顯，主要表現在傳輸速度快、抗干擾性能強、帶寬大和傳輸距離遠等方面。此外，SCADA系統將搭建VPN專用網絡，在保障了系統數據高速傳輸速率的前提下，提高了網絡的安全性。以實現工作人員不在場站現場也可使用外網進入到系統內網中控制現場設備和查看系統數據。

3.遠端現場采集。作為SCADA系統的最底層，遠端現場采集過程主要集中在天然氣的工藝現場，各類管道、開關閥門設備、工業傳感器和智能儀表大部分都集中在該處。通過RTU遠程測控終端對現場的各種數據和設備運行狀態的進行監測，再通過數據傳輸單元DTU上傳至監控中心。相反，當需要現場設備完成監控中心發來的遠程操作指令時，通過DTU數據傳輸單元下發指令到RTU遠程測控終端以實現該過程。另外，在設計系統的遠端現場采集部分時，還需要充分考慮日后使用過程中設備擴展的問題，為SCADA系統預留一定余量[2]。

3.3 運行流程

長輸油氣場站SCADA系統的運行流程主要由三個階段構成，流程是先進行遠端現場采集，再通過中間數據網絡進行傳輸，在近端監控中心進行調度和管理，SCADA系統的具體運行流程如圖2所示。

1.在遠端現場安裝有各類的工業傳感器和智能儀表，其主要任務是采集SCADA系統中所需要的各項數據，經過匯總分析后上傳至系統服務器進行分析。如天然氣管道壓力、管道溫度、環境濕度、天然氣流量、氣體濃度和開關閥門的狀態等信息。

2.各類現場數據需要被上傳到SCADA系統對應的服務器當中，經分析篩選后再存儲到對應的數據庫中，并且提供儲存的數據庫設計時要充分考慮適當冗余，該部分主要是以互聯網和VPN專用虛擬網絡的方式通訊。

3.長輸氣場站SCADA系統的數據匯聚中心為近端監控中心，發揮管理和調度的功能。現場值班的工作人員能通過HMI人機界面查看工藝現場的情況，實時監測運行情況，經系統分析現場數據后，根據企業管理和調度的要求，發送控制指令到現場的PLC等執行機構處進行遠程控制，從而實現集中管理目的，如打開關閉閥門、調節溫度和控制流量等功能。

4 結語

本文首先針對SCADA系統的組成結構和應用情況展開介紹，再者通過系統的功能、結構和運行流暢幾個方面對SCADA系統如何在長輸氣場站中的應用進行了闡述。最后，以近端監控中心、中間傳輸網絡和遠端現場采集三個部分組成了能對長輸油氣場站進行全天候監控和管理的SCADA系統。長輸油氣場站的SCADA系統將通信技術、控制技術和現代計算機技術相結合，在遠端進行數據采集，中間利用VPN專用虛擬網絡進行傳輸，近端設置了監控中心進行管理調度，進而實現了天然氣企業生產和運輸環節智能高效和安全穩定的目的。

參考文獻：

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

[2] 陳曦，周峰，郝鑫，等.我國SCADA系統發展現狀、挑戰與建議[J].工業技術創新，2015（02）：103-104.