管道SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析

張宏亮 孫文湞 王大為 孫海芳 李朝輝

（1. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司蘭州輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730060；2. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530000；3. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司長(zhǎng)春輸油氣分公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；4. 中油國(guó)際管道有限公司中哈天然氣管道項(xiàng)目，北京 100029）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)油氣需求增長(zhǎng)，“十四五”是我國(guó)長(zhǎng)輸管道新的發(fā)展時(shí)期[1]。我國(guó)已形成覆蓋全國(guó)的油氣管網(wǎng)，初步建成管道集中調(diào)控管理模式。隨著新建管道互聯(lián)，對(duì)管道運(yùn)行控制理念和技術(shù)提出更高要求[2]，體現(xiàn)在提高SCADA系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和兼容性，優(yōu)化管道運(yùn)行技術(shù)和仿真模擬技術(shù)等。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）是計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)輸送工藝自動(dòng)化控制和集中調(diào)度控制。SCADA系統(tǒng)是管道核心競(jìng)爭(zhēng)力體現(xiàn)，在降低人為操作失誤避免安全事故、提高工作效率和降低運(yùn)營(yíng)成本方面發(fā)揮重要作用。SCADA系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于石化、水力、冶金和電力行業(yè)。分析長(zhǎng)輸管道SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)的基本原則和要素，以及管道集中調(diào)控在自動(dòng)化控制、通信、硬件設(shè)備和報(bào)警等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用情況。針對(duì)管道調(diào)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、熱點(diǎn)和前景進(jìn)行了展望。

1 國(guó)內(nèi)SCADA系統(tǒng)功能和控制模式

SCADA系統(tǒng)組成是站控系統(tǒng)（Stating Control System，SCS）、調(diào)控中心（Dispatch and Control Center，DCC）和通信系統(tǒng)，通過采集管道運(yùn)行數(shù)據(jù)，傳送至調(diào)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道、閥室、設(shè)備監(jiān)控和控制，并進(jìn)行設(shè)備參數(shù)測(cè)量、調(diào)節(jié)以及信號(hào)報(bào)警。SCADA系統(tǒng)基本功能包括：

站場(chǎng)關(guān)閉和啟動(dòng)；遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)計(jì)量分輸站壓力、流量；遠(yuǎn)程控制調(diào)壓系統(tǒng)、計(jì)量回路優(yōu)先級(jí)、管路切換；閥門啟停；遠(yuǎn)程ESD命令觸發(fā)；遠(yuǎn)程設(shè)定組分；時(shí)鐘同步；RTU閥室監(jiān)控。

SCADA系統(tǒng)控制模式分為三種，調(diào)度控制中心是一級(jí)控制級(jí)，站控系統(tǒng)控制和就地手動(dòng)控制。正常情況下采用調(diào)控中心集中控制模式，經(jīng)調(diào)控中心授權(quán)或通訊系統(tǒng)故障，采用站控系統(tǒng)控制；如設(shè)備檢修或事故狀態(tài)下，采用就地控制。調(diào)控中心與站控控制權(quán)聯(lián)鎖具有唯一性，調(diào)控中心自動(dòng)獲取控制權(quán)，可授權(quán)站控控制權(quán)。站控系統(tǒng)向調(diào)控中心申請(qǐng)控制權(quán)，經(jīng)批準(zhǔn)切換到站控級(jí)。站控系統(tǒng)控制模式調(diào)控中心只監(jiān)視站場(chǎng)，調(diào)控中心發(fā)出ESD命令仍有效。調(diào)控中心與站控系統(tǒng)實(shí)行通信通斷監(jiān)測(cè)，中斷時(shí)間超過60s，站控系統(tǒng)自動(dòng)獲得控制權(quán)。

2 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 操作控制原則

管道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心是操作控制原則，管道控制系統(tǒng)水平取決于操作控制原則的廣度、有效性和時(shí)效性。SCADA系統(tǒng)是管道操作控制原則的實(shí)現(xiàn)工具和手段，管道操作控制原則范疇決定了SCADA系統(tǒng)對(duì)管道管理的廣度和深度，管道操作控制原則包括管道正常運(yùn)行時(shí)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)效益最大化，以及管道失效或緊急事故時(shí)應(yīng)急預(yù)案合理、有效。因此，廣義的SCADA系統(tǒng)不是單一的設(shè)備控制管理系統(tǒng)，而是多功能、綜合性的管道運(yùn)行管理與監(jiān)控系統(tǒng)，包括對(duì)管道運(yùn)行過程監(jiān)測(cè)、控制、模擬、分析、預(yù)測(cè)、計(jì)劃、調(diào)度和優(yōu)化并對(duì)管道線路及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行診斷并采取保護(hù)措施。

對(duì)標(biāo)國(guó)外管道企業(yè)（以加拿大Enbridge公司），我國(guó)與國(guó)外管道行業(yè)差距體現(xiàn)在SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的廣度和深度。國(guó)內(nèi)SCADA系統(tǒng)操作控制原則側(cè)重工藝設(shè)備自動(dòng)化控制和流程切換，Enbridge公司強(qiáng)調(diào)對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)的操作控制，包括管道運(yùn)營(yíng)理念、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、輸送工藝、操作控制指令以及管道保護(hù)維護(hù)等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出管道自動(dòng)化控制的范疇。Enbridge公司在工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中制定了《Operating & Maintenance Procedures-Pipeline/管道操作維護(hù)程序》、《Operations-Control Center/控制中心運(yùn)行》等技術(shù)手冊(cè)。我國(guó)還未制定管道操作控制原則的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)為管道企業(yè)SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的差異性。為進(jìn)一步發(fā)揮SACDA系統(tǒng)在管道生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)揮作用程度，應(yīng)深入理解和擴(kuò)展管道操作控制原則涵義及內(nèi)涵。

2.2 主備控制中心冗余設(shè)計(jì)

為預(yù)防突發(fā)事件，采用主備控制中心模式，實(shí)現(xiàn)緊急情況下監(jiān)控功能備用切換。主備控制中心在軟硬件和通信鏈路完全獨(dú)立，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)信息交換和數(shù)據(jù)庫(kù)同步更新，通過安全閉鎖功能認(rèn)證實(shí)現(xiàn)管道控制權(quán)切換，保證控制權(quán)唯一性。調(diào)度控制中心的服務(wù)器、局域網(wǎng)、通信接口以及站控系統(tǒng)的主板、局域網(wǎng)、通信接口采用冗余熱備方式以增強(qiáng)可靠性，如某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障，冗余熱備自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無擾切換，設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行保存。站控系統(tǒng)SCS中的ESD系統(tǒng)采用相對(duì)獨(dú)立的控制設(shè)備，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》進(jìn)行故障安全型設(shè)計(jì)，提高緊急關(guān)斷的可靠性。

2.3 硬件設(shè)備

SCADA系統(tǒng)軟硬件設(shè)備符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，例如MODBUS、CIP、IEC104、ODBC、OPC，硬件設(shè)備基于開放的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，具備良好適應(yīng)性和擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)管理信息系統(tǒng)和過程信息系統(tǒng)的信息交互，也解決新建管道建設(shè)和功能擴(kuò)展，例如SCADA系統(tǒng)可與地理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，提供良好的數(shù)據(jù)開放性，從而實(shí)現(xiàn)管道泄漏和報(bào)警信息精準(zhǔn)定位。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

調(diào)控中心和站控系統(tǒng)采用一主一備通信通道，主通訊采用光纖，備用通訊租用公網(wǎng)或衛(wèi)星。新建長(zhǎng)輸管道時(shí)同溝敷設(shè)光纜，用于實(shí)時(shí)傳輸管道運(yùn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)，可通過平滑升級(jí)和擴(kuò)容，滿足未來業(yè)務(wù)需求。調(diào)控中心與站控系統(tǒng)的通信速率64kbps，調(diào)控中心與RTU閥室、清管站的通信速率19.2kbps。應(yīng)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕瑪?shù)據(jù)傳輸誤碼率低于10-6，管道全線數(shù)據(jù)采集小于10s，通信掃描間隔滿足管存負(fù)荷、泄漏檢測(cè)和運(yùn)行管理的需求。近年來新建管道通信采用國(guó)際先進(jìn)的是智能波分技術(shù)，與以往通信網(wǎng)絡(luò)相比具有結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳輸效率高的特點(diǎn)。

應(yīng)考慮通信系統(tǒng)除給SCADA系統(tǒng)提供鏈路通道，還應(yīng)為工業(yè)監(jiān)視電視、視頻會(huì)議、自動(dòng)化辦公系統(tǒng)、程控電話提供鏈路通道。應(yīng)設(shè)計(jì)提供統(tǒng)一的全局網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，制定路由策略，保證SACDA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。國(guó)內(nèi)管道站控系統(tǒng)PLC和ESD系統(tǒng)采用MODBUS通訊網(wǎng)絡(luò)，可以直接自由進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并保證主機(jī)架和遠(yuǎn)程機(jī)架的信息實(shí)時(shí)交換。PLC和ESD系統(tǒng)通訊采用TCP/IP以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證快速、可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 人機(jī)界面

人機(jī)界面是操作人員的窗口，應(yīng)體現(xiàn)高效、簡(jiǎn)潔和實(shí)用的功能。管道輸送工藝信息盡可能集成到SCADA系統(tǒng)HMI畫面，包括管道系統(tǒng)配置圖（工藝流程）、壓力坡降圖（含管道高程）、邏輯控制過程、通信鏈路狀態(tài)、全線實(shí)時(shí)流量、站場(chǎng)進(jìn)出站壓力/溫度參數(shù)和報(bào)警組態(tài)顯示等。

2.6 報(bào)警級(jí)別劃分

報(bào)警信息應(yīng)有效準(zhǔn)確，報(bào)警等級(jí)、分組層次清楚，包括識(shí)別通訊中斷、工況轉(zhuǎn)換等復(fù)雜情形，并考慮特殊聲光報(bào)警等，實(shí)現(xiàn)報(bào)警過濾，避免“報(bào)警風(fēng)暴”。報(bào)警信息應(yīng)在流程圖上單點(diǎn)顯示，包括名稱標(biāo)簽（位號(hào)）、地理位置、數(shù)值、時(shí)間、事件描述。

2.7 PLC邏輯編程

邏輯圖是操作控制原則的直接表現(xiàn)形式。PLC和ESD程序設(shè)計(jì)應(yīng)完全符合邏輯框圖，并體現(xiàn)控制原理的有效、可靠原則，例如輸氣管道PID自動(dòng)調(diào)節(jié)邏輯程序是接受壓力數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)差值自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)，由PLC系統(tǒng)輸出至壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)整管道流量。考慮未來發(fā)展、整合和擴(kuò)展，確定SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)字符標(biāo)簽長(zhǎng)度，結(jié)合儀表位號(hào)。前2位標(biāo)識(shí)管道名稱；第3位標(biāo)識(shí)干線、支線；4-6位表示站場(chǎng)名稱；后幾位表示儀表回路。

3 管道SCADA系統(tǒng)應(yīng)用存在問題

國(guó)內(nèi)SCADA系統(tǒng)在控制水平，特別是遠(yuǎn)程控制的深度和廣度，與歐美管道行業(yè)存在較大差距。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)按照“有人值守、無人操作”指導(dǎo)思想，即在調(diào)度控制中心指揮下，管道沿線站場(chǎng)SCS和RTU閥室完成監(jiān)控和操作。但受到諸多客觀因素，管道生產(chǎn)運(yùn)行不能全部通過遠(yuǎn)程控制操作。

從SCADA系統(tǒng)維護(hù)方面，長(zhǎng)輸管道SCADA系統(tǒng)軟件平臺(tái)是國(guó)外廠家研發(fā)。國(guó)內(nèi)管道SCADA系統(tǒng)由專業(yè)公司設(shè)計(jì)建設(shè)，管道企業(yè)技術(shù)人員參與程度低，后期運(yùn)維多委托專業(yè)公司，對(duì)管道生產(chǎn)運(yùn)行造成不便，且增加運(yùn)行成本。從SCADA設(shè)備接口方面，站場(chǎng)部分調(diào)壓撬、壓縮機(jī)系統(tǒng)屬于不同廠家或軟件平臺(tái)，其運(yùn)行參數(shù)接入SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制操作，在時(shí)效性和穩(wěn)定性存在不足。

SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)在：缺乏完善系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)策略和安全管理程序，缺乏綜合性物理防護(hù)措施和訪問控制策略；廣泛使用TCP/IP，對(duì)工控網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性的風(fēng)險(xiǎn)；中控機(jī)、站控機(jī)采用Windows平臺(tái)未安裝補(bǔ)丁，病毒入侵、擴(kuò)散等；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部相互干擾、攻擊事件追溯。

4 結(jié)語

我國(guó)管道SCADA系統(tǒng)技術(shù)屬于世界先進(jìn)行列，SCADA系統(tǒng)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、光纖通信系統(tǒng)、仿真優(yōu)化技術(shù)進(jìn)步顯著，為管道安全運(yùn)行和節(jié)能增效提供了技術(shù)保障。隨著中俄東線等大型天然氣管道工程建設(shè)，SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、測(cè)試、驗(yàn)收需要完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。建議制定SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)SCADA系統(tǒng)軟件平臺(tái)，打破國(guó)外軟件壟斷，降低運(yùn)營(yíng)成本。此外應(yīng)考慮SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的深度和廣度，充分考慮在運(yùn)行控制和安全管理方面的功能。

未來研究應(yīng)用重點(diǎn)是以SCADA系統(tǒng)研發(fā)為基礎(chǔ)，融合模糊邏輯控制、遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及專家系統(tǒng)，推進(jìn)管道智能化調(diào)控。在油氣資源配置方面，應(yīng)用系統(tǒng)工程理論解決區(qū)域間資源優(yōu)化調(diào)配、供需平衡和管網(wǎng)系統(tǒng)配置優(yōu)化。在信息化方面，充分挖掘和積累運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成集群優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)提高管道精細(xì)化控制水平。