油气长输管道SCADA系统

多发地域加装雷击保护装置,控制系统的接地也要自成体系等等。

在软件的设计上设置了操作权限,无论在DCC还是在站场,对不同的系统操作人员设置了相应的系统访问密码。最高级别为系统管理员,他能进入系统内部修改数据库和程序;最低级别是操作员,他仅能进行MMI 的日常操作。

控制软件是安全性设计的重要一环,它直接对工艺设备进行操作,从软件设计上要充分考虑逻辑条件的关联及互锁,稍有疏漏就可能酿成严重的生产事故。另外三级控制模式的设计,即使自控系统全部失灵也能通过手动操作保证管线的安全运行。

如果SCADA 系统与企业网连接,尤其当企业网与Internet 连接时,系统设计就必须考虑网络安全问题,在软件/ 硬件方面采取积极的措施,防止SCADA 系统因不良分子的侵入而遭受破坏。安全性存在于SCADA 系统设计的方方面面,只有考虑周详、设计严密才能保障管线的生产安全。

（2） 先进性

陕京输气管道在立项之初就有明确的目标,要建成国内第一条具有90 年代国际先进水平的输气管线,这对SCADA 系统的设计提出了很高的要求。陕京输气管道SCADA 系统的设计采用国际标准,吸取了国际先进思想。如L IC 管道模拟软件的应用使调度管理工作更科学,阴极保护“3 秒断12 秒通”数据采集方法的应用使阴保数据采集更准确,计量回路中差压变送器采用“2 高1 低”的配置也保证了计量结果的准确性和精度。在数据通讯方面,主路由采用了先进的卫星通讯方式。

另外在硬件选型方面,陕京输气管道SCADA 系统选用的大多是当时较先进的设备。如主机选用SUN 公司的64 位机,以太网络可由10 baseT 升级到100 baseT ,计量系统的压力和差压变送器采用Rosemount 新型的3051 C 系列,PLC 采用Schneider公司Modicon Quantum 系列产品等等。

以上软硬件两方面的设计,保证了目前陕京输气管道SCADA 系统在国内处于领先地位。但任何系统的先进性都是暂时的,特别是在微电子技术飞速发展的今天,这一点显得尤为突出。另外当先进的东西组成一套系统时,如果这套系统可靠性不高,则这套系统先进性也就无从谈起。

（3） 可靠性、可用性

即使一套SCADA 系统设计得再先进,其元器件经常损坏,软件总是出故障,使维护人员一刻也离不开现场,那这套系统就很不可靠也不实用。因此在设计SCADA 系统时要专门进行可靠性设计,采取一系列可靠性技术。

陕京输气管道的SCADA 系统既要求具有很高的先进性又要具有很高的可靠性,在设计上可用性要求达到99. 8 %。为了保证这一高的可靠性,首先要求系统具有容错能力,要求非关键元器件的故障不能影响整个系统的正常运行;其次对关键设备采取冗于配置,如DCC 采取双主机、计量站PLC 采取双CPU 配置。在计量站,流量计算机获取色谱分析数据采用双通道数据通讯。另外模块化设计、抗干扰和防雷击措施、热插拔技术和故障的自诊断等等一系列措施,也是保证了系统可靠性的提高。

SCADA 系统承包商的选择也是决定系统可靠性的关键,在比选承包商时,既要考察系统所采用的硬件,更要考察采用的软件,从操作系统、视窗软件到系统软件、应用软件等等方面一一加以考察。所有采用的软件应当是在投入现场使用前已进入成熟阶段,且具有相当的业绩。

（4） 冗余性

为了实现系统的高可靠性,要求SCADA 系统中重要的关键设备具有很强的容错能力,对它们采取冗余配置。基于这一要求, 调空中心采用双主机(Host ) 、双以太网、双通讯处理机配置; 站控系统PLC 采用双CPU 配置。

冗余配置的工作模式为主从方式,当主机(Master) 在线工作时,从机(Slave) 处于热备状态,它时刻监视主机的工作状态,并从主机获取数据使从机与主机数据库保持完全一致。当主机一旦出现故障,从机就立刻将主机的工作接管过来,自动由从机变成主机,这一切换过程要求做到无扰动,以不使管道输送发生任何突变;而发生故障的主机修复后则变为从机,这时系统的主从关系发生了一次转换。

（5）开放性

开放性设计是当今系统设计的基本要求,它要求计算机软硬件厂家共同遵守OSI 国际标准,以实现不同厂家之间的异种计算机设备间的通讯。虽然开放性是针对计算机设备间通讯提出的要求,但也给用户提供了很多方便。用户在设备采办和软件选择时可以不必限定在一家厂商,而可在多家厂商之间进行挑选,增加了选择余地和灵活性。开放性也给系统的维护带来便利,如计算机的更新换代。

陕京输气管道将要开口新增分输站,由于陕京输气管道SCADA 系统设计在一开始就遵循了国际开放标准,这给新增分输站自控系统设备的选型提供了很大的空间。

（6） 模块化

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模块化是指软件和硬件设计的一种方法。按照该方法,SCADA 系统具有了积木式结构,从而使用户可根据生产要求灵活地进行系统配置。模块化设计的优点是系统易于维护、扩展方便。

靖边首站的控制软件按功能划分成一些模块,任一模块的故障不会影响其它模块的运行。另外靖边首站在二期工程期间将上压缩机,只要在现有软件模块基础上添加压缩机模块即可,无需对软件结构做大的改动,更无需重新进行软件开发。

（7）扩展性

系统的扩展性是对未来提出的要求。现阶段由于条件不成熟,系统规模受到限制。如将来系统规模可能扩大,系统在设计之初就必须加以考虑,给系统的扩展留有余地和弹性。一个系统能不能扩展,扩展能力有多大,这主要取决于系统所选用的软件的性能和硬件容量。设计人员要在系统的整体性能如响应速度、通讯速率和计算机资源两方面进行优化考虑,最终确定一个合理的系统扩展规模。

陕京输气管道的扩展能力很强,设计要求至少可扩展到50 个带RTU 站场。目前全线共有20 个带RTU 站场,连扩展能力的一半还不到,所以陕京输气管道的扩展的余地很大。

（8）可操作性、可维护性

SCADA 系统管理者和使用者是生产技术人员和操作人员,尤其是国内油气管道操作人员的文化水平相对较低,SCADA 系统的可操作性和可维护性显得就非常重要, SCADA 系统要易于操作、便于维护。系统组态软件是SCADA 系统的重要组成部分,系统开发人员在用它生成系统时要灵活方便。MMI的设计是一个重点,这往往要求控制人员和工艺人员密切配合,共同设计出一个界面要友好便于操作的MMI。另外硬件模块能够热插拔、逻辑程序注释清楚、端子接线图标注清晰等等方面,都给系统的操作维护带来极大的方便。

（9）三级控制

目前国内外油气管道都采用三级控制的管理模式,陕京输气管道的SCADA 系统也不例外地设置了三级控制:DCC 远程控制,站场控制,现场手动控制。DCC 控制为第一级控制,这时站场的状态处于“站远程”。虽然DCC 的控制级别最高,但它的控制任务很少,可发的命令也有限,即紧急截断ESD 指令、阴保数据采集指令、设定值指令等。站场控制为第二级控制,一旦DCC 计算机出现故障,这时要将站场的状态切换到“站本地”,站控系统就全面接管站场的监控任务。

现场手动控制是在DCC 控制和站控全都失灵情况下的第三级控制,这时现场设备处于手动状态,依靠操作人员的现场手动操作实现对设备的控制。

11.4.2 管道SCADA 系统的实施

系统实施过程包括项目立项审批、基本设计、详细设计、系统招标、工厂设计及系统集成组态、工厂测试、现场安装调试、系统验收等各个环节。

(一) SCADA 系统实施应注意的几个问题 (1) 选择好SCADA 系统承包商

SCADA 系统是一个复杂的网络管理控制系统工程,选择SCADA 系统承包商是一个重要环节。 (2) SCADA 系统的选择应考虑的原则

a. 系统是经同类工程应用证明是可靠、成熟、开放性好的系统;

b. 提供系统的承包商应有丰富的工程业绩,并具备强有力的系统集成(包括自控系统、通信系统) 、售后服务支持、系统应用培训和工厂设计的能力;

c. 承包商应有自己的SCADA 系统软件,包括主站系统软件和站控系统软件,并且适应不同硬件厂商平台; d. 承包商有一定的硬件产品,具备强的应用开发、系统测试及培训能力。 (3)SCADA 系统实施建议 a. 宜采用国内、外合作设计及联合工作方式,由一个系统总承包商负责。这样在引进消化国外先进技术的同时,达到系统培训人才的目的;

b. 站控系统是SCADA 系统运行的基础,选用高可靠性和合理的站控系统是保证项目实施的关键。目前根据国内对PLC 的掌握水平及应用水平,国内自动化公司已具备完成这类工作基本条件。因此,在SCADA 系统总承包商归口负责条件下,站控系统可分包给国内完成,这有利于站控系统投产运行后长期的技术服务支持;

c. 通信系统为SCADA 系统提供数传通道,是SCADA 系统可靠运行的基础条件。根据同类工程经验,应选择一个能力强、系统经验丰富的SCADA系统承包商作为总承包商,对系统集成、通信接口界面、协议转换及系统测试投运负责,在进度上通信系统应先于SCADA 系统建设;

d. 经选择的SCADA 系统承包商应具备自己开发的,经工业应用证明是成熟、可靠的系统,系统应符合ISO 开放性等要求,在同类的技术水平上,具有良好性能价格比;

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e. 为确保系统的水平、可用性和可靠性,硬件和软件应选择名牌供货商产品;

f . 根据工程特点和已建SCADA 系统的经验,要十分重视应用、操作及维护人员的培训。骨干人员应参加SCADA 系统组建的全过程,超前培训是系统能否顺利建成及运行的基础。

(二)系统培训

在进行SCADA 系统建设计划安排时,必须编制项目建设方的系统管理人员、操作人员和维护人员详细的培训计划。骨干人员是SCADA 系统能否长期、稳定、可靠运行的关键。项目建设方应十分重视和支持培训工作,一旦项目成立,应选派出SCADA 系统的管理、操作和维护技术骨干,让他们参与项目的全过程,特别是参加编程组态,系统的维护及管理、安装、测试及试运工作。

SCADA 系统供应商(承包商) 应提供系统技术操作和维护手册,制订详细的工厂测试和现场安装、调试、培训计划。培训计划应整体考虑,该计划贯穿于项目始终,即从项目开始至SCADA 系统成功运行。“成功运行”指系统移交建设方后无故障,平稳地运行3～6 个月。

(1)操作人员培训

操作人员应参加SCADA 系统承包商的编程、组态、安装及测试的工厂培训和现场安装试运培训,还应参加调度中心在线及离线培训站的演示和操作培训。通过培训,操作人员应学会如何进行以下操作:

a. 与显示终端的交互输入; b. 评价显示数据及打印报告;

c. 分析管道/ 生产数据并对这些数据的异常变化作出反应; d. 通过控制盘、键盘或特殊功能键触发一个控制动作; e. 有效地监视和控制管道系统运行;

f . 对管道出现的异常状态、火险报告、管道破裂及其他紧急事故进行识别判断并作出反应。 (2)维护人员培训

维护人员分为计算机硬件维护人员和系统软件维护人员。他们的培训应包括:计算机制造商的培训、SCADA 系统供应商的培训。计算机硬件维护人员通过培训应掌握以下操作:

a. 熟悉SCADA 系统的全部硬件结构;

b. 诊断RTU 、调制解调器等出现的硬件故障;

c. 诊断下列硬件故障:CPU 、硬盘、打印机、磁带机、光盘刻录机、显示设备、键盘、输入/ 输出接口、模拟信号、数字信息及EIA RS232C 等;

d. 应用测试设备诊断系统故障;

e. 应用自检程序鉴定部件故障如存储器芯片、硬盘存储器故障; f . 生成并编辑维护诊断评价文件;

g. 编写简单的机器语言测试程序以查找异常故障; h. 对外设等进行预防性维护和日常保养。 系统软件维护人员通过培训应掌握以下操作: a. 诊断软件故障;

b. 利用操作系统进行文件的生成、编辑等; c. 熟悉系统功能;

d. 有效地启用存储器管理系统; e. 分析软件性能;

f . 根据可利用的CPU 容量、速度、内存、硬盘存储器等优化系统运行; g. 执行系统的启动、程序备份、系统生成、系统改进等。

硬件和软件的维护也可以签合同形式外包给计算机制造商、SCADA 系统供应商或第三方咨询机构(软件公司) 。

(3)管理人员培训

管理人员最好参加SCADA 系统的工厂测试、现场安装调试和现场试运的培训课程。也可参加短期的系统一般培训。系统的一般培训包括:

a. 系统配置;

b. 计算机系统结构; c. 软件操作系统; d. 应用编程

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e. 人机接口、显示设备、打印机等; f . 数据通信。

系统培训应根据参加人员的技术水平、文化程度、外语水平,实时调整计划,确定培训内容及时间,保证培训质量,使他们成为今后SCADA 系统正常、持续运行的管理人才。

11.5 长输管道SCADA系统冗余技术

长输管道SCADA系统要求具有较高的可靠性和安全性，故需要采用冗余技术构成容错控制系统以保障安全高效生产。长输管道SCADA系统冗余技术以硬件冗余为主，时间冗余和软件冗余为辅。冗余结构应做到可靠性和经济合理性两点。

11.5.1 长输管道SCADA系统冗余结构分类

从目前国内外应用情况来看，长输管道SCADA系统冗余结构一般有以下几种。 （1）仅控制中心主计算机冗余（如图11-15 所示）

图11-15 控制中心主计算机冗余

控制中心主计算机监控全线，要求绝对可靠，故按一级冗余配置，即双机热备。其外围设备不再冗余，全部单机运行。它只占用一条通讯线，控制中心主计算机与各站PLC 进行多站通信。

这种冗余结构较简单、经济。但对站级维护工作要求较严格。特别是PLC的各类模件应及时检查，有疑问要及时更换，并要求维护人员有较强的故障识别能力和责任心。这类冗余结构一般用于老线改造，保留原有检测仪表作为备用。或者用于短距离的小管道，且没有复杂严格的逻辑控制要求。

（2）控制中心主计算机冗余、站PLC分级冗余

站PLC分级冗余，仅指在管道的首站设置全冗余结构，其余站除一台主PLC外，再用一台微型PLC做后备。其结构图如图11-15 中，首站PLC改为双PLC，泵站PLC 改为PLC与微PLC的冗余结构。

这样，当其他站的PLC发生故障而不能工作时，首站可以全压启动，越站输送，确保管线不因控制系统的故障而停输。所以首站按一级冗余考虑，热备运行。其余站的冗余配置需使用同一厂家的系列产品。

主PLC 要采用产品系列中功能强、容量大的高级型号，冗余的微型PLC 可选用同系列中功能简单、价格便宜的较低级产品，例如AB公司的PLC5系列与SLC系列产品。同时，要将少量关键数据输入微型PLC 中。一旦PLC发生故障，控制中心的主计算机通过微型PLC仍能采集到关键数据，从而掌握管道的运行情况；并可以给微型PLC发送指令，完成较简单的逻辑控制功能，确保管道安全生产。这种冗余结构经济、实用，且使用较多。

（3） 控制中心主计算机、站PLC采用全冗余结构 控制中心主计算机和站级PLC 采用同样的两套设备。控制中心主计算机热备运行，站级PLC 根据输送工艺可热备、也可冷备，用户可以随意使用。其结构图如图1 中，首站和泵站PLC 均改为双PLC冗余结构。这种结构可靠性高，对于技术力量薄弱，操作经验不足，但资金较充裕的用户还是比较适合的。

（4）系统分层多级冗余（如图11-16 所示）

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