SCADA系統(tǒng)在長輸油氣管道系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹了西氣東輸二線的基本情況及其流程工藝，介紹了PLC、站控機(jī)、路由器、交換機(jī)等自控設(shè)備在該項目中的應(yīng)用，并分析了以太網(wǎng)、ControlNet網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組成，討論了控制系統(tǒng)的組成及實現(xiàn)的功能。
關(guān)鍵詞：西氣東輸；SCADA系統(tǒng)；HMI；ESD；PLC；路由器；交換機(jī)

    SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)視全線管道站場和閥室設(shè)備運(yùn)行情況，是一項重要的綜合自動化系統(tǒng)。因此，要確保安全、經(jīng)濟(jì)合理高效。
    SCADA系統(tǒng)通過聲光報警來警示管道運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)了異常情況。如果超出了安全警戒線，控制系統(tǒng)能夠自動根據(jù)邏輯關(guān)閉場站及相關(guān)大型設(shè)備，整個場站可以在預(yù)定的極短的時間內(nèi)恢復(fù)到安全狀態(tài)。

1 系統(tǒng)解決方案和實施
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本工程控制系統(tǒng)采用三級監(jiān)控結(jié)構(gòu)：
    一級調(diào)度中心：北京油氣調(diào)控中心以通訊方式對所有站場和閥室進(jìn)行監(jiān)控；
    二級站控系統(tǒng)：在正常情況下，由站控制系統(tǒng)完成對現(xiàn)場設(shè)備的實時監(jiān)控；
    三級就地操作：當(dāng)站控系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修維護(hù)時，在現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備操縱。
1．2 控制系統(tǒng)總體方案介紹
    西二線SCADA系統(tǒng)由羅克韋爾公司的PLC系統(tǒng)、霍尼韋爾公司的ESD系統(tǒng)SaftyManager、冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器、DELL操作員工作站和工程師工作站、HP打印機(jī)、赫斯曼交換機(jī)、思科路由器、Moxa串口服務(wù)器、UPS等設(shè)備組成，西段典型壓氣站(CSC)站控系統(tǒng)配置如圖1所示。主要完成站內(nèi)工藝數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制等功能，并向調(diào)度中心傳送實時數(shù)據(jù)，接受調(diào)度中心下達(dá)的任務(wù)。

1．3 上位機(jī)(HMI)監(jiān)控系統(tǒng)
    西二線上位機(jī)系統(tǒng)選用了Honevwell公司的HS系統(tǒng)，每個場站配置的2臺通訊服務(wù)器和1臺客戶端，客戶端與冗余服務(wù)器之間通過光纖連接，保證其通訊的穩(wěn)定性。2臺通信服務(wù)器互為冗余熱備配置，當(dāng)2個服務(wù)器均正常工作、或任何1個服務(wù)器正常工作的條件下，操作員站都可以對過程控制PLC系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)、第三方通訊設(shè)備的所有數(shù)據(jù)實施監(jiān)控，同時主備調(diào)控中心也可以實現(xiàn)對站場的監(jiān)控。
    冗余的通信服務(wù)器中的任何一個失敗以后，另一個一直“熱備”的通信服務(wù)器立即取代它的所有功能。
    在第三方通訊設(shè)備方面，西二線采用MOXA公司的串口服務(wù)器來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。該串口服務(wù)器上配置以太網(wǎng)口和16個RS485接口，每個RS485接口只連接到現(xiàn)場的1個串行控制器；串口服務(wù)器采用冗余配置，2個串口服務(wù)器各采用1個以太網(wǎng)口連接到冗余的A、B網(wǎng)絡(luò)上。
1．4 PLC監(jiān)控系統(tǒng)
    西二線PLC監(jiān)控系統(tǒng)選用了RockwellAutomation(羅克韋爾自動化公司)的ABControlLogix控制器及相關(guān)控制系統(tǒng)。該產(chǎn)品是該制造商目前在技術(shù)和性能上最高檔次的產(chǎn)品，也是行業(yè)內(nèi)公認(rèn)最為強(qiáng)大的控制器產(chǎn)品之一。
    以ControlLogix控制器為核心構(gòu)建的控制系統(tǒng)，具有高度的可靠性和安全性，是面向大型、關(guān)鍵性系統(tǒng)應(yīng)用的理想產(chǎn)品。
    因此以ControlLogix構(gòu)建的系統(tǒng)，可以作為通用PLC控制系統(tǒng)，應(yīng)用于油氣管線中的站場控制系統(tǒng)SCS系統(tǒng)。
    在西氣東輸二線管道工程，自霍爾果斯首站開始的73個壓氣站、壓氣分輸站、分輸聯(lián)絡(luò)站、分輸站等站場，分別設(shè)置了獨立的Control Logix站控SCS系統(tǒng)，選用了8Mbyte內(nèi)存的1756-L63處理器和同系列1756I／O卡件，DI：1756-IB16、DO：1756—OB16E、AI：1756-IF8、AO：1756—OF8。為保證系統(tǒng)的可靠性，ControlLogix控制器的處理器、I／O網(wǎng)絡(luò)、電源模塊、以太網(wǎng)模塊(ENBT)、冗余同步模塊等都按冗余配置設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    ControlLogix典型站控系統(tǒng)配置清單，見表1。

1．5 ESD監(jiān)控系統(tǒng)
    西二線項目使用的ESD系統(tǒng)是霍尼韋爾公司的SM產(chǎn)品，其能使設(shè)備有最好的安全性和生產(chǎn)連續(xù)性。主要應(yīng)用于世界各地的石油、石化及化工等行業(yè)。
    為滿足用戶對不同設(shè)備安全性和連續(xù)性生產(chǎn)的要求，SM在設(shè)計上具有多種配置方式，能滿足TUV AK6級及SIL3級標(biāo)準(zhǔn)的要求，西二線項目ESD系統(tǒng)達(dá)到的是SIL3等級。SM能保證在設(shè)備出現(xiàn)任何異常情況時，控制在一個安全的狀態(tài)，高度的自診斷功能確保SM能在過程安全時間內(nèi)發(fā)揮作用。

    (1) SM系統(tǒng)功能說明
    在通訊功能上，SM系統(tǒng)具有符合MODBUS／TCP IP通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，符合同際通訊標(biāo)準(zhǔn)，可與任何具有同樣通訊接口的設(shè)備進(jìn)行通訊，同時SM系統(tǒng)還可通過專有的通訊卡與霍尼韋爾Experion PKS系統(tǒng)的FTE高速容錯以太網(wǎng)實現(xiàn)無縫集成從而實現(xiàn)SOE功能的集成、報警功能的集成、操作界面的集成、歷史數(shù)據(jù)共享等功能。
    在項目調(diào)試階段及生產(chǎn)運(yùn)行過程中，有時需要對運(yùn)行程序作在線修改，F(xiàn)SC系統(tǒng)具有強(qiáng)大的在線修改功能，保證在現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行過程中，極大程度上降低對設(shè)備誤動作的可能。
    SM系統(tǒng)采用FLD功能邏輯圖進(jìn)行編程，采用符號庫生成有關(guān)邏輯，簡單方便，避免了編程可能導(dǎo)致的錯誤，友好的用戶界面讓工程師使用起來得心應(yīng)手。
    ESD系統(tǒng)采用微處理器技術(shù)，診斷覆蓋面超過99．99％，系統(tǒng)符合IEC61508 SIL3標(biāo)準(zhǔn)，其高度的自診斷功能確保系統(tǒng)安全性及高可靠性、系統(tǒng)自診斷功能包括：
    ◇在過程安全時間間隔內(nèi)的自診斷
    ◇程序周期異常監(jiān)視
    ◇所有I／O點檢測
    ◇程序和數(shù)據(jù)存儲器管理檢測
    ◇內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸檢測
    ◇所有的通訊檢測
    ◇中央處理器CPU和內(nèi)存的監(jiān)測
    ◇當(dāng)自檢發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)任何故障時，系統(tǒng)可以輸出接點信號，提示操作人員。
    (2) SM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    FSC系統(tǒng)的硬件模塊可分為三組：CP中央控制模塊、I／O輸入輸出模塊、FTA現(xiàn)場接線端子模塊。
    系統(tǒng)是由2套獨立行運(yùn)的系統(tǒng)組成，專用的內(nèi)部通訊接口負(fù)責(zé)其同步運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)自診斷發(fā)現(xiàn)一個模塊發(fā)生故障時，CPU將強(qiáng)制其失效，確保其輸出的正確性。這樣確保了系統(tǒng)的高可靠性、高安全性及高可用性。
    FSC系統(tǒng)可提供不同的配置以滿足用戶對安全級別和可用性的不同要求如表2所示。

    ①中央控制模塊
    四重化處理器模塊(QPM)QPP-0001是SM系統(tǒng)的心臟，負(fù)責(zé)控制所有的系統(tǒng)操作。處理器的每次讀寫指令都要先對硬件和邏輯運(yùn)算進(jìn)行比較，另外對硬件的診斷測試使QPM模塊的診斷覆蓋率高達(dá)99．99％，因此，在一個QPM模塊運(yùn)行的情況下仍可以保證系統(tǒng)的安全等級可達(dá)SIL 3。物理內(nèi)存8 M、閃存12 M，自帶鋰電池，斷電支持6個月數(shù)據(jù)。2套處理器并行工作原理，雙機(jī)工作、無切換概念，故障處理器會被自動切斷，對程序運(yùn)行無任何影響，不會中斷監(jiān)控。
    ②電源
    SM系統(tǒng)采用冗余的經(jīng)過TUV認(rèn)證的220VAC／24VDC穩(wěn)壓電源對系統(tǒng)供電。
    ③工程師站
    作為SM系統(tǒng)維護(hù)和診斷的人機(jī)接口PC機(jī)，采用DELL臺式PC機(jī)／筆記本。系統(tǒng)軟件可運(yùn)行在Windows XP／2000的環(huán)境下。使用串行／Ethe rnet的通訊接口，可提供下列特性：
    ◇系統(tǒng)軟件的組態(tài)、修改和下裝。
    ◇I／O賦值功能。
    ◇允許系統(tǒng)有效仿真，系統(tǒng)狀態(tài)的在線監(jiān)測。
    ◇工程師站還具備SOE功能，SOE是基于WINDOWS 2000／XP的應(yīng)用程序，他將檢測到的過程事件記錄下來。這些事件從相連的SM系統(tǒng)中檢
索出來后用于在線查看、直接通過打印機(jī)打印、存儲到磁盤上日后分析，事故記錄的時間分辨率為1ms。安裝SOE軟件后，可以很方便找出引起的第一故障并進(jìn)行分析，最大限度地減少停車時間，提高生產(chǎn)效益。
    (3) SM系統(tǒng)配置
    在西二線項目中，采用QPP配置：冗余的中央控制器、冗余的電源模塊、冗余的通訊模塊、非冗余控制的I／O模塊。系統(tǒng)采用一對冗余的達(dá)到SIL3認(rèn)證的220VAC／24V DC 45A穩(wěn)壓電源分別對SM系統(tǒng)及現(xiàn)場設(shè)備供電，電源模件可在線不中斷維護(hù)。其中IO卡件主要分三種，如表3所示。

    ①數(shù)字輸入(DI)
    所有DI為無源干接點信號。使用FS-SDI-1624型16通道24 VDC故障安全型DI模塊，所有信號帶LED燈。每個通道采用光電隔離方式，通道間隔離：2000Vac。
    輸入最大電壓：36 VDC
    輸入電流：7 mA／24 Vdc
    ②數(shù)字輸出(DO)
    FS-SDO-0824型是8通道故障安全型24 VDC／550 mA DO模塊，負(fù)荷13 W，所有信號帶LED燈每個通道采用比電隔離方式。通道間隔離：2000Vac。
    每通道最大輸出電流：550mA。
    ③模擬輸入(AI)
    FS-SAI-1620m是16通道故障安全型AI模塊。
    輸入范圍：0—4．1 V／4—20 mA
    輸入阻抗：>1 Mohm
    每通道采用A／D轉(zhuǎn)換器精度：14位
    A／D轉(zhuǎn)換器誤差：+／-1LSB
    通道間隔離：2000＼Vac
    最大輸入電壓：+／-36Vdc
    (4) SM系統(tǒng)優(yōu)化性能
    采用SM作為場站的ESD具有以下的優(yōu)點：
    ◇SM的QMR結(jié)構(gòu)是雙處理器板、每個處理器板為雙CPU的四重化冗余結(jié)構(gòu)，并提供系統(tǒng)診斷，具有更高的可靠性和有效性，達(dá)到IEC的SIL3級認(rèn)證，優(yōu)于技術(shù)規(guī)格書中的SIL2級認(rèn)證要求；
    ◇ESD與站控系統(tǒng)無縫集成，關(guān)于ESD的所有數(shù)據(jù)、診斷、系統(tǒng)狀態(tài)信息均可以在操作站上顯示；
    ◇操作站上支持ESD的毫秒級SOE顯示，這對于事故追憶和分析是非常重要的。

2 結(jié)束語
    在長輸油氣管線中引入SCADA系統(tǒng)，不但可以提高工作效率和管理水平，降低運(yùn)行成本，而且可以減少人為因素造成的不良影響，減輕操作人員的勞動強(qiáng)度，保證管道生產(chǎn)安全可靠地運(yùn)行。
    同時計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，也是一種必然的趨勢。系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)充性能夠適應(yīng)各地不同和不斷變化的生產(chǎn)要求，并提供與其他信息系統(tǒng)的連接能力。