论文部分内容阅读
（中国石油管道公司中原输油气分公司，山东德州253000）
摘 要天然气作为洁净能源在全国范围内被广泛应用于各类行业，天然气产业蓬勃发展的同时，对于长输天然气管线的运行管理也就提出了更高的要求。目前应用于天然气管线上的自动控制系统较为先进的就是SCADA系统，本文将以西气东输工程为例，论述该系统在长输天然气管线上的应用。
关键词SCADA；PLC；RTU；ESD
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)092-0196-02
SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统的形成与计算机产业发展密切相关。该系统形成于20世纪60年代，当时只能起监视作用，而管道的运行管理和控制还是由人来完成。20世纪70年代计算机价格下降，而硬件和软件的水平大幅提高，且开发出具有现代模式的SCADA系统软件包。进入20世纪80年代计算机的功能更加强大，应用于管道上的SCADA系统紧跟时代技术的发展，使原有的监控系统有了极大改观，新一代系统具有管道动态模拟、数据优化、实时监控功能。时至今天其良好的开放性、方便的软硬件组合、完善的硬件支持、强大的通讯功能、友好的人机界面组成功能全面的监控系统。较之传统的DCS集散控制系统，其在系统的可扩展性、通讯功能和价格上具有很大优势。
1西气东输SCADA系统的设计原则
西气东输工程的SCADA系统实现了在调度控制中心完成对全线各站场监控、调度、管理，全线优化运行，达到当时世界先进水平。该系统以下列要求为设计原则。
1）系统必须具有高可靠性、稳定性、灵活性，以保证安全可靠地运行。系统能定期对自身进行自诊断并形成报告，能监视整个系统的工作状态，以便于系统的维护和维修。
2）系统应具有较高的性价比。
3）系统使用的软硬件和网络应具有世界先进水平，并且经过实践证明是安全、实用产品。
4）调度控制中心和后备控制中心的服务器采用UNIX实时多任务操作系统，位于站控系统的通信服务器采用UNIX或WINDOWS时实多任务操作系统，调度控制中心、后备控制中心和站控系统的操作员工作站采用WINDOWS操作系统。
5）系统应具有强大的人机对话能力。
6）根据西气东输管道今后的发展，1座地下储气库和许多支线纳入SCADA系统中，有可能增加压气站、RTU改SCS等，因而调度控制中心和后备控制中心的硬件、软件和网络应具有100%的扩展能力，并保证将来数据库、存储器、磁盘容量和通信通道的扩展，以满足压气站、分输站、末站、远控阀室的增加。站控系统本身应最少具有20%的扩展
能力。
7）调度控制系统的硬件和软件的可利用率（可用性）应达到99.99%，当系统同时需完成打印、编程、画面显示时，实时采集系统不能被中断。系统的硬件和软件的设计及配置应满足上述指标。可利用率的计算公式如下：
可利用率=MTBF/（MTBF+MTTR）×100%（MTBF：平均无故障时间；MTTR：平均维修时间）。
8）SCADA系统软件应允许其它应用程序和用户存取其数据库的数据。以安全要求为条件，数据能够在SCADA 系统和其它系统之间传输。
9）系统对重要部位做冗余热备设置。当发生故障时，能自动进行故障切换，自动对系统的数据进行备份，为运行管理提供可靠的保障，以保证系统正常、可靠、平稳地工作。
10）调度控制中心的服务器、局域网、通信接口等采用冗余热备的方式。
11）站控系统控制设备的CPU及电源采用冗余热备的方式。其局域网和与调度中心进行数据通信的通信接口按冗余设备设置。
12）站控系统中的ESD系统采用相对独立的，符合IEC61508要求的控制设备。ESD系统应按故障安全型设计。即在正常状态下ESD控制回路应是激励的。
13）SCADA系统的软件应是模块化的，便于SCADA系统的组态增加、删除和定值。
14）硬件应在性能上是模块化的，允许将来在容量和功能上的扩展。系统应容易增加磁盘驱动器、存储器、终端和外部设备等，且不中断其它在线网设备的运行。
15）在调度控制中心的任何一个操作员工作站都能完成其所要求的功能。
16）调度控制中心与各个站控系统之间的数据传输主信道采用卫星通信，采用邮电公网作为备用信道。主、备信道能够自动切换。
17）系统采用的网络结构应是技术先进和性能可靠的。
18）调度控制中心、后备控制中心、站控系统和RTU均应在有可能由于雷击（直击雷、感应雷等）产生高压导入计算机系统接口位置，配置完善的防雷击和浪涌保护设施，至少应对以下内容进行防雷击和浪涌的保护：①于卫星和邮电公网的连接处；②供电系统的连接处；③与其它系统的通信接口；④站场内的模拟量和开关式仪表的输入/输出接口；⑤ESD系统的所有I/O接口；⑥线路截断阀室所有I/O接口。
19）防雷击和浪涌的设备应采用可靠性高、并经实践证明的优质产品，对于电源接口要求抗浪涌设备的主要技术指标为：抗浪涌能力>=60kA，测试电压>=10kV 。通信接口和其他的I/O点抗浪涌设备的主要技术指标为：抗浪涌能力>=10kA8/20us)，测试电压6kV。
20）电器设备及材料应采用有“长城”或UL认证机构标识的产品。
2监控系统的软硬件结构
采用三级监控：调控中心级监控、站级监控、现场级监控。调度控制中心主要由主机系统、操作员接口、应用计算机系统和通信设备组成，它通过信道与分布在管道沿线各站场的控制系统相连。站级控制系统是保证管道系统安全操作的基础，它通过现场仪表和成套控制设备监测和处理压力、温度、流量以及运行状态等相关数据，并控制相应阀门，同时与调度控制中心传送必要的数据和接受指令。现场控制主要是指对单台（套）设备就地独立操作。
2.1系统配置
为确保监控系统的安全性和可靠性，系统所有硬件均采用工业级产品和符合燃气行业标准的设备。
SCADA主机：工控机（P4 2.0GHz/523.272KB RAM/AT ）；数据采集设备：MODICOM系列PLC、ESD控制器 、数据前置控制器；电源系统：市电+APC UPS（4kVA，2小时）+ 燃气发电机；系统软件：Microsoft Windows 2000 Serice Pack3；工业组态软件：View Star2000；开发工具软件：Modicom PLC 和 HIMA ESD。
2.2硬件接口
现场仪表传送的信号除了标准的4mA～20mA模拟量信号、PT-100热电阻温度信号、24VDC直流开关量信号还有通过RS-485通讯的数字编码信号。燃气行业对防爆要求较高，每一信号回路都必须装防爆安全栅。并且统一采用HART通信协议。
1）压力、差压信号为4mA～20mA模拟量信号，直接通过4mA～20mA安全隔离栅进入PLC或RTU的4mA～20mA模拟量输入模块。
图1
2）PT-100热电阻信号，选用带信号转换功能的热电阻变送器或选用热电阻信号安全隔离栅，变换为4mA～20mA标准信号接入，这样不用再购买价格较贵的RTD温度信号输入模块。
3）流量信号，天然气流量大的场站采用超声波流量计采集流量频率信号传送给相配套的流量计算机，同时采集温度和压力信号以总线式（HART协议）4mA～20mA传送到流量计算机。色谱分析仪将气体成分信号也传送给流量计算机，三方数据经流量计算机计算得出天然气流量。天然气流量小的场站采用涡轮流量计，同样采集方式采集三方数据，由涡轮流量计相配套的流量计算机计算得出天然气流量。得出的流量数据经232／485转换器转换成485信号进入数据前置控制器送到PLC。
4）阀位开关量信号经24VDC开关隔离栅接入24VDC开关量输入模块。ESD阀的阀位开关量经24VDC开关隔离栅接入24VDCESD控制器。
5）可燃气体泄漏报警，信号接入其专用控制器。
6）PLC与SCADA主机之间的连接通过以太网接口，可以进行一对多的通讯方式。考虑到系统的可扩展性，我们采用100m以太网连接。
2.3远程通讯
该系统的远程通信主线是一套卫星接收与发送系统，还有1条在电信局租用的DDN专线和１条电话公网，用以完成各场站与调度控制中心之间数据传送。
3软件编制
安装与硬件对应的I/O Driver，在View Star 2000的I/O点定义中根据现场仪表的量程，配置好设备点，定义与PLC和RTU输入/输出点对应关系，数据量程转换和报警极限，数据登录数据库的时间等内容。良好的中文人机界面是监控系统的重要功能，本系统设计的操作界面有：
1）现场工艺界面，显示站场的管道设备工艺，并实时显示重要工艺参数。
2）实时参数界面，兼顾操作人员的操作习惯，将工艺参数以传统表格的形式显示出来。
3）报警窗口，监控系统发生报警时，根据预先设定的报警级别高低和优先级，将报警信息以中文的形式显示在报警窗口。对于重要参数的报警，还以语音的方式同时发出报警信号。所有报警信号必须经操作人员手动确认后，才会从报警列表中除去，否则，曾经发生报警的信息将一直保持在报警列表中。
4）ESD控制原理图，显示站场的ESD紧急控制工艺原理图。
5）站场平面图，显示站场平面图。
6）西气东输管线走向图和站场SCADA 系统方块图。
7）铭牌，场站各工艺点的名称和工艺编号。
4系统特点
1）可选择软硬件的空间大，可根据资金和实际情况，在组态软件、现场仪表、数据采集器等软硬件方面，选择不同档次的产品进行软硬件的集成。
2）系统开放性强，可以与上一级应用的联网收费系统、地理信息系统和办公自动化系统实现无缝连接，为更深层次的数据挖掘打好
基础。
3）以人为本的操作，友好的人机界面，完全符合国人思维和操作习惯。
5结束语
西气东输工程是国家重点项目工程，2003年10月靖边到上海段正式投产标志着SCADA系统已成功应用于西气东输管线，为天然气输配管网监控系统的国产化之路提供了可借鉴的经验。
参考文献
[1]项晓春.刘广魁.SCADA系统及其应用[J].自动化技术与应用.2000,19(6):19-22.
[2]冯毅华.赵红旭.燃气SCADA系统的开发应用[J].河南科技,2003,4:23-24.
摘 要天然气作为洁净能源在全国范围内被广泛应用于各类行业，天然气产业蓬勃发展的同时，对于长输天然气管线的运行管理也就提出了更高的要求。目前应用于天然气管线上的自动控制系统较为先进的就是SCADA系统，本文将以西气东输工程为例，论述该系统在长输天然气管线上的应用。
关键词SCADA；PLC；RTU；ESD
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)092-0196-02
SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统的形成与计算机产业发展密切相关。该系统形成于20世纪60年代，当时只能起监视作用，而管道的运行管理和控制还是由人来完成。20世纪70年代计算机价格下降，而硬件和软件的水平大幅提高，且开发出具有现代模式的SCADA系统软件包。进入20世纪80年代计算机的功能更加强大，应用于管道上的SCADA系统紧跟时代技术的发展，使原有的监控系统有了极大改观，新一代系统具有管道动态模拟、数据优化、实时监控功能。时至今天其良好的开放性、方便的软硬件组合、完善的硬件支持、强大的通讯功能、友好的人机界面组成功能全面的监控系统。较之传统的DCS集散控制系统，其在系统的可扩展性、通讯功能和价格上具有很大优势。
1西气东输SCADA系统的设计原则
西气东输工程的SCADA系统实现了在调度控制中心完成对全线各站场监控、调度、管理，全线优化运行，达到当时世界先进水平。该系统以下列要求为设计原则。
1）系统必须具有高可靠性、稳定性、灵活性，以保证安全可靠地运行。系统能定期对自身进行自诊断并形成报告，能监视整个系统的工作状态，以便于系统的维护和维修。
2）系统应具有较高的性价比。
3）系统使用的软硬件和网络应具有世界先进水平，并且经过实践证明是安全、实用产品。
4）调度控制中心和后备控制中心的服务器采用UNIX实时多任务操作系统，位于站控系统的通信服务器采用UNIX或WINDOWS时实多任务操作系统，调度控制中心、后备控制中心和站控系统的操作员工作站采用WINDOWS操作系统。
5）系统应具有强大的人机对话能力。
6）根据西气东输管道今后的发展，1座地下储气库和许多支线纳入SCADA系统中，有可能增加压气站、RTU改SCS等，因而调度控制中心和后备控制中心的硬件、软件和网络应具有100%的扩展能力，并保证将来数据库、存储器、磁盘容量和通信通道的扩展，以满足压气站、分输站、末站、远控阀室的增加。站控系统本身应最少具有20%的扩展
能力。
7）调度控制系统的硬件和软件的可利用率（可用性）应达到99.99%，当系统同时需完成打印、编程、画面显示时，实时采集系统不能被中断。系统的硬件和软件的设计及配置应满足上述指标。可利用率的计算公式如下：
可利用率=MTBF/（MTBF+MTTR）×100%（MTBF：平均无故障时间；MTTR：平均维修时间）。
8）SCADA系统软件应允许其它应用程序和用户存取其数据库的数据。以安全要求为条件，数据能够在SCADA 系统和其它系统之间传输。
9）系统对重要部位做冗余热备设置。当发生故障时，能自动进行故障切换，自动对系统的数据进行备份，为运行管理提供可靠的保障，以保证系统正常、可靠、平稳地工作。
10）调度控制中心的服务器、局域网、通信接口等采用冗余热备的方式。
11）站控系统控制设备的CPU及电源采用冗余热备的方式。其局域网和与调度中心进行数据通信的通信接口按冗余设备设置。
12）站控系统中的ESD系统采用相对独立的，符合IEC61508要求的控制设备。ESD系统应按故障安全型设计。即在正常状态下ESD控制回路应是激励的。
13）SCADA系统的软件应是模块化的，便于SCADA系统的组态增加、删除和定值。
14）硬件应在性能上是模块化的，允许将来在容量和功能上的扩展。系统应容易增加磁盘驱动器、存储器、终端和外部设备等，且不中断其它在线网设备的运行。
15）在调度控制中心的任何一个操作员工作站都能完成其所要求的功能。
16）调度控制中心与各个站控系统之间的数据传输主信道采用卫星通信，采用邮电公网作为备用信道。主、备信道能够自动切换。
17）系统采用的网络结构应是技术先进和性能可靠的。
18）调度控制中心、后备控制中心、站控系统和RTU均应在有可能由于雷击（直击雷、感应雷等）产生高压导入计算机系统接口位置，配置完善的防雷击和浪涌保护设施，至少应对以下内容进行防雷击和浪涌的保护：①于卫星和邮电公网的连接处；②供电系统的连接处；③与其它系统的通信接口；④站场内的模拟量和开关式仪表的输入/输出接口；⑤ESD系统的所有I/O接口；⑥线路截断阀室所有I/O接口。
19）防雷击和浪涌的设备应采用可靠性高、并经实践证明的优质产品，对于电源接口要求抗浪涌设备的主要技术指标为：抗浪涌能力>=60kA，测试电压>=10kV 。通信接口和其他的I/O点抗浪涌设备的主要技术指标为：抗浪涌能力>=10kA8/20us)，测试电压6kV。
20）电器设备及材料应采用有“长城”或UL认证机构标识的产品。
2监控系统的软硬件结构
采用三级监控：调控中心级监控、站级监控、现场级监控。调度控制中心主要由主机系统、操作员接口、应用计算机系统和通信设备组成，它通过信道与分布在管道沿线各站场的控制系统相连。站级控制系统是保证管道系统安全操作的基础，它通过现场仪表和成套控制设备监测和处理压力、温度、流量以及运行状态等相关数据，并控制相应阀门，同时与调度控制中心传送必要的数据和接受指令。现场控制主要是指对单台（套）设备就地独立操作。
2.1系统配置
为确保监控系统的安全性和可靠性，系统所有硬件均采用工业级产品和符合燃气行业标准的设备。
SCADA主机：工控机（P4 2.0GHz/523.272KB RAM/AT ）；数据采集设备：MODICOM系列PLC、ESD控制器 、数据前置控制器；电源系统：市电+APC UPS（4kVA，2小时）+ 燃气发电机；系统软件：Microsoft Windows 2000 Serice Pack3；工业组态软件：View Star2000；开发工具软件：Modicom PLC 和 HIMA ESD。
2.2硬件接口
现场仪表传送的信号除了标准的4mA～20mA模拟量信号、PT-100热电阻温度信号、24VDC直流开关量信号还有通过RS-485通讯的数字编码信号。燃气行业对防爆要求较高，每一信号回路都必须装防爆安全栅。并且统一采用HART通信协议。
1）压力、差压信号为4mA～20mA模拟量信号，直接通过4mA～20mA安全隔离栅进入PLC或RTU的4mA～20mA模拟量输入模块。
图1
2）PT-100热电阻信号，选用带信号转换功能的热电阻变送器或选用热电阻信号安全隔离栅，变换为4mA～20mA标准信号接入，这样不用再购买价格较贵的RTD温度信号输入模块。
3）流量信号，天然气流量大的场站采用超声波流量计采集流量频率信号传送给相配套的流量计算机，同时采集温度和压力信号以总线式（HART协议）4mA～20mA传送到流量计算机。色谱分析仪将气体成分信号也传送给流量计算机，三方数据经流量计算机计算得出天然气流量。天然气流量小的场站采用涡轮流量计，同样采集方式采集三方数据，由涡轮流量计相配套的流量计算机计算得出天然气流量。得出的流量数据经232／485转换器转换成485信号进入数据前置控制器送到PLC。
4）阀位开关量信号经24VDC开关隔离栅接入24VDC开关量输入模块。ESD阀的阀位开关量经24VDC开关隔离栅接入24VDCESD控制器。
5）可燃气体泄漏报警，信号接入其专用控制器。
6）PLC与SCADA主机之间的连接通过以太网接口，可以进行一对多的通讯方式。考虑到系统的可扩展性，我们采用100m以太网连接。
2.3远程通讯
该系统的远程通信主线是一套卫星接收与发送系统，还有1条在电信局租用的DDN专线和１条电话公网，用以完成各场站与调度控制中心之间数据传送。
3软件编制
安装与硬件对应的I/O Driver，在View Star 2000的I/O点定义中根据现场仪表的量程，配置好设备点，定义与PLC和RTU输入/输出点对应关系，数据量程转换和报警极限，数据登录数据库的时间等内容。良好的中文人机界面是监控系统的重要功能，本系统设计的操作界面有：
1）现场工艺界面，显示站场的管道设备工艺，并实时显示重要工艺参数。
2）实时参数界面，兼顾操作人员的操作习惯，将工艺参数以传统表格的形式显示出来。
3）报警窗口，监控系统发生报警时，根据预先设定的报警级别高低和优先级，将报警信息以中文的形式显示在报警窗口。对于重要参数的报警，还以语音的方式同时发出报警信号。所有报警信号必须经操作人员手动确认后，才会从报警列表中除去，否则，曾经发生报警的信息将一直保持在报警列表中。
4）ESD控制原理图，显示站场的ESD紧急控制工艺原理图。
5）站场平面图，显示站场平面图。
6）西气东输管线走向图和站场SCADA 系统方块图。
7）铭牌，场站各工艺点的名称和工艺编号。
4系统特点
1）可选择软硬件的空间大，可根据资金和实际情况，在组态软件、现场仪表、数据采集器等软硬件方面，选择不同档次的产品进行软硬件的集成。
2）系统开放性强，可以与上一级应用的联网收费系统、地理信息系统和办公自动化系统实现无缝连接，为更深层次的数据挖掘打好
基础。
3）以人为本的操作，友好的人机界面，完全符合国人思维和操作习惯。
5结束语
西气东输工程是国家重点项目工程，2003年10月靖边到上海段正式投产标志着SCADA系统已成功应用于西气东输管线，为天然气输配管网监控系统的国产化之路提供了可借鉴的经验。
参考文献
[1]项晓春.刘广魁.SCADA系统及其应用[J].自动化技术与应用.2000,19(6):19-22.
[2]冯毅华.赵红旭.燃气SCADA系统的开发应用[J].河南科技,2003,4:23-24.