SCADA系统在长输油气管道系统中的应用

摘要：介绍了西气东输二线的基本情况及其流程工艺，介绍了PLC、站控机、路由器、交换机等自控设备在该项目中的应用，并分析了以太网、ControlNet网的网络组成，讨论了控制系统的组成及实现的功能。
关键词：西气东输；SCADA系统；HMI；ESD；PLC；路由器；交换机

    SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)即数据采集与监视控制系统，负责监视全线管道站场和阀室设备运行情况，是一项重要的综合自动化系统。因此，要确保安全、经济合理高效。
    SCADA系统通过声光报警来警示管道运行参数出现了异常情况。如果超出了安全警戒线，控制系统能够自动根据逻辑关闭场站及相关大型设备，整个场站可以在预定的极短的时间内恢复到安全状态。

1 系统解决方案和实施
1．1 系统结构
    本工程控制系统采用三级监控结构：
    一级调度中心：北京油气调控中心以通讯方式对所有站场和阀室进行监控；
    二级站控系统：在正常情况下，由站控制系统完成对现场设备的实时监控；
    三级就地操作：当站控系统出现故障或检修维护时，在现场进行设备操纵。
1．2 控制系统总体方案介绍
    西二线SCADA系统由罗克韦尔公司的PLC系统、霍尼韦尔公司的ESD系统SaftyManager、冗余数据服务器、DELL操作员工作站和工程师工作站、HP打印机、赫斯曼交换机、思科路由器、Moxa串口服务器、UPS等设备组成，西段典型压气站(CSC)站控系统配置如图1所示。主要完成站内工艺数据采集、监视、控制等功能，并向调度中心传送实时数据，接受调度中心下达的任务。

1．3 上位机(HMI)监控系统
    西二线上位机系统选用了Honevwell公司的HS系统，每个场站配置的2台通讯服务器和1台客户端，客户端与冗余服务器之间通过光纤连接，保证其通讯的稳定性。2台通信服务器互为冗余热备配置，当2个服务器均正常工作、或任何1个服务器正常工作的条件下，操作员站都可以对过程控制PLC系统、ESD系统、第三方通讯设备的所有数据实施监控，同时主备调控中心也可以实现对站场的监控。
    冗余的通信服务器中的任何一个失败以后，另一个一直“热备”的通信服务器立即取代它的所有功能。
    在第三方通讯设备方面，西二线采用MOXA公司的串口服务器来实现对数据的采集。该串口服务器上配置以太网口和16个RS485接口，每个RS485接口只连接到现场的1个串行控制器；串口服务器采用冗余配置，2个串口服务器各采用1个以太网口连接到冗余的A、B网络上。
1．4 PLC监控系统
    西二线PLC监控系统选用了RockwellAutomation(罗克韦尔自动化公司)的ABControlLogix控制器及相关控制系统。该产品是该制造商目前在技术和性能上最高档次的产品，也是行业内公认最为强大的控制器产品之一。
    以ControlLogix控制器为核心构建的控制系统，具有高度的可靠性和安全性，是面向大型、关键性系统应用的理想产品。
    因此以ControlLogix构建的系统，可以作为通用PLC控制系统，应用于油气管线中的站场控制系统SCS系统。
    在西气东输二线管道工程，自霍尔果斯首站开始的73个压气站、压气分输站、分输联络站、分输站等站场，分别设置了独立的Control Logix站控SCS系统，选用了8Mbyte内存的1756-L63处理器和同系列1756I／O卡件，DI：1756-IB16、DO：1756—OB16E、AI：1756-IF8、AO：1756—OF8。为保证系统的可靠性，ControlLogix控制器的处理器、I／O网络、电源模块、以太网模块(ENBT)、冗余同步模块等都按冗余配置设计。系统结构图如图2所示。

    ControlLogix典型站控系统配置清单，见表1。

1．5 ESD监控系统
    西二线项目使用的ESD系统是霍尼韦尔公司的SM产品，其能使设备有最好的安全性和生产连续性。主要应用于世界各地的石油、石化及化工等行业。
    为满足用户对不同设备安全性和连续性生产的要求，SM在设计上具有多种配置方式，能满足TUV AK6级及SIL3级标准的要求，西二线项目ESD系统达到的是SIL3等级。SM能保证在设备出现任何异常情况时，控制在一个安全的状态，高度的自诊断功能确保SM能在过程安全时间内发挥作用。

    (1) SM系统功能说明
    在通讯功能上，SM系统具有符合MODBUS／TCP IP通讯协议的标准通讯接口，符合同际通讯标准，可与任何具有同样通讯接口的设备进行通讯，同时SM系统还可通过专有的通讯卡与霍尼韦尔Experion PKS系统的FTE高速容错以太网实现无缝集成从而实现SOE功能的集成、报警功能的集成、操作界面的集成、历史数据共享等功能。
    在项目调试阶段及生产运行过程中，有时需要对运行程序作在线修改，FSC系统具有强大的在线修改功能，保证在现场设备运行过程中，极大程度上降低对设备误动作的可能。
    SM系统采用FLD功能逻辑图进行编程，采用符号库生成有关逻辑，简单方便，避免了编程可能导致的错误，友好的用户界面让工程师使用起来得心应手。
    ESD系统采用微处理器技术，诊断覆盖面超过99．99％，系统符合IEC61508 SIL3标准，其高度的自诊断功能确保系统安全性及高可靠性、系统自诊断功能包括：
    ◇在过程安全时间间隔内的自诊断
    ◇程序周期异常监视
    ◇所有I／O点检测
    ◇程序和数据存储器管理检测
    ◇内部数据传输检测
    ◇所有的通讯检测
    ◇中央处理器CPU和内存的监测
    ◇当自检发现系统出现任何故障时，系统可以输出接点信号，提示操作人员。
    (2) SM系统结构
    FSC系统的硬件模块可分为三组：CP中央控制模块、I／O输入输出模块、FTA现场接线端子模块。
    系统是由2套独立行运的系统组成，专用的内部通讯接口负责其同步运行，当系统自诊断发现一个模块发生故障时，CPU将强制其失效，确保其输出的正确性。这样确保了系统的高可靠性、高安全性及高可用性。
    FSC系统可提供不同的配置以满足用户对安全级别和可用性的不同要求如表2所示。

    ①中央控制模块
    四重化处理器模块(QPM)QPP-0001是SM系统的心脏，负责控制所有的系统操作。处理器的每次读写指令都要先对硬件和逻辑运算进行比较，另外对硬件的诊断测试使QPM模块的诊断覆盖率高达99．99％，因此，在一个QPM模块运行的情况下仍可以保证系统的安全等级可达SIL 3。物理内存8 M、闪存12 M，自带锂电池，断电支持6个月数据。2套处理器并行工作原理，双机工作、无切换概念，故障处理器会被自动切断，对程序运行无任何影响，不会中断监控。
    ②电源
    SM系统采用冗余的经过TUV认证的220VAC／24VDC稳压电源对系统供电。
    ③工程师站
    作为SM系统维护和诊断的人机接口PC机，采用DELL台式PC机／笔记本。系统软件可运行在Windows XP／2000的环境下。使用串行／Ethe rnet的通讯接口，可提供下列特性：
    ◇系统软件的组态、修改和下装。
    ◇I／O赋值功能。
    ◇允许系统有效仿真，系统状态的在线监测。
    ◇工程师站还具备SOE功能，SOE是基于WINDOWS 2000／XP的应用程序，他将检测到的过程事件记录下来。这些事件从相连的SM系统中检
索出来后用于在线查看、直接通过打印机打印、存储到磁盘上日后分析，事故记录的时间分辨率为1ms。安装SOE软件后，可以很方便找出引起的第一故障并进行分析，最大限度地减少停车时间，提高生产效益。
    (3) SM系统配置
    在西二线项目中，采用QPP配置：冗余的中央控制器、冗余的电源模块、冗余的通讯模块、非冗余控制的I／O模块。系统采用一对冗余的达到SIL3认证的220VAC／24V DC 45A稳压电源分别对SM系统及现场设备供电，电源模件可在线不中断维护。其中IO卡件主要分三种，如表3所示。

    ①数字输入(DI)
    所有DI为无源干接点信号。使用FS-SDI-1624型16通道24 VDC故障安全型DI模块，所有信号带LED灯。每个通道采用光电隔离方式，通道间隔离：2000Vac。
    输入最大电压：36 VDC
    输入电流：7 mA／24 Vdc
    ②数字输出(DO)
    FS-SDO-0824型是8通道故障安全型24 VDC／550 mA DO模块，负荷13 W，所有信号带LED灯每个通道采用比电隔离方式。通道间隔离：2000Vac。
    每通道最大输出电流：550mA。
    ③模拟输入(AI)
    FS-SAI-1620m是16通道故障安全型AI模块。
    输入范围：0—4．1 V／4—20 mA
    输入阻抗：>1 Mohm
    每通道采用A／D转换器精度：14位
    A／D转换器误差：+／-1LSB
    通道间隔离：2000＼Vac
    最大输入电压：+／-36Vdc
    (4) SM系统优化性能
    采用SM作为场站的ESD具有以下的优点：
    ◇SM的QMR结构是双处理器板、每个处理器板为双CPU的四重化冗余结构，并提供系统诊断，具有更高的可靠性和有效性，达到IEC的SIL3级认证，优于技术规格书中的SIL2级认证要求；
    ◇ESD与站控系统无缝集成，关于ESD的所有数据、诊断、系统状态信息均可以在操作站上显示；
    ◇操作站上支持ESD的毫秒级SOE显示，这对于事故追忆和分析是非常重要的。

2 结束语
    在长输油气管线中引入SCADA系统，不但可以提高工作效率和管理水平，降低运行成本，而且可以减少人为因素造成的不良影响，减轻操作人员的劳动强度，保证管道生产安全可靠地运行。
    同时计算机技术的发展，也是一种必然的趋势。系统的开放性和可扩充性能够适应各地不同和不断变化的生产要求，并提供与其他信息系统的连接能力。