天然气管道SCADA系统建设与研究.pdf

第 5 1卷第 2 期 2 0 1 5年 4月 石油化工自动化 AUTOM ATI ON I N P ETR CHEM I C AL I NDUS TRY Vo 1 ．51，No ．2 Ap r i l ，2 0 1 5 天然气管道 S C ADA系统建设与研究 李华杰 中石油中亚天然气管道公司， 北京 1 0 0 0 0 7 摘要 为确保中哈天然气管道在境外达到“ 站场无人操作、 有人值守” 和“ 阀室无人值守” 的运营能力， 采用了先进的监控和数 据采集 S C ADA s u p e r v is o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n 系统。完整分析 了 S C AD A系统 的结构和调控中心 ， 输气管理处 ， 输气 站控 ， 站场设备 ， 线路截 断阀室 ， 北京调控中心的功能 、 配置 、 数据传 输 和控 制原理 ， 为境 外长输油气 管道 的 自动化建设提供 了 经验 。 关键 词 天然气管道监控和数据采集结构 自动化 中图分类 号 T P 2 7 3 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 2 0 0 2 4 0 4 Co n s t r u c t i o n a n d S t u d y o f S CA DA S y s t e m o f Na t u r a l Ga s P i p e l i n e L i Hu a j i e Tr a n s As i a G a s P i p e l i n e C o mp a n y L i mi t e d ，B e i j i n g ，1 0 0 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o f u l f i l l t h e p u r p o s e o f “ s t a t i o n u n ma n n e d o p e r a t i o n，o n l y d u t y ’ ’a n d“ v a l v e c h a mb e r u n ma n n e d o p e r a t i o n” a t o v e r s e a ， Ch i n a - Ka z a k h s t a n n a t u r a l g a s p i p e l i n e a d o p t s a d v a n c e d S C ADA s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m．Th e s t r u c t u r e ，r e g u l a t i o n c o n t r o l c e n t e r ，g a s ma n a g e me n t o f f i c e ，g a s t r a n s p o r t a t i o n s t a t i o n，s t a t i o n e q u i p me n t s ，l i n e b l o c k v a l v e c h a mb e r s ，a n d f u n c t i o n s ，c o n f i g u r a t i o n，d a t a t r a n s mi s s i o n，c o n t r o l p r i n c i p l e s o f B e i j i n g c o n t r o l c e n t e r a r e c o mp l e t e l y a n a l y z e d f o r S C AD A s y s t e m． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s p i p e l i n e ；mo n i t o r i n g a n d d a t a a c q u i r i n g ；s t r u c t u r e ；a u t o ma t i o n 中亚天然气管道作为 国内首条长距离跨越多 国的 天 然 气 管 道 ， 采 用 双 管 铺 设 ， 单 线 全 长 1 8 3 3 k m。 该项 目从 2 0 0 8年 7月正式开工建设 ， 于 2 0 1 0年 8月底实现双线通气。中哈天然气管道作 为 该 管 道 的 一 部 分， 采 用 了监 控 和 数 据 采 集 S CADA s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n 系统作为管道投产运营之后的主要管理手段 ， 其先 进与否在很大程度上决定 了管道的科技水平_ 1 ] 。 1 S O A D A系统结构 S C AD A系统是 以计算机 为基础 的 自动化监 控系统 ， 应用于电力 、 冶金 、 石油、 化工等领域 的数 据采集与监视控制及过程控制等 ， 通过主机和以微 处理 器 为 基 础 的 远 程 终 端 设 备 R TU r e mo t e t e r mi n a l u n i t 、 P L C及 其他输 入／ 输 出设 备 的通 信 ， 实现整个工业 网络的监控 ， 从而保证系统 的安 全运作及优化控制。S C AD A 系统非 常适用 于长 距离 、 远程设备对象 ， 可实现数据采集、 设备控制、 测量、 参数调节以及各类信号报警等各项功能 ] 。 中哈天然气管道 S C AD A系统 由调控中心、 管 理处 、 站场控制系统和阀室控制系统构成 。根据实 际特征和需要 ， 该系统分为三层 级 控制 调控 中 心远程操控 ； 获得调控中心授权的各站场站控室控 制 ； 操作人员现场控制 。在一般情况下 ， 由调控 中 心远程控制， 站场可以实现无人值守或者仅有操作 人员处于监视状态 ， 现场没有控制权 。在某些情况 下 ， 调控 中心可以授权站场， 使站场操作人员具有 控制权 ， 此时调控中心处于监视状态 。在某些特殊 情况下 ， 可以由现场人员直接操作控制。分层控制 既划清了调控 中心和站场之间的职责和权力范 围， 避免了控制冲突 ， 同时又兼顾各种可能发生的情况 及应该采取的措施 ， 极大地丰富和提高了管道运行 和管理的策略性和灵活性 。 整个 S C AD A系统采用 S C A DA Va n t a g e r 系 列软件产品， 各站场 的控制设备采用 AC 8 0 0 M 系 列 P L C， 截断阀室采用 R T U5 6 0 C远程终端设备。 作为主要负责采集数据和控制的系统， 该系统的数 据流程如图 1所示 。数据从现场的设备层被采集 ， 稿件收到 日期 2 0 1 4 1 1 2 7 。 作者简介 李华杰 1 9 8 3 一 ， 男 ， 湖北枝 江人 ， 2 0 0 9年毕业 于清华 大学 自动化专业 ， 获硕士学位 ， 现就职于 中石油 中亚天然气管道有 限公司 ， 主要从 事 自控 、 信息化方面的研究 ， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 石油化工 自动化 第 5 1 卷 放与调控 中心相关 的一切数据 ， 包 括现场设备数 据 、 下达的指令、 事件和报警记录等 。 工程师站是调控 中心的配置站， 对调控 中心所 作的调整都应该在这里进行， 与操作员站构成了调 控中心的两个对外窗 口。通过工程师站可以修改实 时服务器、 历史服务器、 通信配置等参数， 但不可直 接在此下达调控指令。操作员站是调控中心的操作 平台， 实现监控和管理管道的功能。通过操作员站， 可以实时监视现场设备、 下达操控指令 ， 自动生成 日 报、 周报或者月报 。调控 中心 的大屏幕和操作员站 连在一起 ， 大屏幕实时展现操作员站的界面内容 。 2 ． 2 调控 中心的配置 实时数据 服务器 和历 史数 据服 务器 均采 用 HP DL 5 8 0 G5 ， 装 有 S C ADA V a n t a g e r 服 务器 软 件 。调控中心设有存储量 巨大的磁 盘阵列作为历 史数据存放处 ， 采 用 Oc e a n s p a c e V1 3 0 0 N， HMI h u ma n ma c h i n e i n t e r f a c e 作为应用层面 ， 设有工 程师站、 操作员站 和仿 真操 作站。工程师站 配置 HP Z 4 0 0工作站 ， 装置有 OP C通信软件 、 S C AD A Va n t a g e r 客户端软件等。操作员站配置 HP Z 4 0 0 工作站， 装置流程 图画面等人机界面程序。仿真操 作站配置 HP D L 3 5 0 G 6 ， 装置 S t o n e r 仿真软件， 通 过仿真软件模拟管道的动态运行 ， 对管道的实际运 行起预测和分析作用 ， 并可用于培训调度员 。 3 输气站场的控制系统 3 ． 1 输气站场控制系统的功能和结构 各输气站场是最基层的管理单元 ， 直接面对生 产过程和装置 ， 是各个站场的大脑。各站场的控制 系统构成了 S C AD A系统的核心支撑部件和主体 ， 它既可只具备监视功能 ， 由调控 中心直接管理 站 场 ， 也 可 以 切 换 到 站 场 独 立 管 理 控 制 站 场 的 模式[ 州 。 站场控制 系统按 照功能可分为 3个子 系统 站控系统 S C S s t a t i o n c o n t r o l s y s t e m 、 火气系统 F GS f i r e g a s s y s t e m 、 紧 急 停 车 系 统 E S D e me r g e n c y s h u t d o wn d e v i c e 。其 中， S C S负责站 场的日常生产控制 ， 与生产相关 的各仪表、 设备 等 均连到 S C S ； F GS负责处理在站场 出现火焰或气 体泄漏等紧急事故后的报警和灭火事宜， 主要是将 可燃气体探头 、 火焰探头 、 消防控制器等设备连至 F GS ； E S D是在站 场发生紧急情况 时为避免危 险 采用 的 ， 按 照危 险程 度分为三级 全站停产并 放 空、 压缩机组停产并放空、 压缩机组停产不放空。 按照站控系统结构可以分为两层 上位机层 ； 下位机和现场设备层。上位机层由冗余服务器、 工 程师站 、 操作员站 、 通信网络等通信设备 、 打印机等 设备构成； 下位机层 由 P L C系统、 站场各具有远控 功能的仪 表 和设 备 构 成。重要 设 备 如 服 务 器 、 P L C、 工程师站、 操作员站等都采用冗余配置， 确保 在运行设备出现故障时仍不影响生产。 服务器和 P L C是站控系统的核心 。服务器负 责接收来 自现场第三方设备和 P L C的数据并预处 理 ， 然后呈 给操作员 站实时监控并传送 至调 控 中 心。同样 ， 操作员站下达的指令或来 自调控 中心的 指令经由服务器直接到第三方设备或通过 P I C下 达至各现场仪表及设备 。工程师站负责修改站控 系统的配置。操作员站供操作员实时监控整个站 场。通信设备负责连通站场和调控中心 ， 在站场端 也有光纤通信和卫星通信两种模式 ， 在通常情况下 采用光纤通信， 卫星通信作为备用。站场 S C A D A 服务器通过 OP C协议和 P I C系统问通信 ， 此 时， S C A DA作为服务器 ， P L C作 为客户端 。S C AD A 服务器在和调控 中心 S C AD A服务器通信时， 站场 端 S C ADA 服务 器为 O P C客户端 ， 调控 中心 端 S C ADA作为服务器 。 下位机 的 P L C作为现场数据处理和通信的核 心， 处于服务器和现场设备的中间层 ， 具有采集现 场数据、 预处理数据、 实现 自动控制逻辑、 与上位机 通信 、 执行上位机指令的功能。P L C与 I ／ O模块 之间采用 P r o fi b u s 协议 。位 于站场附近的清管站 也有站场控制。清管站没有 P L C等控制系统， 仅 有 I ／ 0模块 ， 它通过 Mo d b u s 协议连至站场的 S C S P L C和 F GS P L C， 在站场控制系统 内统一控制清 管站 。如上文所述 ， 站控系统包括 S C S P I C， F S G P L C， E S D P L C， 分别承担各 自的功能。S C S P L C 连接现场生产相关的仪表及设备部分第三方设备 ， 实现对生产 的控制； F G S P L C连接现场的各火焰 、 气体 、 温度探头和火灾控制器、 消防泵 、 二氧化碳灭 火装置等消防装置 ， 实现在出现火灾和气体泄漏等 情况下及时发现并处理 ； E S D P L C连接现场的各 E S D阀等设备 ， 在站场 出现紧急情况时 ， 紧急停车 关断， 保障站场人员和设备的安全。 S C S P L C， F GS P L C和 E S D P L C既 各 自独 立， 又互相统一 。例如， 火焰探头发现某处有火焰 ， F GS P L C会先进行逻辑判断并响应， 如站场警报 拉响、 灭火装 置启 动等 ， 如果情况严 重， F GS P L C 还会通知 E S D P L C采取动作避免产生事故 。F G S P L C和 E S D P L C都根据站场的逻辑程序和因果 关系预置了各种情况发生时的应对措施 ， 实现了安 全 自动化。 站场还有 一部分第三方 设备不 经过 P L C系 统， 直接接入服务器 ， 如压缩机组控制系统 、 发电机 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李华杰．天然气管道 S C AD A系统建设与研究 2 7 组控制系统等 。通常 ， 这些设备都采用以太网 口或 者 串行 口通信 ， 因而通过站控系统就可以操控这些 第三方设备 ， 实现全站设备 的自动化 。 3 ． 2 输气站场控制系统的实现及配置 站控系统硬件和软件配置 数据服务器采 用 HP DL 3 8 8 G6 ， 该机器上配备 S C AD A Va n t a g e r 服 务器软件 ， 负责数据处理和存储 。工程师站和操作 员站 都 采 用 HP Z 4 0 0工 作 站 ， 工 程 师 站 装 有 S C ADA Va n t a g e r 客户 端和 AC 8 0 0 M 系列 P L C 的组态软件 C o n t r o l B u i l d e r M 等， 供工程师根据需 要组态 P I C和服务器并进行故 障诊断 ； 操作 员站 装有 S C AD A Va n t a g e r 操 作界 面， 供操 作员监控 全站 的设 备 和 仪 表， 了 解 站 内各 区 域 的状 态 。 S C S ， E S D和 F GS都采用 AC 8 0 0 M 系列 P L C控 制器 ， 接收来 自 HMI 层面的指令 。 工程师站安装的 C o n t r o l B i u l d e r M 软件通过 RS 一 2 3 2 ／ 以太 网协议和 P L C连接 ， 对 P L C进行修 改配置。P L C通过 O P C协议和站场 S C AD A服务 器通信 ， 通过 S C A D A V a n t a g e 软件处理实时数 据 ， 并可通过 S QL数据库软件将实时数 据导入历 史数据库 中。操作员站安装 S C AD A Va n t a g e r客 户端和通过 VB 6开发人机 界面软件。同时， 还 可 以通过工程师站安装的 VB 6开发改进 HMI 软件 ， 整个软件 系统 围绕 S C ADA Va n t a g e r 展 开， 具有 很 强 的灵 活性 J 。 4 计量站控制系统 4 ． 1 计量站控制系统的功能结构 计量站为 天然 气 的贸 易交 割提 供依 据 和保 障， 关系到天然气买卖双方和管道业主及各过境 国等各方的实质利 益 ， 是 中亚管道最重要 的组成 部分之一 。中哈管道 的 2座计 量 站 的控制 系统 基本和输气站场 的控制系统相 同， 具有 同样 的结 构 。计量站以计量 为主 ， 核心设 备是超声 波流量 计 ， 没有压 缩机组 ， 因而其 结 构相对 于输 气 站场 更为简单 。 计量站控制系统按功能也划分为 S C S ， F GS ， E S D3 个子系统， 每个子系统的结构和功能与站场 控制系统一致。计量站控制系统的独特之处 ， 即通 过串 口／ 以太网口将流量计算机和分析小屋等计量 和气体分析 的数据连入站场 S C ADA服务器 。 4 ． 2 计量站控制系统的实现及配置 计量站控制系统 的硬件和软件配置与站场 的 配置相 同。 5 线路截断阀室的控制系统 干线阀室起到紧急情况下关断阀室、 保障管道 安全 、 减小影响的作用 。此外 ， 通过干线阀室安装 的仪表可以及时有效地获得管道和气体参数。根 据实际需要 ， 中哈天然气管道全线的 3 3座阀室装 有 RT U 系统 ， 与传统阀室相 比， 装有 RT U系统的 阀室不仅可以实现远程操控 ， 还使 R TU 阀室具备 自动控制功能 ， 通 过预先设置的逻辑程序 ， 在出现 某种情况时 RT U 系统 自动操作 ， 提高了干线管道 的 自动 化 水 平 。干 线 RTU 阀 室 是 整 个 管 道 S C AD A系统的重要组成部分 ， 它使各站场不再是 孤立的单点 ， 使管道管理层和调度员对管道的信息 掌握得更全面和准确 。 R TU 阀室的结构和站场控制 系统一样 ， 也分 为上位机层和下位机层， 但结构和设备 比站场系统 简单得多。上位机层包括触摸屏构成 的人机界面 AD VANT E CH T P C一 1 7 7 0 H和通信设备 ； 下位机 包括专用于小型远程控制的的 RT U 5 6 0 C系统。 R TU5 6 0 C和通 信设施采用冗余 配置 。RT U 5 6 0 C I ／ O系统接收阀室现场仪表等设备的数据 ， 传 至 R TU5 6 O C系统预处 理后 ， 实时呈 现 给触摸屏 H MI ， 同时通过安装于阀室的光纤通信设备传至 调控 中心 与站场邻近 的 RT U 阀室的数据先传至 站场控制系统 ， 然后 由站场控制 系统传 至调控 中 心 。调控中心指令 的传递沿此路径反 向传递 ， 可 以操控阀室的截断阀等设备。 操作员除了可以远程操控阀室 ， 还可以在现场 通过触摸屏上位机直观获得现场数据并操控阀室 。 当 R TU检测到数据超过 报警 限就会产生报警信 号 ， 如果根据植入 的逻辑程序判断情况 比较严重 ， 就会产生动作 ， 关断阀室 ， 保 障管道的安全 。 6 输气管理处监视系统 根据需要 ， 中哈天然气管道在管道途径 的三个 州设有 3处输气 管理处 ， 作 为 当地 的运 行管理机 构。每个输气管理处都具备监视功能， 但不具备控 制功能。根据设立原则 ， 输气管理处的监视系统结 构简单 ， 仅有 1 只路由器接收来 自调控中心的实时 数据 ， 经过监视计算机提供管道运行相关信息 ， 供 管理处层级人员指导生产。 7 结论 中哈管道 S C A DA系统结构精简 ， 功 能强大 ， 将管道沿线的各输气站场 、 清管站、 计量 站、 R TU 阀室 、 管理处和调控 中心有机 连接成一个整体 ， 实 现了中哈天然气管道 的生产运行数据向国内调控 中心的传输。截至 2 0 1 4年 S C AD A系统 已连续运 行 3年多， 有力确保 了海外管道的安全生产 。 参考文献 [1] 孙鹏． 中哈 天然气管道 S C ADA通信 E P C中的设计 管理研 究r ． 天津 天津工 、 I 大学 ，2 0 1 1 5 2 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 2 期 2 0 1 5 年 4 月 石油化工自动化 AUT0M AT1 0N I N PE TR CHEM I CAL I NDUSTRY Vo l _ 5 1 ，NO ． 2 Ap r i l ，2 0 1 5 用动态模拟技术进行油气 田工艺处理 系统开停工方案 的研究 郭洲 海洋石油工程股份有限公司设计公司， 天津 3 0 0 4 5 1 摘要 石油天然气开采过程中油气处理系统投产运行和系统关停过程的研究是系统设计过程中的重要组成部分。针对非稳 态工艺过程 ， 如系统 的开停工等 ， 则必须借 助动态模拟软件 、 仿真模拟技术来进行研究 。通过采用 Hy s y s 软件 的动态模拟 系统 对油气田处理工艺 系统 的开停工过程进行 动态研究分析 ， 确定 了一种系统 开停工 的方 案， 对现场 的实际生产起 到一定 的指导 作用 。 关键词 开停工动态模拟油气田工艺 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 2 0 0 2 8 0 3 Sc h e m e St u dy o f S t a r t - u p S hu t d o wn of Oi l Ga s Oi l f i e l d Pr o c e s s i ng S y s t e m wi t h Dy na mi c S i m u l a t i o n Te c h no l o g y Gn o Zho u O f f s h o r e Oi l E n g i n e e r i n g C o ．L t d ． ，T i a n j i n ，3 0 0 4 5 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e r e s e a r c h o n i n i t i a l s t a r t u p a n d s h u t d o wn o f o i l a n d g a s t r e a t me n t p r o c e s s i n g s y s t e m i s o n e v e r y i mp o r t a n t p a r t i n s y s t e m d e s i g n i n p e t r o l e u m n a t u r a l g a s e x p l o i t a t i o n p r o c e s s ．Th e r e s e a r c h h a s t o b e c o n d u c t e d u n d e r t h e s u p p o r t o f d y n a mi c s i mu l a t i o n s o f t wa r e a n d a n a l o g u e s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y f o r n o n - s t e a d y p r o c e s s a s p r o c e s s s y s t e m i n i t i a l s t a r t - u p a n d s h u t d o wn ．Th e i n i t i a l s t a r t - u p a n d s h u t d o wn p r o c e s s i n o i l a n d g a s t r e a t me n t p r o c e s s i n g s y s t e m i s a n a l y z e d wi t h d y n a mi c f u n c t i o n o f Hy s y s s o f t wa r e ．On e s c h e me f o r s y s t e m s t a r t u p a n d s h u t d o wn i S f i n a l i z e d ．I t p r o v i d e s e f f e c t i v e g u i d a n c e t o o n - s i t e a c t u a 1 p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s s t a r t u p s h u t d o wn；d y n a mm s i mu l a t i o n；o i l a n d g a s t r e a t me n t p r o c e s s 本文针对海上某生产平 台原油处理系统的工 艺流程进行开停工的操作过程研究 ， 该系统主要流 程 来 自 不同油井的原油混合后首先进入进 口换 热器进行加热， 随后进入一级分离器进行初步油气 水分离 ， 分离 出的含水原油经下一级加热器继续加 热后进入二级分离器进行进一步的脱水和脱气稳 定处理 ， 最后通过进 口的换热器被原料冷却后进行 外输。 1 研 究意 义和 目的 装置开停工过程研究是设计过程的重要组成部 分， 直接影响装置的生产安全和开停工运行周期， 新 工艺 、 新流程的开停工方案的合理与否 ， 直接影响装 置能否一次开车成功。因而通过使用动态模拟仿真 技术软件， 开展对开停工方案的研究， 可以解决稳态模 稿 件收 到 日期 2 0 1 4 1 2 0 4 。 作者简介 郭洲 1 9 8 O ， 男， 湖北荆州人， 2 0 0 4 年毕业于石油大 学 华东 油气储运专 业 ， 获学士 学位 ， 现就职 于海 洋石油 股份 有 限公司设计公 司， 从 事 海洋 平 台 油气 处 理 工 艺设 计 工 作 ， 任 工 程 师。 [ 2] [ 3] [4] [ 5] 张宁． S C A D A系统在长输管线中的应用E J ] ． 广东化工， 2 00 7 O 9 1 2 2 1 2 3 ． 崔红升． 信息化再造管道运营技术[ J ] ． 油气储运 ， 2 0 0 3 1 O 1 4 ． 周昊 ， 王磊 ， 王晓刚 ， 等． 数字化 管道技术在输气管 上的应用 研究E J 2 ． 天然气与石油 ， 2 0 0 7 0 1 3 6 ． 张权． S C ADA系统在长输管道系统 中的应用研究 [ J ] ． 化工 [6 ] [7] [ 8 ] 管理 ， 2 0 1 3 1 4 7 5 7 6 ． 黄春芳． 油气管道仪表与自动化[ M] ． 北京 中国石化出版 社 ， 2 0 0 9 7 6 8 0 ． 黄春芳． 天然气管道输送技术 I- M] ． 北京 中国石 化出版社 ， 2 0 0 91 2 1 1 2 5 ． 谢孝宏． 构架原油 长输管道 s C ADA／ 0P S系统的探 讨[ J ] ． 石油化 工 自动化 ， 2 0 0 6 ， 4 2 O 3 2 6 3 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m