SCADA系统在天然气输气管线中的应用.pdf

S C A D A 系统在 SCA 口A RTU 禾签气输气管线中的应用 摘要本文以S CADA系统在安徽省天然气芜湖铜陵支线工程的实际应 用为案例，阐述了该系统的系统架构、通信设计、S C ADA控制中心及控 制逻辑处理解决方案等内容。通过该系统的应用，满足了企业在条件有限 的情况下，实现对安全生产与管理的需要。 关键词S C A D A；R T U；GP R S ；双信息中心 ；主／ 备控制中心 安徽天然 气公司芜湖 一铜陵支线S C ADA系统工程包括两个 工艺站控系统 芜湖首站、铜陵末站，1 个分输站繁昌分输站和 五个线路截断阀室组成 ，管线总长l 1 5 公里。芜湖首站具有天然气 过滤 计量和清管发送功能；铜陵末站具有天然气过滤、计量、 调压和清管接收功能。芜湖首站、铜陵末站设置的站控系统的管 理可实现无人操作和有人值守水平，所有分输和截断阀室均为无 人值守方式管理。 芜湖首站、铜陵末站建设在城市边缘，具备市 电2 2 0 V AC 供 电，而繁 昌分输站和所有截断阀室均设在远离城市的地区 ，不具 备提供市电供电能力。工程设计过程中，由于考虑到工程建设和 项 目投资原因，系统没有采用光纤等有线传输介质，同时 由于管 线距离长 、所处地理条件差等原因，无法采用 自建无线网络等条 件 ，给系统的通信链路选择带来一定的困难。由于分输站控和截 断阀室均设置在野外 ，没有相应的保暖和降温措施，在控制设备 的选型上必须考虑相应的环境因素。 为了满足 整个管线的高效管理 ，并且保证整个系统的可靠 运行，工程设计上采用了以芜湖首站和铜陵末站为S CAD A中心 安徽省天然气开发有限责任公司 朱 磊 ，郭月明 即双中心结构 ，分输站和截断阀室作为无人值守的远程控制 终端，接受来自S C AD A中心的控制指令和上传实时生产工艺参数 的系统结构。由于现场条件的限制 ，无法提供高效的有线通信介 质，要实现上述S C A D A系统结构存在较大的困难。 结合现场条件、综合考虑系统的特点，笔者决定选择以 目前 流行的GP R S ／ CD MA为通信介质，采用独有的双信息中心技术为 S C A D A中心，并实现首站、末站通过GP R S ／ C D MA 链路形成互为 备份的S C AD A中心结构 ，采用先进的S C ADA 控制调度技术 ，实 现对整个管线的高效可靠控制 ，使整个管线达到较高的 自动化控 制水平，并确保整个输气管线的高效稳定运行。 考虑到整个系统中，有一个分输站和五个截断阀室需要在野 外环境下工作 ，虽然安徽地区的环境条件较好 ，但也存在极端低 温在一 1 0 V左右，极端高温在4 O ℃左右的情况 ，且由于阀室和分输 站为无人职守站，站场设计为封闭区域 ，区域内安装设备必须采 用防爆能力 必须满足E x d l I B T 4 要求 ，若 系统采用防爆结构， 外加室外极端高温环境下 ，防爆机柜 整个控制系统采用具备 E x d ／ I B T 4 要求的机柜 内的实际运行温度可能高达6 O ℃，为 了保 证整个系统的可靠运行，分输站和截断阀窒P L c ／ R T u必须满足宽 温运行的条件工作 ，以达到整个系统的稳定运行 ；由于分输站和 截断阀室不具备市电供 电条件 ，笔者选 用太阳能电池作为系统的 工作电源。 常规P L C 产品均是按0 ℃～5 5 ℃设计 ，超 出设计工作环境很 容易出现死机、无法正常启动的故障，因此在产品选择上，选 择以具备宽温 工作环境的高性价 比作为选型依据 。对 比国内外 相应产品的特点和相 应的性价 比，站控系统和截断 阀室选用 了 北京安控科技股份有限公司的R T U S u p e r 3 2 一 L 系 II R T U作为 整个S C ADA系统的控制 系统，并配套R T u自有S C AD A 2 作平台 E S p i d e r 作为S C AD A中心平台。 基于芜湖 一铜陵输 气管线现场 的地理特 点 ，并考虑到 目前 G S M网络的覆盖较好 ，决定选用 目前技术较 为成熟先进的以GS M 网络为基础的GP RS ／ C DMA数据通信技术 ，实现整个系统的数据 通信。但由于要实现整个系统的双S C ADA中心结构 ，若采用普 通的GP RS ／ C DMA DT U技术将很难实现，一般情况下，一个 DT U 无人职守的分输站和分输阀室 只能响应一个数据 中心的指 令 ，并在正常工作过程 中只能绑 定一个数据 中心的I P 地址或域 名 ，给笔者实现双中心的系统结构添加一道难题。 通过分析D T U 的工作原理和整个通信系统的实现 ，实际DT U 对是否采用单个数据 中心或 多个数据中心 ，是通过软件来控制 的。DT U 在工作过程中，会采用每隔一定的时间向数据 中心发送 一 定的数据 心跳包 ，告知数据中, ODT U 是否在线 ，数据中心 将DT U 发送过了的数据作为在线标志告知需要与D T U 进行通信的 数据终端 ，由数据终端在DT U 在线的情 况下向D T U发送数据通信 命令 ，实现实时的数据通信。 为 了实现双数据中心通信，实际只需要在软件上做一下改动 即可实现 ，因此通过 H DT U 厂商的沟通 ，通过修改DT U E 作运行 内核软件即实现了该功能。 由于DT U 可以工作在 多种工作模式，H S C ADA中心采用具 备静态公网I P 的通信服 务器作为数据终端 、通过域名解析方式或 采用通信服务商提供的AP N 月 骚 务，根据现场条件 ，并对3 种工作方 式进行了对比，选用 了由通信服务商提供的AP N 服务模式 ，该模 式具备如下特点 所有站点DT U 均采用通信服务商移动 联通 内部分配 的固定I P} 终端与服务器平台之间采用端到端加密 ，可以避免信息 传输 中出现的泄密， 内部设备采用端到端通信 I P 到I P ，可以简化S C ADA 平 台的通信驱动 ，勿需动态域名解析 等服务 ，可以实现带宽有效利 用 。 整个工程首末站控系统及繁 昌分输站采用安控科技的S u p e r 3 2 R T U 实现现场工艺参数的监控，所有阀室均采用安控科技低功耗 R T U 产品S u p e r 3 2 --体化 R T U 实现现场 工艺的监控。芜湖首站 、 铜陵末站设操作站 1 套、工程J ili l 操作员站1 套，系统结构如图l 所 图1现场工艺监控图 为了提高整个 系统的可靠性 ，在芜湖首站和铜陵末站各设一 套S C ADA中心监控设备，其中铜陵末站作为主S CA DA中心 ，在 正常工作情况下对整个S C A D A系统进行全面监控 ，实现对系统控 制设备进行本地和远程监控 ；当主S C AD A中心控制平台出现故障 时 ，芜湖首站S C AD A中心作为铜陵末站的备份控制中心 ，全面接 管主S C A D A中心的工作，实现整个系统的控制功能。 芜湖首站 备份S C A D A中心主要功能 实现本地站控R T U数据采集和控制； 远程分输站 、阀室和铜陵末站站控R T U的生产数据采 集 ； 与主S C AD A中心交换工作状态信息。 铜陵末站 主S C A D A中心 主要功能 实现本地站控R T U 数据采集和控制 ； 远程分输站 、阀室和芜湖首站控R T U的生产数据采集 ； 与备份S C A D A中心交换工作状态信息。 在功能上 ，芜湖备份S C A DA中心和铜陵主S C ADA中心均具 备对系统所有控制系统R T U实施远程控制功能 ，当二者均在正常 工作状态下 ，系统不对对方的站控R T U进行远程控制 ，只有当其 中一方工作状态处于 “ 故障”情况下才启用远程控制功能 。 S CA DA中心设有操作 员站和 工程师站各一套 ，其 中工程师 站既可以作为工程师站和操作 员站 ，并在操作员站条件下可以与 另一台操作员站实现互为备份功能 ，从而提高系统的可靠性 。通 过本地双机备份和主备S C AD A中心的系统架构，从而使整个系统 的可靠性和可用性在当前条件下达到最高。 。 作为基于Gs M网络通信的窄带通信条件下，如何实现双中 心 互为备份存在一定的难度。如何解决双中心对远程R T U实施控 制 ，不产生控制逻辑冲突变得至关萤要。 通过 对系统的结构进行分析 ，并对整个系统的工作任务进 D T U产品，在中心采用了H 7 9 2 0 路由器作为中心 网络接入，并在 整个网络中采用了通信服务商提供的AP N J] [ 务，全网通信采用内 网I P 方式 ，使整个 系统的通信变得简单可靠。在首末站站控R T U 采用通过以太网直接进入本地S C A D A 平台，其它R T U 通过D T U 进 入主／ 备S C A D A中心 。 为了实现主／ 备控制 中心的控制功能得以有效执行 ，在 首末 站R T U 上增加一台D T UP 应对方的S C A DA 中心的数据采集指令。 首末站S CA DA中心通过本地R T U来互换S C ADA 平台工作状态信 息。在正常工作状态下，主S C A D A中心 末站 通过以太网采集 和控制本地站控R T U、远程R T U、采集首站R T U 的实时数据 ，并 把 自己的 “ 心跳”信息写入本地R T U；备S C A D A中心通过以太网 采集和控制本地站控R T U ，其它R T u数据通过G P R S 只进行采集， 不做控制 ，同时也把 自己的 “ 心跳 ”信息写入本地R TU。当主 S C A DA 出现故障时 ，通过R T U传递的状态信息为故障时 心跳不 变化时，备S C AD A中心接管主S CA DAd p 心的全部功能 ，直到 主S C A DA中心恢复工作为止，备份S C AD A中心对远程R T U的控 制权交 回到主S C A DA中心 ，正常状态工作示意如图2 所示 注 双向箭头代表采集与控制 ， 向为数据采集。 图2 正常工作状 态示意 图 该S C ADA系统已经成功稳定运行 多年，并作为安徽省天然 气公司支线工程的一个样板 ，在后续的 多个支线工程中得到推 广，效果良好。该系统以R T U 为基础，以G P R S 通信为支撑 ，通过 特殊的结构构成一个可靠、安全的S C AD A运行平台，完全可以满 足地理位置较为偏僻，不具备高通信条件下的工程应用。 但该系统也存在一定的缺陷 ，如主／ 备S C AD A中心虽然实现 了数据采集和控制的冗余备份，但由于通信链路带宽限制，无法 实现主／ 备S C ADA 系统的数据同步，容易造成故障平台出现故障 至故障恢复之间的历史数据丢失。、 上接 3 9 页 很高 ，但作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式 ，通过所用变压 器的低压出线，加到变电所内所有的2 2 0 V交流回路中。变 电所的 保护和合闸电源直流系统的整流充电系统设计容量都比较大，电 压耐受能力也比较好。而且由于大容量电池组吸收尖峰脉冲的作 用 ，和整流 回路的平波作用，加到保护装置上的脉冲电压大大降 低。再加上常规的电磁式保护装置的元器件多为单元件的电阻、 电容和电感线圈等 ，耐热容量大 ，对尖锋脉冲的耐受能力也比较 强 ，所以能安全度过低能量 、高电压的冲击暂态过程。但对于使 用超大规模集成电路 ，运行电压只有数伏 ，信号电流仅为 u A 级 的微机装置来说，就不一定能经受得住。这就是造成微机装置损 坏而常规保护装置却能安全运行的关键原因。 1 雷电波主要是通过通讯 、信号采样电缆和电源部分两 条途径入侵。特别是低压电源的防雷保护，尤其应该引起足够的 重视 ，所以把系统内的通信电缆 ，使用屏蔽 电缆，屏蔽层两端可 靠接地。 2 微机系统信号和数据 采集部分一般都要求有光电隔离 装 置。 3 所用变低压侧装设金属氧化物避雷器。 4 将原来的不带防雷功能的后备式U P S 换成带防雷功能的 智能在线式U P S 。 5 加强对所有配电室的管理 ，包括变压器负荷 、线路的 检查 、避雷器、接地网的定期检查。 6 在雷雨季节来临前，做好检查工作的同时尽量把变压 器工作电压调高一档，保持工厂用电设备在较高的电压水平，以 此来抵抗雷电来时的瞬间电压降。一般保持在4 0 0 V ，但整个 工厂的用电量会相应地增加 。 7 进出线高压 电缆尽量采用埋地敷设或桥架敷设 ，避免 裸露敷设和长距离敷设。 在防雷 设计 方面 ，要 用发展的 眼光 ，从高标准 的角度 出 发，遵循 “ 整体防御、综合治理 、多重保护”的方针，通盘 考 虑。导致系统失电的原因还有元器件受潮 污闪、系统条件 本身故障 、谐波等 ，故需在今后的工作实践中去研 究、实验 、 探索和总结 ，以使得其在运行中 的不安全 因素可得以预 防和完 善。， 其他作者屠冬萍 1 9 8 1 - 女，浙江杭州人，助理工程师， 现就职丁上海恒逸聚酯纤维有限公司。