SCADA系统在油气长输管道中的应用研究.pdf

第 5期 2 0 0 9年 5月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i o n No ． 5 M a y 2 0 0 9 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 9 0 5 0 1 1 9 0 4 S C A D A系统在油气长输管道中的应用研究* 姚塘 ， 方成辉 ， 陈 斌 中国矿业大学信电学院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 文章以油气长输管道 自动化 系统实际应用为背景， 采用网络技术、 计算机技术， 结合工业组 态软件 和可编程控制器， 设计并开发 了适用于油气长输 管道的数据采集与监视控制 S C AD A 系统。实际运行表明， 该系统运行状况良好 ， 工作稳定， 具有操作便捷 、 功能强大、 管理方便等特点， 完善和提 高了长输管道 以及输 油泵站 的 自动化 水平 。 关键词 油气管道 ； 数据采集；监视 ； 控制 ； S C AD A 中图分 类号 T E 8 3 文献标 识码 B 0 引言 我国的石油资源 区大多处在东北、 华北和西部 一 带， 而使用区集中在东南沿海地区， 产需之间的长 距离导致了石油运输矛盾的突出。管道运输具有永 久性 占用土地少 、 输 送能力大、 损耗少、 成本低等优 点 ， 因此 ， 采用管道运输是长距 离输送油气 的重要 方式 。 然而 ， 目前 国内大部分油气长输管道 的生产和 设备 自动化程度较低 ， 管理方式粗放 ， 信息化程度 低， 现场 自控设备软 、 硬件型号多样 ， 不统一 ， 仪表老 化或停用 ， 维护力量及技术水平严重不足 ； 原油长输 管道在地理位置上跨度较大、 站库及管道分散 ， 信息 平台严重脱离安全生产的需求 ， 现场信息无 法及时 上传至操作室和调度中心 ， 致使有关业务管理部 门 不能随时获取长输管道生产 、 安全等现场状况 ， 不能 及时做到生产过程 的统一调度指挥_ 1 ] 。因此 ， 根 据当前 国内长输管道现有 的状况， 结合长输管道 的 自身特点， 完善和提高长输管道 以及输油泵 站的现 有 自动化水平， 组成完备的分布式 自动监控系统， 建 立完善的网络通信结构以及先进的信息化生产管理 调度系统是当前的发展趋势 ， 是保证长输管道安全、 经济、 高效生产运营的重要保障。 本文 以油气长输管道 自动化系统实际应用为背 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 2 7 *基金项 目 江苏省 自然科学基金资助 B K2 0 0 8 1 2 6 作者简 介 姚琚 1 9 7 9 一 ， 男 ， 天津人 ， 中国矿业大学信 电学 院 在读 硕 士 研 究生 ， 研 究 方 向为 智 能 系 统 。E - ma i l g o l d e n c a mu s 、 y a ho o ． t o m ． c n 景 ， 采用网络技术 、 计算机技术 ， 结合工业组态软件 和可编程控制器 ， 设计并开发 了适用于油气长输管 道的 数 据采 集 与 监 视 控 制 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 Ac q u i s i t i o n 系统。 1 S C A D A 系统及 相关 技 术 S C AD A系统 ， 即数据采集与监视控制 系统 ， 是 以计算机为基础 的生产 过程控制与调度 自动化系 统 ， 可以对现场 的运行设备进行监视和控制 ， 以实现 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。 1 ． 1 硬件 结 构 通常 S C AD A系统分为 2个层 面， 即客户／ 服务 器体系结构。服务器与硬件设备通信 ， 进行数据处 理和运算 ； 而客户用于人机交互 ， 如用文字 动画显 示现场 的状态 ， 并可操作现场的开关 、 阀门。近年来 又 出现 1 个 层 面 ， 通 过 We b发 布在 I n t e r n e t 上进 行 监控 ， 可 以认 为 这是 一种 “ 超远 程客 户” 。 硬件设备 如 P L C 一般既可通过点 到点方 式 连接 ， 也可以总线方式连接 到服务器上。点到点连 接一般通过串 口 R S 2 3 2 ， 总线方式可以是 R S 4 8 5 、 以太网等连接方式。 在 1 个 系统 中可 以 只有 1台 服务 器 ， 也 可 以有 多台， 客户也可以有 1个或多个。只有 1台服务器 和 1 个客户的， 且两者运行在同一台机器上， 即为单 机版。服务器之间、 服务器与客户之 间一般通过以 太网互连， 有些场合 如安全性考虑或距离较远 也 通过 串口、 电话拨号或 GP RS方式相连。 1 ． 2软 件体 系结构 S C AD A系统 由很多任务组 成， 每个 任务完成 1 2 0 工矿 自动化 2 0 0 9 年 5月 特定的功能。位于 1个或多个机器上的服务器负责 数据采集 、 数据处理 如量程转换、 滤波、 报警检查 、 计算 、 事件记录、 历史存储 、 执行用户脚本等 ， 服务 器间可以相互通信。有些系统将服务器进一步单独 划分成若干个专门服务器 ， 如报警服务器、 记录服务 器、 历史服务器、 登录服务器等。各服务器逻辑上作 为一个统一整体 ， 但物理上 可能放置在不同的机器 上。分类划分的好处是可以将多个服务器的各种数 据统一管理、 分工协作， 缺点是效率低 ， 局部故 障可 能影响整个系统。 1 ． 3 整 体构 架 由服务器、 客户端构成 S C AD A 系统 的 C ／ S结 构， 由服务器 、 We b服务器 、 We b客户构成 S C AD A 系统的 B ／ S结构 。服务器配置在不同的机器上 ， 甚 至不同的操作系统平台上 ， 彼此分工协作 ， 形成统一 整体， 构成了 S C AD A 系统的分布式体系结构[ 3 ] 。 为了增加 系统的可靠性 ， 服务器端允许双机热 备 ， 重要场合可以 1机多备。服务器双机热备一般 是将配置相同的 2台机器 ， 一台作为主站， 另一台作 为副站。主站完成服务器的正常工作 ， 另一 台与其 同步 ； 当主站故障时 ， 副站接替主站 的工作 ； 主站与 副站是相对 的， 可互换 的； 双机热备包 含 I ／ O通道 的热备。由于多个客 户可 以同时访 问 1个服务 器 端， 所 以客户端本来就是多重的。 1 个系统 中可以有多台服务器 ， 每 台服务器 可 带有多个 I ／ O设备 。客户端可以访问 1台或多台服 务器。We b服务器可以作为多台服务器的代理 ， 将 we b客户与各服务器连接起来 。 2油气长输管道 S C A D A系统设计 笔者以中洛线油气长输管道为例进行系统的分 析和设计。中洛线东起 中原油 田濮阳首站 ， 西至洛 阳末站 ， 中间经滑县泵站、 卫辉泵站、 新乡泵站、 武陟 泵站、 温县泵站共 5个中间站 ， 全长 2 5 5 k m， 系统所 需监控设备多 ， 分布广 泛而且分散 ， 信号形式多样 ， 有模拟量 、 开关量、 视频信号等， 需 要将这些信号集 中在位于新乡的输油管理处调度中心内进行实时监 控 ， 并且将监控界面通 过 We b发 布到网上 ， 便 于实 时监控 。 2 ． 1 系统 功 能 1 完善各站库的监控系统 在当前 中洛线各站现有 的 OP TO 自控系统 的 基础上 ， 对 系统的硬件进行全 面的升级和更新 ， 改造 通信设备， 将各站的加热炉系统融合到控制系统内， 增加输油泵远程启停功能 ， 增加 电动阀远程监控操 作功能。 2 数据上传调度 中心 在新乡中洛线调度中心设置 1套无缝拼接 3 3 大屏显示终端系统 ， 现场所有模拟量数据 、 数字量信 号全部整合上传至新乡调 度中心 ， 并且实现现场数 据远程监控 、 输油泵远程启停 、 电动阀远程操作 、 本 地远程操作切换等功能。 3 实现系统可扩展性功能 通过硬件 改造， 预 留 I ／ O通道 ， 已备将来系统 扩展用 。软件部分预留接 口程序 ， 方便本系统与信 息系统 、 水击保护系统 、 泄露定位保护系统进行相互 关联和数据互换。 4 报警功能 实时扫描监控现场重要数据 ， 当指定数据超过 设定范围， 系统 自动发出声光报警 ， 除此之外系统还 将引入各站库的可燃气报警点 ， 实时监测站库危险 多发地点 ， 一旦达到触发条件 ， 则发出声光报警 。 5 趋势 功能 对现场重要数据增加和引入趋势功能 ， 设定 扫 描周期 ， 使重要数据 的历史趋势过程显示在系统终 端 中， 方便操作人员 以及调度人员掌握第一手的现 场生产状况资料 ， 以便于数据分析， 改进生产工艺。 6 报表功能 通过 V B A技术 ， 开发报表系统 。定 时产生打 印 日报表 、 周报表、 月报表甚至年表报 ， 方便调度 中 心的调度员进行调度与决策。 7 远程 系统 维护 功能 油气长输管道本身所具有 的设 备分散 ， 不便于 维护的特点 ， 使监控系统的现场维护工作十分困难 。 在保障网络通畅的前提下， 远程维 护可大大提高系 统的维护效率 ， 降低系统的维护成本 。 8 W e b发布功 能 为了方便上级管理部门掌握现场生产第一线的 生产运行状况 ， we b发布功能是系统一个不可缺失 的重要组成部分 ， 通过该功能， 上级管理部 门可以比 较直观地观看与现场监控室相通的监控画面。 2 ． 2 系统整 体设计 系统总体结构如图 1 所示， 采用多级网络结构 ， 自下到上共有 4级 ， 分别为智 能网络级、 控 制 网络 级、 系统网络级和管理网络级 。 1 智能网络级 智能网络级 即现场数据采集控制系统 ， 实现现 场 数据 的采集 功能 ， 由智能仪表及传感器 、 I ／ O模 2 0 0 9年第 5 期 姚 琚等 S C AD A 系统在油气长输管道 中的应用研 究 1 2 1 管理网络级 系统网络级 控制网络级 智能网络级 图 1 系统总体结构图 块、 信号调整模块等组成。这些智 能仪表采用的是 现场智能调节技术 ， 具有多功能、 全隔离、 自校准的 特点 ， 彻底解决了工业现场数据采集或输 出出现的 隔离调校问题。在该系统 中， 智能仪表主要为各种 压力 、 温度仪表和传感器 ， 除此之外 ， 还包括流量计 和脉冲发生器以及各种 电流电压转换器。通信介质 主要为双绞线。 2 控制网络级 控制网络级即现场控制器系统和工作站内部使 用的网络 ， 实现现场控制站 内的各个信号采集控制 器 、 I ／ O模块之间的相互连接和信息传递 。在该系 统中， 采用 了 0P TO的 P AC系列智能控制器和I ／ O 数据采集模块 ， 现场数据例如压力 、 温度 、 电流 、 电 压、 液位、 脉冲信号 ， 通过 OP TO的 I ／ O数据采集模 块被采人到 0P TO的 P AC系列智能控制器 中， 同 时进行数据处理和控制计算 ， 之后通过通信模块上 传至岗位工作站中， 供 岗位操作人员监测和分析用 。 同样也能在工作站中通过 OP T O 的 P AC控制器对 现场的输油泵、 电机 、 调节 阀等设备发出指令 ， 控制 其开停 、 转速等。工作站还能实现数据存储 以及报 表生 成 等 功 能 ， 岗 位 工 作 站 安 装 了 澳 大 利 亚 C I TE C T公司的 C i t e c t S C AD A组态软件 ， 可以看作 为整个 S C AD A系统 的 1个节点 ， 对整套系统 的数 据流动和采集起到承上启下的作用。 在控制网络级 中， OP T O控制器和工作站 中的 C i t e c t S C AD A组态软件之间通过工业 以太网通信 ， 采用 TC P ／ I P协 议 ， 接 口 为标 准 的 R J 4 5接 口， S C A DA系统通过 O P C协议进行数据采集、 处理和 显示 。 3 系统 网络级 系统网络级是连接工程师站与操作员站以及现 场工作站 的工业 网络 ， 完成 现场 I ／ 0 数据 采集任 务。各现场控制站之 间的数据传递 可满足大范围 协调控制的需要 。系统 网络采用的是工业 以太网 ， 符合 I E E E 8 0 2 ． 3标准 ； 其通信介质为 1 0 0 Mb p s双 绞线 。在 该系统 ， 该 级别 的系 统 网络 即为 安装 了 C i t e c t S C AD A组态 软件的监控服务 器。该服务 器 负责数据的分析、 监测 报警及报表 自动生成打 印。 上位机软件采用形象直观的图形界面 ， 操作简单灵 活 、 运行可靠 。数据分析提供强大的报警分析 、 历史 趋势分析等功能。 4 管理网络级 管理网络级是系统 的最高一级 网络， 可视 为网 络实时监控客户端 可以是 I n t r a n e t 或 I n t e r n e t 上 任意一台计算机 ， 采用 TC P ／ I P协议 。该级完成不 同地点设备之间的数据通信、 企业 内部装置与生产 过程管理数据的通信 ， 各 系统之间的协调控制与调 度管理。通信介质采用光纤 、 双绞线 。经过授权 的 I P和用户可通过安装在 we b服务器上的网站启动 监控服务器上的 C i t e c t S C ADA组态软件 ， 查看实时 数据 、 历史 曲线 、 报警等 ， 便于上级领导部 门的监督 和决策 ， 拥有更高权限的用户 ， 甚至可以对系统进行 远程维护 ， 如修改显示画面、 手动生成报表等。 2 ． 3 网络 结构设 计 中洛线下属 7 个 站， 网络结构如图 2所示 。在 这 7个站 的站控室都 分别安 装 1套 OP TO 2 2的 P A C系列 的控制系统， 用于采集和控制每个站的现 场仪表实时数据， 由于 0P T O 2 2的 P AC系列控制 器是双网口控制器 ， 因此 ， 在每个站 的站 控室安装 2台2 9 5 0双层交换机， 这样 可以实现站 内网络冗余 ， 同时站控室内还将安装 1台 3 5 6 0三层核心交换机， 2台 2 9 5 0交换机与 3 5 6 0核心交换机直接相连。通 过 3 5 6 0核心交换机将数据上传至新 乡输油管理处 的调度中心。最后站控室安装 1台站控电脑作为该 站的操作员站 ， 通过 C i t e c t S C AD A组态软件运行上 位机程序 ， 可以从 O P T O 2 2的 P AC控制器 中采集 现场实时数据。 在新 乡输油管理处的调度 中心设置 2台 3 5 6 0 三层核心交换机 、 3台服务器 、 2台站控电脑 、 1台防 火墙。2台 3 5 6 0三层核心交换机一主一备作成 网 络冗余 ， 向下与 7个站的核心交换机相连进行数据 交换 ， 向上分别与 3台服务器和站控电脑相连 ， 3台 服务器分别为 2台数据服务器和 1台 We b服务器 ， 2台数据服务器 中安装 C i t e c t S C AD A组态软件 ， 运 行上 位机 程 序， 其 数据 源 为各 站 的 O P T O 2 2的 P AC控制系统和各站的站控 电脑 ， 2台数据服务器 配 制成一主一 备的冗余模 式 。 另外 一 台We b 服 务 1 2 2 工矿 自动 化 2 0 0 9年 5月 3 核 鐾 数 鬈 W e b 服 务 器调 度 工 控 机调 度 工 控 机 主 各 服 务 器调 度 工 控 机1惆 度 工 控 机 濮阳站 濮阳站O P T O 滑县站 滑县O P T O 卫辉站 o F r o 新乡站 新乡站O P T O 武陟站 武陟O V T O 温县站 O P T O 洛阳站 洛阳站O P T O 操作员站控制系统 操作员站控制系统操作员站 控制系统操作员站控制系统 操作员站控制系统操作员站控制系统操作员站控制系统 图 2 油气长输管道 S C A DA系统网络拓 扑结 构图 器安装 C i t e c t 的 We b发布软件， 将数据服务器 中的 上位机程序通过 We b发布的形式 ， 穿过防火墙发布 到办公 网内， 供上级领导随时调用查看 。最后 2台 站控电脑将安装 C i t e c t S C AD A组态软件 ， 运行上位 机程序 ， 其数据源为 2台数据服务器 。 2 ． 4软件 结构 设计 在该 S C ADA系统中包含多套软件的设计和开 发 ， 其中有下位机控制系统软件开发 、 上位机人机界 面软件开发 HMI 、 数据库软件 开发、 生产报表软 件开发、 we b发布软件开发 、 信息系统软件开发、 模 拟仿真系统软件开发等。其 中上位机人机界面软件 HMI 、 数据库软件 、 生产报表软件等软件属于监 控系统软件 ， 本文将重点介绍监控系统软件的设计。 监控系统软件的设计除了满足监测与分析功能 外 ， 还要具有操作简便 、 运行可靠 、 实时性高等特点。 整个软件分为监控部分 和网络部分， 监控部分 的主 要功能为完成数据分析和处理、 状态检测 ， 并向各部 分提供必要的信息。网络部分的主要功能是实现数 据的网络传输与共享。 监控系统 即系统的人机界面部分 ， 操作员可 以 通过监控系统对现场生产情况进行监视 和控制 ， 本 系统的动态监控部分包括的模块如图 3所示。 3 结语 本文 以油气长输管道 自动化系统实际应用为背 景 ， 采用网络技术、 计算机技术， 结合工业组态软件 图 3 监控系统软件结构框 图 和可编程控制器， 设计并开发了适用 于油气长输 管 道的数据采集与监视控制 S C AD A系统 。该 系统于 2 0 0 7 年 1 2月在 中洛线投入运行， 一年 多实 际运 行 表明， 系统运行状况 良好 ， 工作稳定 ， 具有操作便捷 、 功能强大 、 方便管理等特点， 极大地完善和提高了中 洛线长输管道以及输油泵站的 自动化水平 ， 成为了 长输管道安全 、 经济 、 高效生产运营的重要保障。 参考文献 [ 1 ] 谢孝宏．构 架原 油 长输 管道 S C AD A＼ OP S系 统探 讨 E J 3 ．石油化工 自动化 ， 2 0 0 6 3 ． [ 2 ] 杨筱蘅 ， 张 国忠． 输油管道设计与管理 [ M] ． 东营 石油 大学出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 3 ] 王松波． 基 于 B S结构与 C S结构结合 的新 结构开发 应 用系统[ J ] ． 广西轻工业 ， 2 0 0 8 ， 2 4 5 ．