SCADA系统在天然气输气系统中的应用

沈铮晖闫家君

摘要：现代输气管道自动化管理多采用SCADA系统（分布式数据采集和监控系统），在国内外输气管道设计中，SCADA系统已成为必不可少的选择和管道系统管理与控制的标准化设施，压气站、计量站、调压站、清管站、阴极保护站等均由SCADA系统实行遥测、遥控。

1SCADA系统的基本配置

1.1中心控制级（控制中心）

调度控制中心是SCADA系统的中枢，对管道进行连续的监控和管理。系统应能够确保数据采集和储存的完整性、及时性、准确性、安全性、可靠性，同时系统应具有支持开放性，支持用户开发、补充和完善应用功能。调度控制中心的计算机系统一般按客户机/服务器结构，设置使用实时任务操作系统，服务器和局域网采用热备冗余配置。该控制中心配有操作员工作站、工程师站、经理终端站、大屏幕投影系统、天然气管线动态模拟系统、路由器（冗余配置）、调制解调器等。

1.2站场控制级（站控系统）

站控系统是SCADA系统的远方监控站，是保证SCADA系统正常运行的基础，分别设置分布在各地控制室内。站控制系统主要由过程控制单元、操作员工作站、数据通信接口等构成。过程控制单元采用技术性能优、可靠性高的可编程逻辑控制器（PLC）和I/O框架的连接网络。做为人机接口的操作员工作站采用工业级工作站型计算机。站控系统硬件配置包括：PLC，操作员工作站、激光打印机、路由器、操作台等。

1.3系统同步为保证

SCADA系统各部分数据的一致性，保持整个系统的同步非常重要。首先在调度控制中心设置了GPS时钟作为全系统的标准时间，并要求各站控系统硬件时钟误差不超过1s。系统时钟同步是由前端机向各现场发送时钟校核来实现的。时钟校核方式：当有一新RTU连接上网，30min对各站校核一次；RTU重新启动时必须校核；中断的通信获得恢复时应该校验。系统的接地和保护。自控系统接地采用等电位连接。各站控制室内操作站、操作台、机柜等均应做保护接地，保护接地接至电气的安全接地网。仪表信号回路接地端和屏蔽接地端接至信号接地网。保护接地和信号接地电阻均小于4Ω，信号接地网与电气的安全接地网分别接至电位接地极。

2SCADA系统的功能

2.1数据采集

完成对现场工艺管网参数的采集和处理，系统采集的模拟量主要有天然气压力、温度、流量、浓度等，状态量包括阀门开/关状态、工艺设备运行状态的自检信号。

2.2显示功能

调度中心将采集到的各种数据在显示屏上以画面、报表、图像的形式动态显示系统的工艺过程、参数、设备状态。显示时可通过颜色变化、百分比、色标填充等手段增强画面的可视性。

2.3数据存储及管理

系统将采集到的重要数据存入数据库。实时数据库用于存储最新采集的来自现场控制站的各种过程变量，这些数据可用于显示动态连接。实时数据的采集周期为1秒。实时数据库的容量满足所有的动态数据处理的要求，并留有足够的余量。历史数据库从实时数据库采集数据，历史数据的最低存储时间不少于一年，通过历史数据可计算最大值、最小值、平均值和其他需要值，据此操作员可进行统计分析指导生产。历史数据可以被写入磁盘长期保存。建立WEB发布，领导和相关部门可以通过计算机上安装的浏览器软件进行数据查看报表查询。

2.4实时报警功能

实时报警可以显示现场数据偏离报警极限时发出的报警信息（也有声音），也可以通过实时报警窗口对报警进行确认（发现报警并已经发出报警问题命令），确认过的报警将从报警窗口中消失，但仍会在报警汇总上显示（确认过的）。

2.5报表查询功能

报表查询可以查出任意一天所有场站的报表数据（报表数据存在数据库中，每30分钟保存一次数据），报表数据不是实时数据，所以分析数据时还要结合历史趋势。报表查询还可以生成日报表并打印，以便上报上级等使用。

2.6控制功能

根据需要，可远程遥控开启、关闭电动阀门。对需要进行安全保护操作的工艺设备进行安全联锁控制。

2.7时间同步功能

SCADA系统中包括调控中心、各场站的工作计算机通过各自路由器和光纤定时访问位于调控中心的时间同步服务器达到时间的同步。

2.8数据通信

在天然气管线施工中同步敷设了光缆，调控中心与站控系统采用有线光纤以太网通信。站控系统使用两种通信协议：一种为PLC与仪表之间的协议MODBUS协议，一种为工控机与PLC及调控中心与PLC通信的通信协议TCP/IP协议。

3特点

3.1可靠性高

选用了高性能的上下位机和通信设备，能在恶劣的环境下连续工作。对于重要的监控过程或控制回路，进行冗余设计。对于一般的控制回路选用手动操作作为后备；对于重要的控制回路，选用控制仪表作为后备；对于监控主机进行备份。3.2通信迅速、准确

采用有线光纤通讯和串行口通信，确保数据传输迅速、准确。

3.3可操作性和可维护性

操作方便表现在操作简单、直观形象和便于掌握，且不要求操作工要熟练掌握计算机知识才能操作，对于一些升级的系统，在新系统设计时要兼顾原有的操作习惯。可维护性表现在维修方便、易于查找和排除故障。系统采用标准的功能模块式结构，便于更换故障模块，并在功能模块上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。

4新一代基于光纤以太网的SCADA系统

随着计算机技术、通讯技术的深刻变化，大范围输气管道工程中监控系统的实现手段也必将发生本质的变化。而传统的建立在穿行CDT/POLLING规约基础上的SCADA系统难以满足大规模输气网络监控要求。输气工程的各个系统之间（输气调度监控系统，用气营业系统等）联系越来越紧密，必须统一考虑。所以提出以太网（局域网、城域网、广域网）为通信基础的面向整个输气系统的大对象。通过计算机软件平台（UNIX，Linux，Windows，Java等）集成了SCADA功能。首先，需要各地分气站到调度中心铺设光纤。基本思路是以路由器、光纤网络交换机、光纤构建一个以千兆光纤以太网为骨干，百兆光纤为子网或分支的高速网络。控制中心间通信协议ICCP可使一个输气控制中心与同一企业的其他输气控制中心，其他输气企业、联营企业、区域控制中心、独立采用部门等通过广域网（WAN）进行数据交换，交换的信息由输气系统监视和控制用的实时数据和历史数据组成。包括测量数据、计划数据、输气量结算数据及操作信息。控制中心的SCADA主机与其他控制中心主机之间进行数据交换通常要经过一个或多个介于其间的通信处理器。IEC60870-6-503标准为控制中心之间交换实时数据规定了一种机制，也为远方控制中心的设备控制、通用消息传送和程序控制提供了支持。它为应用ISO/IEC9506《制造报文规范》服务规定了1套标准化的方法以便实现数据交换TASE.2所支持的标准对象定义。

TASE.2采用面向对象的方法，就外部可观测的数据和行为，对实际的控制中心进行描述。对象实际上是抽象的，所以可用于各种TASE.2的使用远远超出了在控制中心之间通信的应用范围。对于任何具有类似要求的应用领域而言，此规范可视为一个工具箱。TASE.2能用于工厂自动化、化工厂或具有类似要求的场所。它为高级信息和通信技术提供了通用的解决方案。控制中心模型包括几类基本的主机处理器：SCADA，负荷管理，分布式应用，显示处理器。在SCADA系统中SCADA主机是最主要的处理器，通过数据采集单元（DAUS）和远方终端装置（RTUS）收集处理模拟和数字信号来监视数据，控制中心通常都配置了处于“热备用”状态的冗余的SCADA主机。分布式应用主机则进行各种庞杂的分析调度计划。显示处理器方便操作人员显示数据流量和控制用。通常控制中心由一个或多个局域网（LAN）间将这些主机连接起来，并常常通过中间的通信处理器访问各广域网。还有TASE.2控制中心，TASE.2协议依赖于MMS服务（以MMS作为低层）实现控制中心之间的数据交换。大多数运用于电网控制中心，笔者在工程建设中所应用的是ICCP协议进行输气管道流量的远程控制。

结束语

通信技术日新月异，网络技术日益成熟，给大型SCADA系统提供了基础。新一代基于光纤以太网的SCADA系统就是应用一例。

参考文献：

[1]郭强，莫德举.SCADA系统在天然气管网中的应用[J].北京化工大学学报（自然科学版），2005，01：78-80.

[2]张震，张勇.SCADA系统在中缅天然气管道调控运行中的应用[J].石油化工自动化，2015，03：25-28.