SCADA系統(tǒng)在天然氣輸氣管線(xiàn)中的應(yīng)用

摘要：本文將以SCADA系統(tǒng)在安徽省天然氣蕪湖-銅陵支線(xiàn)工程的實(shí)際應(yīng)用為案例,，闡述了該系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu),、通信設(shè)計(jì)、SCADA控制中心及控制邏輯處理解決方案等內(nèi)容,。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用,，滿(mǎn)足了企業(yè)在條件有限的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全生產(chǎn)與管理的需要,。

關(guān)鍵字：SCADA RTU GPRS 雙信息中心 主/備控制中心

1,、概述
安徽天然氣公司蕪湖－銅陵支線(xiàn)SCADA系統(tǒng)工程包括兩個(gè)工藝站控系統(tǒng)（蕪湖首站、銅陵末站）,，1個(gè)分輸站繁昌分輸站和五個(gè)線(xiàn)路截?cái)嚅y室組成,，管線(xiàn)總長(zhǎng)115公里。蕪湖首站具有天然氣過(guò)濾,、計(jì)量和清管發(fā)送功能,；銅陵末站具有天然氣過(guò)濾、計(jì)量,、調(diào)壓和清管接收功能,。蕪湖首站、銅陵末站設(shè)置的站控系統(tǒng)的管理可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作和有人值守水平,，所有分輸和截?cái)嚅y室均為無(wú)人值守方式管理,。
蕪湖首站、銅陵末站建設(shè)在城市邊緣,，具備市電220VAC供電,，而繁昌分輸站和所有截?cái)嚅y室均設(shè)在遠(yuǎn)離城市的地區(qū)，不具備提供市電供電能力,。工程設(shè)計(jì)過(guò)程中,，由于考慮到工程建設(shè)和項(xiàng)目投資原因，系統(tǒng)沒(méi)有采用光纖等有線(xiàn)傳輸介質(zhì),，同時(shí)由于管線(xiàn)距離長(zhǎng),、所處地理?xiàng)l件差等原因，無(wú)法采用自建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等條件,，給系統(tǒng)的通信鏈路選擇帶來(lái)一定的困難,。由于分輸站控和截?cái)嚅y室均設(shè)置在野外，沒(méi)有相應(yīng)的保暖和降溫措施,，在控制設(shè)備的選型上必須考慮相應(yīng)的環(huán)境因素,。
為了滿(mǎn)足整個(gè)管線(xiàn)的高效管理,，并且保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，工程設(shè)計(jì)上采用了以蕪湖首站和銅陵末站為SCADA中心（即雙中心結(jié)構(gòu)）,，分輸站和截?cái)嚅y室作為無(wú)人值守的遠(yuǎn)程控制終端,，接受來(lái)自SCADA中心的控制指令和上傳實(shí)時(shí)生產(chǎn)工藝參數(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,，無(wú)法提供高效的有線(xiàn)通信介質(zhì),，要實(shí)現(xiàn)上述SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在較大的困難。
我們?cè)诮Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,、綜合考慮系統(tǒng)的特點(diǎn),，我們決定選擇以目前流行的GPRS/CDMA為通信介質(zhì)，采用獨(dú)有的雙信息中心技術(shù)為SCADA中心,，并實(shí)現(xiàn)首站,、末站通過(guò)GPRS/CDMA鏈路形成互為備份的SCADA中心結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的SCADA控制調(diào)度技術(shù),，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管線(xiàn)的高效可靠控制,，使整個(gè)管線(xiàn)達(dá)到較高的自動(dòng)化控制水平，并確保整個(gè)輸氣管線(xiàn)的高效穩(wěn)定運(yùn)行,。

2,、系統(tǒng)選型
考慮到整個(gè)系統(tǒng)中，有一個(gè)分輸站和五個(gè)截?cái)嚅y室需要在野外環(huán)境下工作,，雖然安徽地區(qū)的環(huán)境條件較好,，但也存在極端低溫度在-10℃，極端高溫在40℃左右的情況,，且由于閥室和分輸站為無(wú)人職守站,，站場(chǎng)設(shè)計(jì)為封閉區(qū)域，區(qū)域內(nèi)安裝設(shè)備必須采用防爆能力（必須滿(mǎn)足Ex dIIBT4要求）,，若系統(tǒng)采用防爆結(jié)構(gòu),，外加室外極端高溫環(huán)境下，防爆機(jī)柜（整個(gè)控制系統(tǒng)采用具備ExdIIBT4要求的機(jī)柜）內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行溫度可能高達(dá)60℃,，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，分輸站和截?cái)嚅y室PLC/RTU必須滿(mǎn)足寬溫運(yùn)行的條件工作,，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,；由于分輸站和截?cái)嚅y室不具備市電供電條件，我們選用太陽(yáng)能電池作為系統(tǒng)的工作電源,。
常規(guī)PLC產(chǎn)品均是按0℃～55℃設(shè)計(jì),，超出設(shè)計(jì)工作環(huán)境很容易出現(xiàn)死機(jī)、無(wú)法正常啟動(dòng)的故障,，因此在產(chǎn)品選擇上,，我們選擇以具備寬溫工作環(huán)境的高性?xún)r(jià)比作為選型依據(jù),。對(duì)比國(guó)內(nèi)外相應(yīng)產(chǎn)品的特點(diǎn)和相應(yīng)的性?xún)r(jià)比，我們的站控系統(tǒng)和截?cái)嚅y室選用了北京安控科技股份有限公司的RTU（Super32-L系列RTU）作為整個(gè)SCADA系統(tǒng)的控制系統(tǒng),，并配套R(shí)TU自有SCADA工作平臺(tái)ESpider作為SCADA中心平臺(tái),。

3、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于蕪湖－銅陵輸氣管線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的地理特點(diǎn),，并考慮到目前GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋較好,，我們決定選用目前技術(shù)較為成熟先進(jìn)的以GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的GPRS/CDMA數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信,。但由于要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的雙SCADA中心結(jié)構(gòu),，若采用普通的GPRS/CDMA（DTU）技術(shù)將很難實(shí)現(xiàn)，一般情況下,，一個(gè)DTU(無(wú)人職守的分輸站和分輸閥室)只能響應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)中心的指令,，并在正常工作過(guò)程中只能綁定一個(gè)數(shù)據(jù)中心的IP地址或域名，給我們實(shí)現(xiàn)雙中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)添加一道難題,。
我們通過(guò)分析DTU的工作原理和整個(gè)通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),，實(shí)際DTU對(duì)是否采用單個(gè)數(shù)據(jù)中心或多個(gè)數(shù)據(jù)中心，是通過(guò)軟件來(lái)控制的,。DTU在工作過(guò)程中,，會(huì)采用每隔一定的時(shí)間向數(shù)據(jù)中心發(fā)送一定的數(shù)據(jù)（心跳包），告知數(shù)據(jù)中心DTU是否在線(xiàn),，數(shù)據(jù)中心將DTU發(fā)送過(guò)了的數(shù)據(jù)作為在線(xiàn)標(biāo)志告知需要與DTU進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)終端,，由數(shù)據(jù)終端再DTU在線(xiàn)的情況下向DTU發(fā)送數(shù)據(jù)通信命令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信,。
為了實(shí)現(xiàn)雙數(shù)據(jù)中心通信,，實(shí)際只需要在軟件上做一下改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)，因此我們通過(guò)和DTU廠(chǎng)商的溝通,，通過(guò)修改DTU工作運(yùn)行內(nèi)核軟件即實(shí)現(xiàn)了該功能,。
由于DTU可以工作在多種工作模式，即SCADA中心采用具備靜態(tài)公網(wǎng)IP的通信服務(wù)器作為數(shù)據(jù)終端,、通過(guò)域名解析方式或采用通信服務(wù)商提供的APN服務(wù),，我們根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，并對(duì)3種工作方式進(jìn)行了對(duì)比,，我們選用了由通信服務(wù)商提供的APN服務(wù)模式,，該模式具備如下特點(diǎn)：
? 所有站點(diǎn)DTU均采用通信服務(wù)商采用移動(dòng)(聯(lián)通)內(nèi)部分配的固定IP；
? 終端與服務(wù)器平臺(tái)之間采用端到端加密,，可以避免信息傳輸中出現(xiàn)的泄密,；
? 內(nèi)部設(shè)備采用端到端通信(IP到IP)，可以簡(jiǎn)化SCADA平臺(tái)的通信驅(qū)動(dòng),，勿需動(dòng)態(tài)域名解析等服務(wù),，可以實(shí)現(xiàn)帶寬有效利用,。
4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
整個(gè)工程首末站控系統(tǒng)及繁昌分輸站采用安控科技的Super32 RTU實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)的監(jiān)控,，所有閥室均采用安控科技低功耗RTU產(chǎn)品Super32一體化 RTU實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工藝的監(jiān)控,。蕪湖首站、銅陵末站設(shè)操作站1套,、工程師/操作員站1套,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，我們?cè)谑徍渍竞豌~陵末站各設(shè)一套SCADA中心監(jiān)控設(shè)備,，其中銅陵末站作為主SCADA中心,，在正常工作情況下對(duì)整個(gè)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制設(shè)備進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控,；當(dāng)主SCADA中心控制平臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí),，蕪湖首站SCADA中心作為銅陵末站的備份控制中心，全面接管主SCADA中心的工作,，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能,。
蕪湖首站（備份SCADA中心）主要功能：
? 1、實(shí)現(xiàn)本地站控RTU數(shù)據(jù)采集和控制
? 2,、遠(yuǎn)程分輸站,、閥室和銅陵末站站控RTU的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集
? 3、與主SCADA中心交換工作狀態(tài)信息
銅陵末站（主SCADA中心）主要功能：
? 1,、實(shí)現(xiàn)本地站控RTU數(shù)據(jù)采集和控制
? 2,、遠(yuǎn)程分輸站、閥室和蕪湖首站控RTU的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集
? 3,、與備份SCADA中心交換工作狀態(tài)信息
在功能上,，蕪湖備份SCADA中心和銅陵主SCADA中心均具備對(duì)系統(tǒng)所有控制系統(tǒng)RTU實(shí)施遠(yuǎn)程控制功能，當(dāng)二者均在正常工作狀態(tài)下,，系統(tǒng)不對(duì)對(duì)方的站控RTU進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,，只有當(dāng)其中一方工作狀態(tài)處于“故障”情況下才啟用遠(yuǎn)程控制功能。
SCADA中心設(shè)有操作員站和工程師站各一套,，其中工程師站既可以作為工程師站和操作員站,，并在操作員站條件下可以與另一臺(tái)操作員站實(shí)現(xiàn)互為備份功能，從而提高系統(tǒng)的可靠性,。通過(guò)本地雙機(jī)備份和主備SCADA中心的系統(tǒng)架構(gòu),，從而使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可用性在當(dāng)前條件下達(dá)到最高。

5,、系統(tǒng)控制功能解決方案
作為基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信的窄帶通信條件下，如何實(shí)現(xiàn)雙中心互為備份存在一定的難度,。如何解決雙中心對(duì)遠(yuǎn)程RTU實(shí)施控制,，不產(chǎn)生控制邏輯沖突變得至關(guān)重要,。
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作任務(wù)進(jìn)行劃分,，首先在閥室和分輸站采用支持雙數(shù)據(jù)中心的宏電H7710 DTU產(chǎn)品,，在中心采用了H7920路由器作為中心網(wǎng)絡(luò)接入，并在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中采用了通信服務(wù)商提供的APN服務(wù),，全網(wǎng)通信采用內(nèi)網(wǎng)IP方式,，使整個(gè)系統(tǒng)的通信變得簡(jiǎn)單可靠。在首末站站控RTU采用通過(guò)以太網(wǎng)直接進(jìn)入本地SCADA平臺(tái),，其它RTU通過(guò)DTU進(jìn)入主/備SCADA中心,。
為了實(shí)現(xiàn)主/備控制中心的控制功能得以有效執(zhí)行，我們?cè)谑啄┱綬TU上增加一臺(tái)DTU響應(yīng)對(duì)方的SCADA中心的數(shù)據(jù)采集指令,。首末站SCADA中心通過(guò)本地RTU來(lái)互換SCADA平臺(tái)工作狀態(tài)信息,。在正常工作狀態(tài)下，主SCADA中心（末站）通過(guò)以太網(wǎng)采集和控制本地站控RTU,、遠(yuǎn)程RTU,、采集首站RTU的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并把自己的“心跳”信息寫(xiě)入本地RTU,；備SCADA中心通過(guò)以太網(wǎng)采集和控制本地站控RTU,，其它RTU數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS只進(jìn)行采集，不做控制,，同時(shí)也把自己的“心跳”信息寫(xiě)入本地RTU,。當(dāng)主SCADA出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)RTU傳遞的狀態(tài)信息為故障時(shí)（心跳不變化時(shí)）,，備SCADA中心接管主SCADA中心的全部功能,，直到主SCADA中心恢復(fù)工作為止，備份SCADA中心對(duì)遠(yuǎn)程RTU的控制權(quán)交回到主SCADA中心,，正常狀態(tài)工作示意圖如下

6,、結(jié)束語(yǔ)
該SCADA系統(tǒng)已經(jīng)成功穩(wěn)定運(yùn)行多年，并作為安徽省天然氣公司支線(xiàn)工程的一個(gè)樣板,，在后續(xù)的多個(gè)支線(xiàn)工程中得到推廣,，效果良好。該系統(tǒng)以RTU為基礎(chǔ),，以GPRS通信為支撐,，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)可靠、安全的SCADA運(yùn)行平臺(tái),，完全可以滿(mǎn)足地理位置較為偏僻,，不具備高通信條件下的工程應(yīng)用。
但該系統(tǒng)也存在一定的缺陷，如主/備SCADA中心雖然實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和控制的冗余備份,，但由于通信鏈路帶寬限制,，無(wú)法實(shí)現(xiàn)主/備SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步，容易造成故障平臺(tái)出現(xiàn)故障至故障恢復(fù)之間的歷史數(shù)據(jù)丟失,。