2023年油气长输管道SCADA系统.doc

11 油气长输管道SCADA系统 迄今为止，管道运输在世界上已有130多年的历史。我国虽然是世界上最早利用管道运输的国家之一，但其开展却比拟缓慢。1949年以前，我国的管道运输几乎是空白。经过几十年的开展，初步形成了东北、华北、华东输油管网及西南输气管网、西北一带油气管网已初具规模。全国石油、天然气产量的90%通过长输管道源源不断地输向炼油厂、化工厂及海运码头。作为油气长输管道自动化系统同样经历了循序渐进的开展过程。早期主要采用就地通用指示仪表为主，主要设备的控制(如阀门的开、关；输油泵的启、停等)均由手动控制，输油工人通过巡视记录主要参数(如温度、压力、流量等)。70年代末，由于当时国内的自动化控制设备与国外相比处于严重落后的地步，国内企业纷纷通过技术转让、合资合作、集团经营等形式改善设备。如在长输管道上广泛应用1151、2088等压力变送器、瑞士SAAB雷达液位计等，流量计量方法已由原始的计量仪表检测、手工计算产生报告开展成为由流量计产生信号远传至流量计算机或RTU、DCS、PLC等站级控制系统进行流量累计计算并自动生成相应报告。80年代末，计算机硬件、软件、特别是网络、通信的开展，管道运输行业均配置了先进的SCADA系统，如“东营-黄岛输油管道〞是我国第一条实现全线自动化技术的输油管道，该管道是与加拿大努法公司联合设计的，代表了当时世界先进水平。此后，进入90年代后，通过对世界先进技术的消化和吸收，运用国内自己的技术力量先后设计和编制了以站控为主的花土沟-格尔木输油管道；轮南-库尔勒输油管道；鄯善-乌鲁木齐输气管道；陕甘宁气田-西安输气管道；陕甘宁气田-北京输气管道；陕甘宁气田-银川输气管道等。 11.1 油气长输管道SCADA系统概述 11.1.1 SCADA系统概述 近20年来，随着4C(Computer, Control, Communication,CRT)技术的开展，先进的监控和数据采集系统〔SupervisoryControl and Data Acquisition〕，简称SCADA系统，广泛用于电网、水网、输油气管网、智能建筑等领域，通过主机和以微处理器为根底的远程终端装置RTU、PLC(或其它输入/输出设备的通信收集数据，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。 监控和数据采集(SCADA)系统的主要组成局部是：远程终端设备(RTU)、主站计算机(包括硬件和软件)、操作人员数据显示和控制盘及有关的外围设备。目前SCADA系统突出的特点是具有集散控制功能和自我诊断、冗余、备用计算机。SCADA系统已由集中控制、集中管理开展成集散控制、集中管理的方式。主机更多地用作数据采集与分析，常常不必以实时的方式运行。而由“智能〞远程终端装置〔RTU〕配上先进的软件在现场进行集散式控制。图11-1和图11-2分别为传统和新型SCADA系统。 图11-1 传统SCADA系统 图11-2 新型SCADA系统 SCADA系统的根本局部是远距离终端设备〔RTU〕。它是系统中的关键性装置，是对运行着的生产现场进行监控的最通用的设备，具有对现场工况进行最正确控制的能力，目前正朝着分散型智能方向开展。这是实现管道自动监控的首要突破点，是一项重要的硬件开发任务。 SCADA系统是用工业上普遍接受的标准所制约的组件块组合起来的，其组合构成因工程而异，因对工程控制功能的要求而异，因对计算机系统的建立方式而异。这个系统是不能够购置定型的，对任何一条管道都存在一个新开发的过程，包括它的硬件组成及软件系列。这项工作应在国内成立一个专业性的SCADA技术研究开发机构来进行。这是一项重要的系统软硬件开发业务。 建立SCADA系统的整套计算机系统，所用的微型计算机是一种大规模集成电路技术，功能齐全，使用方便，易于扩展。用一台小型计算机作为主机，配备多台以微处理机为根底的远程终端装置，即组成具有远距离数据采集和显示的、人机对话的、远程控制及数据处理功能的SCADA系统。 计算机硬件组成之后，与之配套使用的系列软件开发，即成为该管道独具特点的SCADA系统所必需；系列软件的主要局部包括：根本SCADA软件、支持软件和应用软件。而具体管道的应用软件又可以包罗万象，用来体现该管道所特有的复杂要求。 SCADA系统的构成有检测装置、数据采集与就地控制装置〔RTU〕、中央主控站、通信系统及软件。SCADA系统的控制过程是由设在控制中心的主控计算机对远程终端装置RTU进行定时询问，把分散在各个站的情况通过通信线路传送给中央主控计算机进行全线的统一管理和监视控制。而各个站的监视控制一般由RTU或可编程序控制器来独立完成，泵站可以无人值守，从而形成可靠的计算机网络式分布控制系统。 SCADA系统的控制功能：监测流量、压力和温度；启／停泵；开、关调节阀；执行逻辑／顺序控制；泄漏检测及清管控制等。一些较先进的SCADA系统还具有偶然事故分析；费用风险管理；流体质量／组分跟踪；合同监督，销售时机分析以及仪器校正等功能。 管道自动监控系统所能到达的水平，根本为站内无人值守，全线经SCADA系统进行远距离集中监视与控制。管道全线通常按三级设计：第一级：控制中心集中监视与控制；第二级：站控；第三级：就地手动控制。在一般情况下，使用第一级控制〔站内无人值守〕，这是SCADA系统设计的目的控制级。但是，当通信〔如微波通信。光纤通信等〕出现故障或控制中心主计算机发生故障时，可使用第二级控制，这是一种后备手段，当发生紧急事故或设备检修时，可使用第三级控制。 11.1.2 SCADA系统的构成方式 输油管道所采用的现代SCADA系统的配置形式，如图11-3所示。SCADA系统的指挥中枢——主机或中央处理机〔CPU〕通常是按冗余〔双机〕配置形式提供的。利用已编制成的程序，主机可与从控制中心的操作员控制台到安装在现场的RTU〔或PC，下同〕的所有系统组成设备进行通信。控制中心的操作人员能够在安装有一台或几台彩色CRT和键盘的控制台上，监视该系统运行的实时数据信息，并向RTU发出操作命令，实现远方控制。该系统的外部设备，如彩色CRT显示终端、打印机等，均可为两台主机共享。一旦在线〔联机〕监控的主机发生故障，外部设备即可自动地切换到备用的主机上。 图11-3 输油管道现代SCADA系统配置图 系统中还安装有一台或几台以微处理机为核心的工程师/程序员终端，配有CRT、键盘和打印机，用以完成“多重任务〞，如程序编制、修改和工程计算、管理等。它与备用主机共用文件。 现在，一台主机能与上百台或更多的RTU通信并对其进行控制。现代的SCADA系统，那么采用以微处理机为根底的通信控制器，通过调制解调器〔MODE〕及通信媒质〔如 线、微波线路、光纤或卫星线路〕来控制系统的通信。主机监控RTU的数量，取决于控制中心主计算机处理、存储能力的大小。 SCADA系统中，无论是控制中心的主机系统或是现场的RTU，通常采用不间断电源设备〔UPS〕，以保证无论在电网正常供电或者短期故障停电情况下，整个供电系统都能可靠地工作，从而确保SCADA系统的正常运转。 11.1.3 SCADA系统的功能 在管道运输中，管道的自动监控系统尤为重要，它直接关系到管道的正常运行，为解决这些特殊工艺要求，并适应现代管理方式，管道自动监控系统通常采用先进的SCADA系统对全线进行监视、控制和管理，以到达安全输送、科学管理、降低消耗、提高经济效益之目的。 〔1〕控制中心主计算机功能。 控制中心主计算机按顺序对每一台RTU定期进行查询，其主要功能如下： ①监视各站的工作状态及设备运行情况，采集各站主要运行数据和状态信息，包括有： a．检测量：进出站油温、油压；首站、末站和分输站流量；输油泵机组〔包括原动机及辅机〕的有关数据；油灌液位、油温及储油量，泵机组进出口油温、油压及流量，燃料油压力及流量；泵站出站压力调节间的开度及阀前、后压差；站母线电压、输油泵电机电流等。 b．报警信号：油品进站压力过低，出站压力过高；油灌液位〔高、低〕超限；停电。输油泵机组故障停运；出站调节间故障；输油泵机组轴承温度过高，振动量过大；安全阀。泄压阀动作等。 C．状态量：输油泵机组、出站调节阀和主要阀门的运行状态。 ②向RTU发布命令，通过RTU进行远方操作、控制，主要有： a．从远方各输油站PLC采集数据，监视各输油站工作状态及设备运行情况。记录重要事件的发生，工艺参数及设备运行状态参数超限报警，显示、打印报警报告。 b．给远方各输油站的PLC发送指令〔同时进行指令记录〕，程序自动启停机组、开关阀门及自动切换工艺流程。 c．对需要调节的主要参数如压力、油温、流量进行远方给定和自动调节，对各输油站的工艺参数及设备运行状态参数的报警值及停机〔跳闸〕设定值可进行远方修改。 d．显示管道全线的工作状态，打印管道全线运行报告。 e．对管道全线密闭输送进行水击超前保护控制。 f．对管道全线进行实时工艺计算和优化运行控制。 g．对管道全线进行清管控制。 h．对管道全线及各站运行的设备状态及工艺参数进行现行趋势显示和历史趋势显示。i．对系统设备的故障与事件等具有自检功能。 j．用系统的外围辅助设备进行数据库编制和显示图像编制。 〔2〕就地控制系统RTU的主要功能 ①过程变量巡回检测和数据处理； ②向控制中心报告经选择的数据和报警； ③提供画面、图象显示； ④除执行控制中心的控制命令外，还可独立进行工作，实现PID及其它控制； ⑤实现流程切换； ⑥进行自诊断程序，并把结果报告控制中心； ⑦提供给操作人员操作记录和运行报告。 〔3〕数据传输系统功能 SCADA系统的数据传输系统是一个重要的环节。它利用各种通信线路，把主计算机与分散在远处的RTU有机地连接起来，实时进行数据信息的交换和处理。 11.2 SCADA自动监控系统软件 11.2.1 软件构成 自动控制系统必须有软件的支持才能进行工作。现代SCADA系统能否运行成功，将取决于软件。SCADA系统软件分为控制中心软件和站控系统软件；它们通常又可分为系统软件、过程软件和应用软件。系统软件包括操作系统、诊断系统、程序设计系统以及与计算机密切相关的程序。系统软件质量的好坏对过程软件、应用软件能否正常工作及编制程序、调制程序的方便性有直接影响。 过程软件一般由计算机系统供给厂家提供，用户有时可根据需要进行修改，通常是模块化，采用填空式或对话式进行编制。 应用软件是在过程软件的根底上编制出来的，是面向用户本身的程序。它由用户、咨询公司或系统供给厂家研制开发。应用软件是SCADA系统最重要的组成局部。 〔1〕控制中心软件 〔a〕系统软件。 系统软件包括如下内容：数据库管理软件，管理和监视主计算机系统实时多功能软件，系统安全保护软件，故障检测及恢复软件，主计算机网络软件，系统生成和初始化软件，用于维护和修改软件系统的实用程序软件，程序开发，编译用户编写的高级语言程序等。 〔b〕过程软件。 过程软件包括如下内容：数据库管理软件，网络通信控制软件，信息采集系统软件，报警显示生成、趋势显示软件，报告生成软件，系统重新启动软件等。 〔c〕应用软件。 应用软件包括如下内容：管道操作监视、控制软件，报告、检测及实时管道模拟软件，水击控制软件等。 〔2〕站控系统软件 站控系统软件一般包括以下内容：操作系统软件，数据采集、记录、处理、显示、监视、趋势显示软件，报警和正常停机控制软件，站压力闭环控制软件，泵机组或设备控制软件，故障诊断软件，与控制中心和其它站的通信控制软件，其它控制及站应用软件等。 11.2.2 软件介绍 目前，国际上开发、研制的用于长输管道自动监控的系统软件比拟丰富，使数据采集与监控系统和应用水平不断提高。在此，简要介绍几种目前在自动监控领域较先进的系统软件。 1．目前在自动监控领域中占有领先地位的 Window NT操作系统下的 S／3 SCADA系统 美国GSE公司