大型海外聚烯烴項目中CMADA系統(tǒng)的設計

吳弘

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

CMADA（Circuit Monitoring and Data Acquisition）電氣數(shù)據采集監(jiān)控系統(tǒng)，即電氣領域的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)。應用范圍很廣，主要用于電力系統(tǒng)、石油、化工等生產裝置電氣數(shù)據的采集與監(jiān)視控制等領域[1]。

CMADA系統(tǒng)是以計算機為基礎的電氣監(jiān)控系統(tǒng)。它可以對變電所及現(xiàn)場運行設備的電氣數(shù)據進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據采集、設備控制、測量、參數(shù)調節(jié)以及各類信號報警等各項功能。

1 CMADA在石化系統(tǒng)中的應用

由于石油化工生產過程具有易燃、易爆、有毒、有害的特點。為了確保企業(yè)生產安全、穩(wěn)定、長周期生產，必須加強電氣監(jiān)控，保障生產設備安全運行。CMADA作為電氣控制與數(shù)據采集系統(tǒng)，將先進的計算機技術、工業(yè)控制技術和通訊技術有機地結合在一起，既具有強大的現(xiàn)場測控功能，又具有極強的組網通訊能力。隨著石化裝置生產自動化水平不斷提高，電氣設備綜合管理的重要性與日俱增，所以近年來，在石化裝置中大量采用CMADA系統(tǒng)作為生產管理電氣自動化控制系統(tǒng)。

2 CMADA體系結構

CMADA系統(tǒng)主要包括三部分組成，主站端，通訊系統(tǒng)和遠程終端單元[2]。

2.1 主站系統(tǒng)

主站一般采用先進的計算機，有著良好的圖形界面支持，主要用于實時數(shù)據和歷史數(shù)據的挖掘工作，比如潮流分析、負荷預測、事故追憶、電網穩(wěn)定性分析，能量管理等。作為CMADA主站系統(tǒng)，大的系統(tǒng)可能有幾十個工作站，多個服務器。為了保證系統(tǒng)的可靠性，采用雙前置，多服務器系統(tǒng)，兩個網絡。但是對于簡單的CMADA主站系統(tǒng)可能就只有一臺計算機，運行一套軟件[2]。

通常主站系統(tǒng)分為兩個層面，即客戶/服務器體系結構。服務器與硬件設備通信，進行數(shù)據處理和運算。而客戶端用于人機交互，如用文字、動畫顯示現(xiàn)場的狀態(tài)，并可以對現(xiàn)場的開關設備進行操作。

由服務器，客戶端構成的CMADA C/S結構中，可以有多個服務器，每個服務器可帶有多個I/O設備?？蛻舳丝梢栽L問一臺或多臺服務器。服務器可配置在不同的機器上，甚至不同的操作系統(tǒng)平臺上，彼此分工協(xié)作，形成統(tǒng)一整體，構成了CMADA的分布式體系結構。

為了增加系統(tǒng)的可靠性，服務器端允許雙機熱備，重要場合可以一機多備。服務器雙機熱備一般是將兩臺機器配置相同，一臺作為主站，另一臺機器作為副站，主站完成服務器的正常工作，另一臺與其同步。當主站故障時，副站接替主站的工作。主站與副站是相對的，可互換的。雙機熱備包含I/O通道的熱備。由于多個客戶可以同時訪問一個服務器端，所以客戶端本來就是多重的。

CMADA系統(tǒng)硬件設備一般可以通過串口(RS232)點到點方式連接，也可以用RS485，以太網等總線方式連接到服務器上。總線方式與點到點方式區(qū)別主要在于：點到點是一對一，而總線方式是一對多，或多對多。

2.2 通訊系統(tǒng)

目前CMADA系統(tǒng)的通訊方式主要有兩種：有線和無線[2]。無線方式主要通過無線數(shù)據傳輸電臺構成專用通信網，但存在著電臺設備的更新和傳輸協(xié)議中數(shù)據傳輸檢錯、糾錯能力等問題，其可靠性和有效性有待提高。有線方式比較多：架空明線，同軸電纜，光纖等。在有線上傳輸大體分為基帶傳輸和調制傳輸，基帶傳輸在介質上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號。調制解調傳輸是要經過模擬數(shù)字變換的傳輸。目前有線網通訊技術的可利用率更高，發(fā)展前景較好。

2.3 遠程終端單元

遠程終端單元RTU一般包括通訊處理單元、開關量采集、輸出單元，模擬量采集、輸出單元、和脈沖量采集、輸出單元等構成。CMADA系統(tǒng)能夠掃描遠程終端單元RTU，對各種所需的參數(shù)進行實時監(jiān)測，使操作人員能及時、準確地了解系統(tǒng)工況。

2.4 支撐硬件

2.4.1 CMADA系統(tǒng)要求連續(xù)工作，不得中斷，所以對電源系統(tǒng)要求比較苛刻，除了雙回供電，還要求有保證系統(tǒng)供電的UPS系統(tǒng)。

2.4.2 監(jiān)視器：可通過圖形用戶界面GUI訪問CMADA數(shù)據庫中所有的數(shù)據，并可通過報表方式顯示時間信息和報警信息，使用歷史數(shù)據庫來顯示歷史和趨勢數(shù)據。

2.4.3 用于系統(tǒng)輸出的打印機系統(tǒng)，所有發(fā)生的報警事件均能通過A3網絡激光打印機在線自動打印，并帶有時間標簽和報警原因。

3 系統(tǒng)重要功能

3.1 設備各種參數(shù)狀態(tài)數(shù)據的采集和控制信息的發(fā)送

這部分涉及兩個含義：一是怎樣采集電氣設備參數(shù)狀態(tài)數(shù)據？它通常由智能綜保生產廠家解決，并提供可編程的通訊協(xié)議和協(xié)議處理芯片；二是設備狀態(tài)數(shù)據如何傳遞到主機系統(tǒng)處理？目前主機通常通過標準串口或I/O卡運行專用的上層采集模塊，從智能綜保中實時地采集設備各種參數(shù)的數(shù)據和發(fā)送控制信息；解決問題效率的高低表現(xiàn)在采集周期的長短上，這也是衡量一個系統(tǒng)是否適合于某個行業(yè)的一個重要指標。目前主機系統(tǒng)可以達到平均毫秒級的采集周期。

3.2 實時數(shù)據庫

先進的監(jiān)控組態(tài)軟件都有一個實時數(shù)據庫作為整個系統(tǒng)數(shù)據處理、數(shù)據組織和管理的核心。實時數(shù)據庫無縫地集成了數(shù)據庫與定時性，利用實時數(shù)據庫可以完成以下應用：

（1）記錄實時過程的歷史數(shù)據，用于過程存檔、歷史數(shù)據查詢、事故分析、系統(tǒng)建模等。

（2）連接各種類型的監(jiān)控設備（如：智能綜保、馬達控制器、變頻器等），配以監(jiān)控界面，實現(xiàn)自動監(jiān)控。

（3）通過數(shù)據庫網絡通訊功能構建分布式應用系統(tǒng)。

3.3 人機界面

人機界面由很多窗口組成，窗口包含圖形和文字。文字和圖形可動態(tài)變化。如文字可顯示現(xiàn)場I/O量的大小，圖形的顏色變化表示現(xiàn)場狀態(tài)量的改變等。

人機界面開發(fā)環(huán)境中提供了各種繪畫工具，如：畫矩形、橢圓、文字、位圖等工具。將采集的數(shù)據，用計算機圖形技術展示給用戶。同時提供了動畫連接手段，使圖形、文字等與現(xiàn)場的數(shù)據相關聯(lián)?，F(xiàn)場數(shù)據變化則畫面上圖形顏色、位置等也相應改變，通過觀察畫面上的圖形文字就可以知曉現(xiàn)場的狀態(tài)。比如在圖上存在一個指示燈，與實時數(shù)據庫內的一個離散變量X進行動畫連接，那么當X=0時指示燈為綠色，X=1時指示燈為紅色。

CMADA系統(tǒng)還需提供可以開發(fā)復雜圖元和對象圖元的工具，讓用戶可以根據自己的需要開發(fā)圖元。這是因為一個軟件即使功能再強大，提供的圖元再多也有可能滿足不了用戶的所有需求。

趨勢圖是人機界面不可缺少的組成部分。趨勢圖以曲線的形式顯示過程數(shù)據庫中實時數(shù)據或歷史數(shù)據。一般實時數(shù)據和歷史數(shù)據分別在不同的趨勢圖中顯示。一幅趨勢圖中通?？梢燥@示多條曲線，曲線可以放大、滾動。

報表是人機界面的重要組成部分。開發(fā)環(huán)境提供專門的報表生成工具，方便的形成各種報表。報表中的數(shù)據可以有瞬時值、歷史值、統(tǒng)計值。還可以讓報表定時打印。另外，還可以利用CMADA的Excel插件，用MsExcel生成報表。

此外，在人機界面中還有許多其它種類的組件，如：XY曲線、報警瀏覽、總貌等。另外，人機界面幾乎都是OLE容器，可以嵌入OLE對象，或ActiveX控件。

3.4 報警與事件

報警是過程狀態(tài)出現(xiàn)問題時發(fā)出的警告，同時要求操作人員做出響應。當一過程值超出用戶自定義的極限時，譬如模擬量超出了上限值，報警即被觸發(fā)。報警模塊主要包括如下類型的報警信息。

開關量輸入狀態(tài)變化報警，指開關量輸入信號的狀態(tài)發(fā)生改變，如斷路器的位置從合變?yōu)榉?。這種狀態(tài)變化可能對系統(tǒng)的運行有嚴重的影響。

模擬量超限報警，指模擬量超過或者低于設定的限值，比如電機繞組或軸承溫度高于設定值，這種狀態(tài)的可能會導致設備安全事故。模擬量報警一般包括上上限、上限、下限、下下限等，有時用顏色加以區(qū)分。

其他報警包括變化率報警、偏差報警、異常報警等。更復雜的報警可以通過對測量值進行數(shù)學運算，然后對運算結果進行報警檢查而產生。發(fā)生報警后，操作員可以通過報警畫面對報警進行“確認”，“確認”就是告訴系統(tǒng)我知道了發(fā)生的事，以免系統(tǒng)再次提醒。報警信息，報警確認信息，報警恢復（報警消除）等信息都可以被系統(tǒng)自動記錄下來。報警按照重要程度可分為多個優(yōu)先級，如：低級、高級、緊急。

報警發(fā)生時系統(tǒng)可以通過多種方式通知用戶，如：彈出報警窗、發(fā)出聲響，甚至可以發(fā)送短信或電子郵件。報警事件會被寫入歷史報警記錄，如有需要，可將它打印出來。

事件表示了系統(tǒng)正常狀態(tài)時的消息，當某一系統(tǒng)條件滿足時，事件即被觸發(fā)，它不要求操作人員響應，其查詢和記錄方法與報警相同。

3.5 事故追憶和趨勢分析

監(jiān)控的另外一個目的是評價生產設備的運轉情況和預測系統(tǒng)可能發(fā)生的事故。在發(fā)生事故時能快速地找到事故的原因，并找到恢復生產的最佳方法。

為了分析系統(tǒng)出現(xiàn)故障時系統(tǒng)的狀態(tài)，便于找出事故原因，需要知道各個重要點數(shù)據和時間。這就需要事故追憶(SOE)。SOE事件記錄的實質是具有時標的信息（也就是在信息上打上時間標簽），主站端需要把這些數(shù)據讀出來并顯示，存入歷史報警數(shù)據庫中。從這個意義出發(fā)，實時歷史數(shù)據的保留和系統(tǒng)操作情況記錄變得非常重要。因而評價一個CMADA系統(tǒng)，其功能強弱最為重要的指標之一就在對實時歷史數(shù)據記錄和查詢的準確和高效上面。

SOE系統(tǒng)需要整個系統(tǒng)的時鐘同步，而且要求同步精度很高（1mS），所以對整個系統(tǒng)要求很高。過去很難有一種辦法解決這個問題，現(xiàn)在的網絡時鐘同步和GPS可以很好的解決。

3.6 歷史數(shù)據存儲

歷史數(shù)據是整個CMADA系統(tǒng)的財富。歷史數(shù)據是按照時間或者其它規(guī)則把實時數(shù)據轉成歷史記錄。歷史數(shù)據對于生產狀況分析、實現(xiàn)先進/優(yōu)化控制、以及生產事故分析非常重要，所有重要的電氣數(shù)據都會進行長期歷史保存。

歷史數(shù)據的記錄很龐大，一年的記錄數(shù)據可能就有幾個GB甚至幾十個GB。所以對歷史數(shù)據庫服務器的內存和存儲以及CPU的速度要求比較高。因為在數(shù)據挖掘的時候，需要大量的訪問歷史數(shù)據。為了節(jié)省存儲介質空間，對保存的數(shù)據使用壓縮保存。常用的保存方式有周期性保存和變化保存（數(shù)據只有變化到一定程度才保存）。

4 CMADA系統(tǒng)的設計要求

在CMADA系統(tǒng)設計時，系統(tǒng)選用的軟、硬件，要求可靠性高、開放性好、適應性強，既能保持向下兼容，又能適應未來系統(tǒng)擴充的需要。要選擇有實力，有經驗的CMADA產品供應商。設計原則第一要采用標準化、通用化和系列化的計算機硬件產品。第二要采用符合國際標準或產業(yè)標準的成熟可靠的軟件產品。軟件要具有良好的模塊化以及標準的互聯(lián)接口，便于組成各種規(guī)模的系統(tǒng)及產品和技術的更新?lián)Q代。第三要采用智能化自控設備，保證實時數(shù)據傳遞的快速、準確、有效、完整。

5 聚烯烴項目中的CMADA系統(tǒng)設計

聚烯烴項目包括三個大型生產裝置：LLDPE、PP、PHU；每個生產裝置均有自己獨立的變電所和控制室。CMADA系統(tǒng)監(jiān)控范圍包括34.5/13.8/4.16/0.48 kV變壓器，13.8kV、4.16kV中壓開關柜、0.48kV低壓配電柜和MCC柜，以及UPS和直流電源柜、報警盤等變配電設備。

CMADA系統(tǒng)及中、低開關柜的供貨商是SCHNEIDER集團美國分公司SQUARED公司，CMADA現(xiàn)場設備層采用的是GE公司750、745、469等系列綜合保護裝置、智能型馬達控制器等智能變配電監(jiān)控/保護產品。這些產品適應各種電壓等級，按設備對應分布式安裝在各個開關柜內，與開關、變壓器、機泵馬達等設備直接聯(lián)系，實現(xiàn)模擬信息、數(shù)字信息的采集、傳輸及控制等功能。智能設備間采用Belden 9481雙絞線串接起來，將有關信息輸送至網絡通訊層的通訊控制器。同時這些產品不依賴于網絡而獨立完成對電氣設備的保護監(jiān)控等功能，實現(xiàn)數(shù)據采集、設備控制、測量、參數(shù)調節(jié)以及各類信號報警等各項功能。實時顯示電氣設備工作狀態(tài)、運行參數(shù)、故障信息和事件記錄、保護定值等。

網絡通訊層產品采用施耐德公司的EGX400網關網絡通訊控制器，使用Modbus，Ethernet TCP/IP協(xié)議。用于完成現(xiàn)場設備層和主站監(jiān)控管理層之間通訊數(shù)據的上行和下達；控制器安裝在各組開關柜的進線柜或電容器柜內，具有多種下行口配置可選，每個下行口最多可帶32個智能通訊單元。其具有獨立的前置機功能，可不依賴于主站監(jiān)控計算機系統(tǒng)獨立運行，完成通訊數(shù)據采集、協(xié)議轉換、數(shù)據組態(tài)、總線轉換、同時與主站進行數(shù)據交換，實現(xiàn)與上級監(jiān)控系統(tǒng)信息資源共享。網絡通訊層作為現(xiàn)場設備與監(jiān)控管理系統(tǒng)之間數(shù)據信息交換的橋梁通道，處理解決配電系統(tǒng)監(jiān)控回路多、信息量大、實時性差、設備通訊協(xié)議不統(tǒng)一、總線不兼容的通訊問題。

圖1、圖2、圖3分別是中壓開關柜、低壓開關柜和MCC柜的內部網絡通訊圖。

CMADA系統(tǒng)需要整個系統(tǒng)的時鐘同步，而且要求同步精度很高，所以系統(tǒng)采用GPS時間信號來同步所有的數(shù)據收集設備的內部時鐘。GPS信號通過BELDEN 8760電纜在設備間串聯(lián)，見圖4。

主站監(jiān)控管理層是CMADA系統(tǒng)最上層部分，分兩級管理。即控制室的CMADA工作站及下屬各自變電所的CMADA工作站，工作站由計算機硬件設備和系統(tǒng)監(jiān)控管理軟件等組成，用于監(jiān)控各自區(qū)域配電系統(tǒng)、電動機的運行狀態(tài)和智能保護繼電器的參數(shù)數(shù)據。另外，通過硬接線直接接受來自進線及母聯(lián)斷路器的各種狀態(tài)信號。

變電所的CMADA工作站負責對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據信息自動計算處理，同時通過光纖以太網向控制室的CMADA工作站提供數(shù)據?？刂剖业腃MADA工作站通過通訊接口與DCS（Distributed Control System）系統(tǒng)相連，實現(xiàn)數(shù)據交換和信息共享。

在控制室的CMADA工作站是人機交互的直接窗口，可利用監(jiān)控管理軟件和豐富友好的圖形界面，顯示整個配電系統(tǒng)電的監(jiān)測數(shù)據、異常報警信號等，提供監(jiān)測數(shù)據的報表、運行狀態(tài)圖、參數(shù)圖和電能數(shù)據分析等畫面。不同操作級別人員可根據不同的權限方便的進行遠程參數(shù)修改、歷史數(shù)據查詢、時間報警記錄查詢和報表統(tǒng)計管理工作。實現(xiàn)整個變配電系統(tǒng)的遙信、遙測、遙控、管理等功能。

圖1 中壓開關柜內部網絡通訊圖

圖2 低壓開關柜內部網絡通訊圖

圖3 MCC柜內部網絡通訊圖

圖5、圖6分別是變電站內CMADA網絡通訊圖和變電站與控制室之間的CMADA網絡通訊圖。

圖5 變電站內CMADA網絡通訊圖

圖6 控制室之間的 CMADA網絡通訊圖

6 結論

以前，大多數(shù)石化裝置配電系統(tǒng)沒有實現(xiàn)智能化控制。但隨著具有網絡通信功能的智能斷路控制器、馬達控制器、綜合電量測控等儀表在配電柜上的應用，使得通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)配電系統(tǒng)智能化成為可能。這樣配電柜的電參量信息、馬達，斷路器狀態(tài)信息，通過CMADA系統(tǒng)或主控室DCS電氣界面，呈現(xiàn)給裝置工藝人員，實現(xiàn)對各種用電設備的正常及事故情況下的監(jiān)測、保護、控制、電力計量[3]。這就是以“四遙”監(jiān)控、數(shù)字式保護、現(xiàn)場總線、計算機等技術為基本要求的CMADA智能配電監(jiān)控管理系統(tǒng)，作為技術成熟的一種標準化的配置在石化裝置中的應用。

[1] YPC-E15-S01_1 Electrical Power CMADA System [S].

[2] 王鐵鋼.SCADA系統(tǒng)[M/OL]. 北京易控微網科技有限公司.hppt://www.docin.com/p-598283620.html/2014-06-08.

[3] 吳澤生,吳艷萍.數(shù)字化電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)的探討[J].電力自動化設備,2004,24(1):94-97.