區域性油氣輸送管網SCADA系統建設與研究

高山（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300451）

紀玉學（ABB（中國）有限公司，北京 100015）

李　勇（ABB（中國）有限公司，北京 100015）

區域性油氣輸送管網SCADA系統建設與研究

高山（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300451）

紀玉學（ABB（中國）有限公司，北京 100015）

李勇（ABB（中國）有限公司，北京 100015）

為確保液化天然氣管網達到“站場無人操作、有人值守”和“閥室無人值守”的運營能力，采用了先進的監控和數據采集SCADA系統。本文完整分析了SCADA系統的結構和主備調控中心，輸氣站場設備，閥室的功能、配置、數據傳輸和控制原理，為構建區域油氣輸送管網提供參考。

液化天然氣管網；監控和數據采集；自動化

當前我國油氣輸送管道主干線的投資周期已經基本結束，而連接主干線與企業用戶、城市燃氣管網的區域性輸送管道的投資建設仍有較大的需求。天然氣作為我國重要的清潔能源，隨著城鎮化進程的加快及企業用戶對天然氣需求量的增加，省級區域輸送網絡將成為滿足下游企業及城市燃氣用戶需求的重要途徑。本文以中海油福建省輸氣支干線管網項目為例，闡述上述區域輸送網絡的自動化系統的構建及運營管理。該項目為中國第一個自主引進、建設、管理的大型液化天然氣項目，包括接收站、碼頭和輸氣支干線管網三個單項工程，其中輸氣支干線管網項目最終將建成覆蓋福建省的天然氣輸送網絡。液化天然氣輸氣支干線管網作為該項目的一部分，采用了監控和數據采集SCADA（supervisory control and data acquisition）系統作為管道投產運營后的主要管理手段，其先進與否在很大程度上決定了管道的科技水平。

1　SCADA系統結構

SCADA系統是以計算機為基礎的自動化監控系統，應用于電力、冶金、石油化工等領域的數據采集與監視控制及過程控制等，通過主機和以微處理器為基礎的遠程終端設備RTU (remote terminal unit) 、PLC及其他輸入/輸出設備的通信，實現整個工業網絡的監控，從而保證系統的安全運作及優化控制。SCADA系統非常適用于長距離、遠程設備對象，可實現數據采集、設備控制、測量、參數調節及各類信號報警等功能。

福建液化天然氣管網SCADA系統由主備調控中心、站場控制系統和閥室控制系統構成。根據實際特征和需要，該系統控制和管理分為三級：控制中心監視、控制及調度管理；站場控制室控制；就地手動控制。在一般情況下，由調控中心遠程控制，站場可以實現無人值守或者僅有操作人員處于監視狀態，現場沒有控制權。在某些情況下，調控中心可以授權站場，使站場操作人員具有控制權，此時調控中心處于監視狀態。在某些特殊情況下，可以由現場人員直接操作控制。分層控制既劃清了調控中心和站場之間的職責和權力范圍，避免了控制沖突，同時又兼顧各種可能發生的情況及應該采取的措施，極大地豐富和提高了管道運行和管理的策略性和靈活性。

整個SCADA系統采用SCADA Vantage系列軟件產品，各站場的控制設備采用PLC控制系統，閥室采用RTU遠程終端設備。作為主要負責數據采集和控制的系統，該系統的數據流程如圖1所示。數據從現場的設備層被采集，送到各站場的控制設備和數據存儲設備層，再經過專用通信網絡傳至調控中心，實現數據的上傳。調控中心的命令經過專用通信網絡傳至各站場，再由各站場的控制設備下達至具體的設備層，實現命令的執行。通信網絡介質為光纖，冗余配置。同時，在各站場的控制層也可實現對設備層數據的采集和命令的下達。

圖 1 SCADA系統數據流程示意圖

該SCADA系統采用多種通信協議，符合福建液化天然氣管網的實際特征。從現場設備層往上直到調控中心層，擁有許多不同的設備，各設備的接口也不盡一致，這就導致從最底層的現場設備層到站場的服務器的通信協議有多種，如PROFIBUS、Modbus、串行口等。而從站場服務器到調控中心服務器，則采用冗余的OPC通信。同時，站場的服務器和現場的PLC之間采用OPC通信。該配置既保證了各設備能正常通信，又有效地保證了一致性。

2　調控中心

2.1調控中心的功能和結構

調控中心處于三級控制的最頂層，起到對整條管道集中管理和監控的功能。調控中心接收來自各個站場和RTU閥室的上傳數據，同時調度員可以根據管道的運行情況對各個站場和RTU閥室的設備進行遠程控制。現場設備的數據可上傳至位于秀嶼的調度控制中心和位于福州的備用調控中心。SCADA系統服務器采用冗余和分層結構，使得主調度控制中心和備用調度控制中心異地配置成為可能。SCADA Vantage系統支持異地災難恢復服務功能，在主服務器崩潰后自動授權給異地備用服務器。在正常狀態下，主服務器通過內部同步協議同步備用服務器。

調控中心的結構如圖2所示。其主要設備包括：實時數據服務器、歷史數據服務器、工程師站及模擬仿真系統、操作員站、大屏幕系統、打印機、光纖路由器等光纖通訊設備。重要設備都采用冗余配置，如服務器、工作站、通信網絡等，在當前設備出現故障時，可自動切換到熱冗余的備用設備，提高了調控中心的故障容忍性和生產連續性。調控中心與各站場間采用目前在工業領域應用廣泛的OPC通信協議。調控中心作為OPC服務器，各站場和閥室作為OPC的客戶端，通過服務器/客戶端模式實現數據的傳遞。

圖2　天然氣管道通信架構示意圖

實時數據服務器和歷史數據服務器是調控中心的核心設備，實質上是兩個數據庫：實時數據庫和歷史數據庫。實時服務器負責實時接收和預處理來自現場的數據并提交給操作員站實時監控，例如實時趨勢圖和設備實時狀態等。操作員通過操作員站下達的命令也通過實時服務器處理，然后下達至站場和設備層。實時服務器處理的所有數據都同步傳至歷史服務器作長期記錄，在此存放與調控中心相關的一切數據，包括現場設備數據、下達的指令、事件和報警記錄等。

實時數據和歷史數據都可以通過趨勢圖再現。基于最初的設計定義，丟失數據可以通過回填方式代替。數據以數據庫形式儲存，數據庫采用服務器/客戶端的分布式開放架構。

工程師站是調控中心的配置站，對調控中心所有的調整都應該在這里進行，與操作員站構成了調控中心的兩個對外窗口。通過工程師站可以修改實時服務器、歷史服務器、通信配置等參數，但不可直接在此下達調度指令。操作員站是調控中心的操作平臺，實現監控和管理功能。通過操作員站，可以實時監視現場設備，下達操控指令，自動生成日報、周報或者月報。調控中心的大屏幕系統和操作員站連接，可實時展現操作員站的界面內容。

2.2調控中心的配置

實時數據服務器和歷史數據服務器均采用HP DL580G，裝有SCADA Vantage服務器軟件。調控中心設有存儲量巨大的磁盤陣列作為歷史數據存放處，HMI（human machine interface）作為應用層面，設有工程師站、操作員站和仿真操作站。工程師站配置HP Z400工作站，裝有OPC通信軟件、SCADA Vantage客戶端軟件等。操作員站配置HP Z400工作站，裝有流程圖畫面等人機界面程序。仿真操作站配置HP DL350G工作站，裝有仿真軟件，通過仿真軟件模擬管道的動態運行，對管道的實際運行起預測和分析作用，并可用于培訓調度員。

3　輸氣站場的控制系統

3.1輸氣站場控制系統的功能和結構

各輸氣站場是基層的管理單元，直接面對生產過程和裝置，是各個站場的大腦。各站場的控制系統構成了SCADA系統的核心支撐部件和主體，它既可只具備監視功能，由調控中心直接管理站場，也可以切換到站場獨立管理、控制站場的模式。

站場控制系統按照功能可分為3個子系統：站控系統SCS（station control system）、火氣系統FGS（fire & gas system）、緊急停車系統ESD（emergency shutdown device）。其中，SCS負責站場的日常生產控制，與生產相關的各儀表、設備等均連接到SCS；FGS負責處理在站場出現火焰或氣體泄露等緊急事故后的報警和滅火事宜，主要是將可燃氣體探測器、火焰探測器、消防控制器等設備連接到FGS；ESD是在站場發生緊急情況時為避免和消除重大的和災難性的事故，保證人員和裝置安全而采用的，按照危險程度分為三級：全站場停產并放空，壓縮機組停產并放空，壓縮機組停產但不放空。

按照站控系統結構可以分為兩層：上位機層；下位機和現場設備層。上位機由冗余服務器、工程師站、操作員站、通信設備、打印機等設備構成；下位機層由PLC系統、站場各具有遠程功能的儀表和設備構成。重要設備如服務器、PLC控制器、工程師站、操作員站等采用冗余配置，確保在運行設備出現故障時仍不影響生產。

服務器和PLC系統是站控系統的核心。服務器負責接收來自現場第三方設備和PLC的數據并預處理，然后傳給操作員站實時監控并傳送至調控中心。同樣，操作員下達的指令或者來自調控中心的指令經由服務器直接到第三方設備或通過PLC下達至現場儀表及設備。工程師站負責修改站控系統的配置。操作員站供操作員實時監控整個站場的運行狀態。通信設備負責連通站場和調控中心，在站場端也采用冗余光纖通信。站場SCADA服務器通過OPC協議和PLC系統間通信，此時，SCADA作為服務器，PLC作為客戶端。SCADA服務器在和調控中心SCADA服務器通信時，站場端SCADA服務器為OPC客戶端，調控中心端SCADA作為服務器。

下位機的PLC作為現場數據處理和通信的核心，處于服務器和現場設備的中間層，具有采集現場數據、預處理數據、實現自動控制邏輯、與上位機通信、執行上位機指令的功能。PLC控制器與I/O模塊之間采用PROFIBUS協議。如上文所述，站控系統包括SCS PLC，FGS PLC，ESD PLC，分別承擔各自的功能。SCS PLC連接現場生產相關的儀表及第三方設備部分，實現對生產的控制；FGS PLC連接現場的火焰、可燃氣體、感溫探測器和火災控制器、消防泵等消防裝置，實現在出現火災和氣體泄漏等情況下及時發現并處理；ESD PLC連接現場的ESD閥門等設備，在站場出現緊急情況時，緊急停車關斷，保障站場人員和設備的安全。

SCS PLC、FGS PLC和ESD PLC既各自獨立，又互相統一。例如，火焰探測器發現某處有火焰，FGS PLC會先進行邏輯判斷并響應，進行站場警報、滅火裝置啟動等，如果情況嚴重，FGS PLC還會通知ESD PLC采取動作避免發生事故。FGS PLC和ESD PLC都根據站場的邏輯程序和因果關系預置了各種情況發生時的應對措施，實現了安全自動化管理。

站場還有一部分第三方設備不經過PLC系統，直接接入服務器，如壓縮機組控制系統、發電機組控制系統等。通常這些設備都采用以太網或者串行口通信，因而可以操控這些第三方設備，實現全站場設備的自動化。

3.2輸氣站場控制系統的實現及配置

站控系統硬件和軟件配置：數據服務器采用HP DL388G，該機器配備SCADA Vantage服務器軟件，負責數據處理和存儲。工程師站和操作員站都采用HP Z400工作站，工程師站裝有SCADA Vantage客戶端和PLC的組態軟件等，供工程師根據需要組態PLC和服務器并進行故障診斷；操作員站裝有SCADA Vantage操作界面，供操作員監控全站的設備和儀表，了解站內各區域的狀態。SCS，ESD和FGS都采用PLC控制器，接收來自HMI層面的指令。

工程師站安裝的組態軟件通過以太網協議和PLC連接，對PLC進行修改配置。PLC通過OPC協議和站場SCADA服務器通信，通過SCADA Vantage軟件處理實時數據，并可通過SQL數據庫軟件將實時數據導入歷史數據庫中。操作員安裝SCADA Vantage客戶端和通過VB6開發人機界面軟件。同時，還可以通過工程師站安裝的VB6開發改進HMI軟件，整個軟件系統圍繞SCADA Vantage展開，具有很強的靈活性。

4　計量站控制系統

4.1計量站控制系統的功能結構

計量站為天然氣的貿易交割提供依據和保障，關系到天然氣買賣雙方和管道業主等各方的實質利益，是最重要的組成部分之一。計量站的控制系統基本和輸氣站場的控制系統相同，具有同樣的結構。計量站以計量為主，核心設備是超聲波流量計，沒有壓縮機組，因而其結構相對于輸氣站場更為簡單。

計量站控制系統按功能也劃分為SCS、FGS、ESD系統，每個系統的結構和功能與站場控制系統一致。計量站控制系統的獨特之處，即通過串口/以太網口將流量計算機和分析小屋等計量和氣體分析的數據連入站場SCADA服務器。

4.2計量站控制系統的實現與配置

計量站控制系統的硬件和軟件配置與站場的配置相同。

5　線路截斷閥室的控制系統

截斷閥室起到緊急情況下關斷閥室、保障管道安全、減小影響的作用。此外，通過閥室安裝的儀表可以及時有效地獲得管道和氣體參數。根據實際需要，管道全線的閥室裝有RTU系統，與傳統閥室相比，裝有RTU系統的閥室不僅可以實現遠程操控，還使RTU閥室具備自動控制功能，通過預先設置的邏輯程序，在出現某種情況時RTU系統自動操作，提高了干線管道的自動化水平。RTU閥室是整個管道SCADA系統的重要組成部分，它使各站場不再是孤立的單點，使管道管理層和調度員對管道的信息掌握的更全面和準確。

RTU閥室的結構和站場控制系統一樣，也分為上位機層和下位機層，但結構和設備比站場系統簡單得多。上位機層包括觸摸屏構成的人機界面和通信設備；下位機層包括專用于遠程控制的RTU系統。

RTU和通信設備采用冗余配置。RTU I/O系統接收閥室現場儀表等設備的數據，傳至RTU系統預處理后，實時呈現給觸摸屏HMI，同時通過安裝于閥室的光纖通信設備傳至調控中心（與站場鄰近的RTU閥室的數據先傳至站場控制系統，然后由站場控制系統傳至調控中心）。調控中心指令的傳遞沿此路徑反向傳遞，可以操控閥室的截斷閥等設備。

操作員除了可以遠程操控閥室，還可以在現場通過觸摸屏上位機直觀獲得現場數據并操控閥室。當RTU檢測到數據超過報警限值就會產生報警信號，如果根據植入的邏輯程序判斷情況比較嚴重，就會產生動作，關斷閥室，保障管道的安全。

6　結論

福建省液化天然氣管網SCADA系統結構精簡，功能強大，將管道沿線的各輸氣站場、清管站、計量站、RTU閥室和主備調控中心有機連接成一個整體，實現了天然氣管道的生產運行數據向調控中心的傳輸，有力確保了管道的安全生產，對構建區域性油氣輸送管網SCADA系統具有一定的借鑒意義。

[1] 中國石油天然氣管道工程有限公司. 福建LNG站線項目輸氣干線初步設計[Z]. 2005.

[2] CBI, 中國成達工程公司. 福建LNG站線項目接收終端工程FEED設計[Z]. 2005.

[3] 勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司. 福建管網海西天然氣管網二期工程（福州 - 福鼎段）設計規格書[Z]. 2013.

[4] 大慶油田工程有限公司, 中石油管道工程有限公司珠海分公司. 福建管網海西天然氣管網二期工程（漳州 - 龍巖 - 詔安段）設計規格書[Z]. 2015. [5] ABB. ABB SCADA Vantage技術手冊[Z].

Construction and Study of SCADA System for Regional Oil and Gas Transportation Pipeline Network

In order to fulfill the purpose of "station unmanned operation, only duty" and "valve chamber unmanned operation" for the liquefied natural gas pipeline network, we adopt the advanced SCADA system. This paper analyzes completely the structure, the main and back-up regulation control centers, the gas transportation station equipment, the line chambers and functions, configuration, the data transmission and control principles. It provides the reference for constructing the gas pipeline network.

Liquefied natural gas pipeline network; Monitoring and data acquiring; Automation

B 文章編號：1003-0492（2016）06-0098-04 中圖分類號：TP273

高山（1983-），男，遼寧錦州人，中級工程師，本科，現就職于中海石油（中國）有限公司天津分公司，主要研究方向為自動化儀表。

紀玉學（1981-），男，黑龍江人，工程師，本科，現就職于ABB（中國）有限公司，主要研究方向為自控系統及儀表。

李勇（1968-），男，河南人，工程師，碩士，現就職于ABB（中國）有限公司，主要研究方向為自控系統及儀表。