SCADA系統(tǒng)在長輸天然氣管道的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

胡 朋

(中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司,湖北 武漢 430223)

1 SCADA系統(tǒng)概述

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、治理大氣污染、推動節(jié)能減排、維護(hù)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，從而推進(jìn)了我國近幾年長輸天然氣管道的快速建設(shè)。在長輸天然氣管道中，主要采用了以計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集(Supervisory Control And Data Acquisition 簡稱SCADA)系統(tǒng)。由于長輸天然氣管道生產(chǎn)運(yùn)營的跨度越來越大，所經(jīng)地區(qū)環(huán)境越來越復(fù)雜，安全生產(chǎn)也越來越受重視。因此，SCADA 系統(tǒng)在長輸天然氣管道中的安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行，對于保護(hù)人類生命財(cái)產(chǎn)安全、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、增加經(jīng)濟(jì)效益都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

長輸天然氣管道SCADA系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對長輸天然氣管道進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、集中管理和調(diào)度，提高管理水平，及時調(diào)配，保證安全、平穩(wěn)供氣。

2 SCADA系統(tǒng)在長輸天然氣管道的應(yīng)用現(xiàn)狀

長輸天然氣管道SCADA系統(tǒng)達(dá)到在調(diào)度控制中心完成對全線各個分輸站場、清管站和線路截?cái)嚅y室進(jìn)行監(jiān)控、管理和調(diào)度的任務(wù)。各分輸站場實(shí)現(xiàn)無人操作、有人值守的管理水平；清管站、線路截?cái)嚅y室實(shí)現(xiàn)無人值守、無人操作的管理水平，降低安全隱患。

正常情況下，調(diào)度控制中心通過管線專用光纜通訊系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(diǎn)方式與各分輸站場和清管站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，與線路截?cái)嚅y室之間通過管線專用光纜通訊系統(tǒng)采用分組輪詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。調(diào)度控制中心與各分輸站場和清管站之間采用公網(wǎng)作為備用通信信道，與線路截?cái)嚅y室無備用信道。為了增加可靠性，上下游站場可以同時監(jiān)視所轄線路截?cái)嚅y室。

目前，SCADA系統(tǒng)在長輸天然氣管道主要采用了三級控制模式，分別是：調(diào)度中心控制級、站場控制級和就地控制級。

2.1 調(diào)控中心控制級

隨著社會的發(fā)展，為了應(yīng)對更為復(fù)雜的突發(fā)事件(比如：地震、洪水等自然災(zāi)害；戰(zhàn)爭、恐怖襲擊等社會災(zāi)害；網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒等人為事件；)，重要的長輸天然氣管道SCADA系統(tǒng)除了設(shè)置主調(diào)度控制中心(MCC)外，在遠(yuǎn)距離的異地開始設(shè)置備調(diào)度控制中心(BCC)。正常情況下，主調(diào)度控制中心負(fù)責(zé)整個長輸天然氣管道的控制和調(diào)度管理，當(dāng)主調(diào)度控制中心出現(xiàn)故障或突發(fā)事件，備調(diào)度控制中心迅速控制整個長輸天然氣管道的運(yùn)行，提高了SCADA系統(tǒng)的冗災(zāi)能力。

調(diào)度控制中心服務(wù)器采用UNIX/WINDOWS操作系統(tǒng)，采用雙主機(jī)、雙以太網(wǎng)、雙通訊處理機(jī)熱冗余配置。調(diào)度控制中心除了配置實(shí)時/歷史服務(wù)器、工程師站和操作員站外，配置GPS時鐘系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)；配置WEB服務(wù)器提供網(wǎng)頁數(shù)據(jù)查看；配置OPC服務(wù)器為第三方系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口；配有防火墻系統(tǒng)進(jìn)行邊界隔離；建立整體網(wǎng)絡(luò)防病毒體系。

同時選配有提供操作培訓(xùn)的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，應(yīng)對管道泄漏檢測的泄露監(jiān)測系統(tǒng)和針對地質(zhì)災(zāi)害作用下管道檢測的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 站場控制級

分輸站場設(shè)置站控系統(tǒng)(SCS)，站控系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)和遠(yuǎn)程終端。正常情況下，由調(diào)度控制中心對全線各站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。一旦遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)因故障而中斷，可自動切換到站控系統(tǒng)進(jìn)行控制，以保證站場正常運(yùn)行。

站控系統(tǒng)采用WINDOWS操作系統(tǒng)，站控系統(tǒng)配置過程控制系統(tǒng)(PCS)PLC和ESD控制系統(tǒng)PLC，ESD控制系統(tǒng)PLC安全等級為SIL2級。PLC采用雙CPU、雙電源、雙通信接口的熱冗余配置；其局域網(wǎng)、路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)按熱冗余設(shè)置；控制系統(tǒng)機(jī)柜配置有防雷擊和浪涌保護(hù)措施。站控系統(tǒng)在通信故障恢復(fù)后，控制系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)具有帶時間標(biāo)簽的回填功能。并且站控系統(tǒng)能夠接收流量計(jì)量系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)和火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)等相關(guān)第三方智能系統(tǒng)信息。

天然氣管道中間清管站與分輸站場區(qū)別在于不設(shè)工程師站和操作員站，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時，由調(diào)度控制中心將其關(guān)閉。

線路截?cái)嚅y室采用遠(yuǎn)程終端單元(RTU)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。RTU與SCADA系統(tǒng)調(diào)度控制中心進(jìn)行通信，并由調(diào)度控制中心對線路截?cái)嚅y室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)線路截?cái)嚅y室與調(diào)度控制中心通信主信道發(fā)生故障時，上下游站場也可以監(jiān)視所轄線路截?cái)嚅y室。

2.3 就地控制級

就地控制系統(tǒng)對工藝單體或設(shè)備進(jìn)行手/自動就地控制。當(dāng)進(jìn)行設(shè)備檢修或緊急切斷時，可采用就地控制方式。

3 SCADA系統(tǒng)在長輸天然氣管道的發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展, 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和信息安全的運(yùn)用，將會使SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系發(fā)生重大改變。SCADA系統(tǒng)在長輸天然氣管道的發(fā)展應(yīng)用趨勢也將會是突破性的，勢必將會使長輸天然氣管道能夠更加安全、平穩(wěn)、高效地運(yùn)行。

3.1 SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系將會更為開放

目前SCADA系統(tǒng)的軟硬件供貨商、生產(chǎn)廠家之間是封閉的、技術(shù)上互不開放， SCADA系統(tǒng)的不夠開放性造成用戶使用軟硬件成本相對較高。隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，SCADA系統(tǒng)不斷處于新的技術(shù)環(huán)境下，SCADA系統(tǒng)供貨商和系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)者將會傾向選擇更為開放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，從而使SCADA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化成為未來發(fā)展的一種趨勢。當(dāng)長輸天然氣管道管理用戶需要改造或升級SCADA系統(tǒng)時，選擇開放的系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和設(shè)備接口，使不同生產(chǎn)廠家之間的設(shè)備通訊成為現(xiàn)實(shí)，提高了選購設(shè)備的靈活性。開放的SCADA系統(tǒng)增加了軟件、硬件的競爭者，從而降低了SCADA用戶的成本[1]，使得用戶可以隨意選擇符合自己需求的產(chǎn)品，而且也會逐漸提高SCADA系統(tǒng)性能。

3.2 SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸將會更為安全

隨著“兩化融合”以及物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品越來越多地使用通用軟件平臺、通用硬件設(shè)備、通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以各種方式與Internet等公共網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全問題日益嚴(yán)重[2]。由于工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全越來越受到重視，用戶在SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式和軟件應(yīng)用上將會選擇更加安全的系統(tǒng)產(chǎn)品。

以往長輸天然氣管道工程應(yīng)用中，調(diào)度控制中心采用管線專用光纜方式作為主通信信道與各分輸站場和清管站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用無線通信方式作為備用通信信道。隨著國內(nèi)油氣企業(yè)對工業(yè)控制系統(tǒng)安全配置的重視，中石化《關(guān)于加強(qiáng)工業(yè)控制系統(tǒng)安全防護(hù)的指導(dǎo)意見》中要求工業(yè)控制系統(tǒng)原則上不采用無線網(wǎng)絡(luò)。確需采用時，應(yīng)進(jìn)行授權(quán)、監(jiān)控和隔離，只應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不應(yīng)參與聯(lián)鎖和控制。越來越多油氣企業(yè)將在數(shù)據(jù)傳輸上選擇更加安全可靠的傳輸方式，進(jìn)一步提高SCADA系統(tǒng)應(yīng)用的安全性。

油氣管道SCADA系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外黑客的攻擊目標(biāo)，面臨愈發(fā)嚴(yán)峻的威脅[3]，特別是處于核心地位的SCADA系統(tǒng)控制軟件。SCADA系統(tǒng)國內(nèi)仍處于技術(shù)引用階段，主要采用Honeywell，F(xiàn)oxboro，ABB，Siemens，GE，Telvent和Cegelec等國外產(chǎn)品[4]，長期以來被國外自動化巨頭壟斷。隨著國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)廠商技術(shù)研發(fā)和集成能力的提高，與國外SCADA系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)差距逐漸縮小。以中控為代表的國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)廠商近年參與了天津LNG外輸管道工程SCADA系統(tǒng)國產(chǎn)化應(yīng)用，但國產(chǎn)SCADA系統(tǒng)廠商共性問題是缺乏大型天然氣長輸管道SCADA應(yīng)用業(yè)績，實(shí)際應(yīng)用效果有待工程生產(chǎn)運(yùn)營檢驗(yàn)。近幾年，不管是從項(xiàng)目工程建設(shè)的設(shè)備供貨周期和服務(wù)技術(shù)響應(yīng)，還是從國家能源戰(zhàn)略和能源安全上考慮，大型油氣企業(yè)都在積極推進(jìn)SCADA系統(tǒng)國產(chǎn)化應(yīng)用，勢必將會加速提高SCADA系統(tǒng)在長輸天然氣管道工程應(yīng)用的安全性。

4 結(jié)束語

本文闡述了SCADA 系統(tǒng)在已運(yùn)行長輸天然氣管道上的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其存在的問題和發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。隨著SCADA 系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展更新和對信息安全技術(shù)重視程度的提高，SCADA系統(tǒng)在長輸天然氣管道上的工程應(yīng)用將會不斷完善和發(fā)展，從而達(dá)到保障國家能源安全，增加社會效益、降低生產(chǎn)成本的目的。

[1] 吳愛國，何 信.油氣長輸管道SCADA系統(tǒng)技術(shù)綜述[J].油氣儲運(yùn)，2000,19(3):43-46.

[2] 陳 鵬，李永縉，張 偉.油氣管道SCADA系統(tǒng)分區(qū)分域安全防護(hù)方法[J].油氣儲運(yùn)，2014,33(11):1244-1249.

[3] 熊 琦，戴忠華，彭 勇，等.油氣管道SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)分析及防護(hù)框架研究[J].通信技術(shù)，2014,47(8):919-924.

[4] 陳秀麗.長輸管道SCADA系統(tǒng)選型及應(yīng)用[J].石油化工自動化，2012,48(3):26-29.