長輸油氣場站SCADA 系統(tǒng)的分析與應(yīng)用

冼智錦

（廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

1 SCADA 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

SCADA 系統(tǒng)常被用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，是遙感和數(shù)據(jù)采集功能的集合，也是一種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含有采集、傳輸和監(jiān)控三個(gè)部分，在工藝現(xiàn)場安裝的傳感器采集工藝現(xiàn)場的設(shè)備及環(huán)境的信號(hào)，并通過專用線路傳輸回指揮中心。值班的工作人員在指揮中心計(jì)算機(jī)工作站對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析計(jì)算，再將各種狀態(tài)信息通過HMI 界面顯示給值班人員。通過該SCADA 系統(tǒng)能夠提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性和生產(chǎn)效率。

2 SCADA 系統(tǒng)的應(yīng)用

SCADA 系統(tǒng)以其功能全面、兼容性強(qiáng)、智能穩(wěn)定、全天候監(jiān)控和可視化管理、可記錄、可追溯等諸多優(yōu)點(diǎn)被逐漸應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中[1]，尤其在電網(wǎng)傳輸和鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域最為普遍。SCADA 系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)工藝現(xiàn)場進(jìn)行操作和管理，能充分發(fā)揮其控制能力，對(duì)于值班的工作人員來說操作更加便捷。同時(shí)，SCADA 系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，更方便各類數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和必要時(shí)后期查證。

3 長輸油氣場站SCADA 的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能

結(jié)合長輸油氣場站送配氣的實(shí)際和生產(chǎn)需求，長輸油氣場站SCADA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)視與控制應(yīng)具有以下幾個(gè)功能：

1.數(shù)據(jù)采集。在工藝現(xiàn)場的各類傳感器和儀表實(shí)時(shí)采集各個(gè)提前預(yù)設(shè)的監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)，其中包括了輸氣場管道流量、管道壓強(qiáng)、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、各閥門的工作狀態(tài)、各類氣體的濃度等。

2.數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。將采集到的各類數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器內(nèi)，以用作程序數(shù)據(jù)處理和留檔，以便于實(shí)時(shí)或事后調(diào)用查證。

3.瀏覽查看。值班的工作人員通過系統(tǒng)授權(quán)認(rèn)證后，可以在電腦或移動(dòng)終端上通過網(wǎng)頁瀏覽器或者軟件客戶端登錄，通過本地局域網(wǎng)或者異地瀏覽SCADA系統(tǒng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。并可以將SCADA 系統(tǒng)拓展延伸至GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）和CIS（Consumer Information System，用戶信息系統(tǒng)）等第三方系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)GIS、CIS 和SCADA 多系統(tǒng)的一體化應(yīng)用。

4.異地控制。已經(jīng)通過系統(tǒng)授權(quán)的值班工作人員在處理系統(tǒng)事件時(shí)無需到達(dá)現(xiàn)場，能隨時(shí)登錄系統(tǒng)異地控制工作現(xiàn)場的設(shè)備，從而縮短系統(tǒng)出現(xiàn)事件的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，在系統(tǒng)檢測到發(fā)生緊急事件時(shí)能進(jìn)行設(shè)備緊急停機(jī)和安全保護(hù)。

5.界面顯示。在監(jiān)控中心的大屏幕上以簡單且直觀的HMI 人機(jī)界面，生成較為形象的圖形、數(shù)據(jù)圖表、狀態(tài)報(bào)表、開關(guān)閥門狀態(tài)等多種形式內(nèi)容，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場儀表檢測到的設(shè)備和管道的不同工作狀態(tài)。

6.事件報(bào)警。通過HMI 人機(jī)界面彈出報(bào)警信息或發(fā)出報(bào)警蜂鳴聲等多種方式提示值班的工作人員處理事件。其中包括了設(shè)備故障、參數(shù)異常、通信中斷、管道泄漏、參數(shù)過閾值等。

7.打印和導(dǎo)出報(bào)表。值班的工作人員能夠在監(jiān)控中心隨時(shí)或者定時(shí)導(dǎo)出和打印各項(xiàng)數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史操作記錄、故障事件記錄和報(bào)警記錄等關(guān)鍵信息。

8.權(quán)限設(shè)置。SCADA 系統(tǒng)能夠給不同的值班人員設(shè)置不同的訪問權(quán)限，值班人員根據(jù)不同的賬號(hào)登錄系統(tǒng)后擁有相對(duì)應(yīng)的訪問和操作權(quán)限，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多級(jí)高效的人員管理。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在長輸油氣場站中，SCADA 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以分層式、分布式的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、站控執(zhí)行系統(tǒng)和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)等多部分組成。SCADA 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 SCADA 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.近端監(jiān)控中心。SCADA 系統(tǒng)在近端的監(jiān)控中心內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理調(diào)度，系統(tǒng)中采集到的各類數(shù)據(jù)信息均匯集到監(jiān)控中心的工作站內(nèi)。組建的專用網(wǎng)絡(luò)是在B/S（瀏覽器/服務(wù)器）的結(jié)構(gòu)下進(jìn)行設(shè)計(jì)的。高速的以太網(wǎng)絡(luò)搭建的系統(tǒng)內(nèi)部的局域網(wǎng)用于各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間的通信。SCADA 系統(tǒng)中的各類服務(wù)器、計(jì)算機(jī)工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和打印機(jī)設(shè)備均設(shè)置在近端監(jiān)控中心內(nèi)。其主要的作用是接收數(shù)據(jù)信息，并在將其儲(chǔ)存到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫的同時(shí)，于HMI 人機(jī)界面上顯示出來。

2.中間數(shù)據(jù)傳輸。該部分是系統(tǒng)中負(fù)責(zé)進(jìn)行中間數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，主要是以通信網(wǎng)絡(luò)組成。通過高速網(wǎng)絡(luò)組建，以起到將RTU 遠(yuǎn)程測控終端與近端監(jiān)控中心連接起來的作用。場站內(nèi)的管道壓力、管道流量、環(huán)境溫度和開關(guān)閥門的工作狀態(tài)等重要數(shù)據(jù)均借助該高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。其傳輸?shù)姆绞街饕腥N，分別是以太網(wǎng)傳輸、光纖傳輸和無線傳輸。目前，各生產(chǎn)企業(yè)通常使用的是光纖傳輸，原因是其優(yōu)勢明顯，主要表現(xiàn)在傳輸速度快、抗干擾性能強(qiáng)、帶寬大和傳輸距離遠(yuǎn)等方面。此外，SCADA 系統(tǒng)將搭建VPN 專用網(wǎng)絡(luò)，在保障了系統(tǒng)數(shù)據(jù)高速傳輸速率的前提下，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。以實(shí)現(xiàn)工作人員不在場站現(xiàn)場也可使用外網(wǎng)進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)中控制現(xiàn)場設(shè)備和查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

3.遠(yuǎn)端現(xiàn)場采集。作為SCADA 系統(tǒng)的最底層，遠(yuǎn)端現(xiàn)場采集過程主要集中在天然氣的工藝現(xiàn)場，各類管道、開關(guān)閥門設(shè)備、工業(yè)傳感器和智能儀表大部分都集中在該處。通過RTU 遠(yuǎn)程測控終端對(duì)現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)行監(jiān)測，再通過數(shù)據(jù)傳輸單元DTU 上傳至監(jiān)控中心。相反，當(dāng)需要現(xiàn)場設(shè)備完成監(jiān)控中心發(fā)來的遠(yuǎn)程操作指令時(shí)，通過DTU 數(shù)據(jù)傳輸單元下發(fā)指令到RTU 遠(yuǎn)程測控終端以實(shí)現(xiàn)該過程。另外，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)端現(xiàn)場采集部分時(shí)，還需要充分考慮日后使用過程中設(shè)備擴(kuò)展的問題，為SCADA 系統(tǒng)預(yù)留一定余量[2]。

3.3 運(yùn)行流程

長輸油氣場站SCADA 系統(tǒng)的運(yùn)行流程主要由三個(gè)階段構(gòu)成，流程是先進(jìn)行遠(yuǎn)端現(xiàn)場采集，再通過中間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，在近端監(jiān)控中心進(jìn)行調(diào)度和管理，SCADA 系統(tǒng)的具體運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 長輸油氣場站SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.在遠(yuǎn)端現(xiàn)場安裝有各類的工業(yè)傳感器和智能儀表，其主要任務(wù)是采集SCADA 系統(tǒng)中所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過匯總分析后上傳至系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行分析。如天然氣管道壓力、管道溫度、環(huán)境濕度、天然氣流量、氣體濃度和開關(guān)閥門的狀態(tài)等信息。

2.各類現(xiàn)場數(shù)據(jù)需要被上傳到SCADA 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的服務(wù)器當(dāng)中，經(jīng)分析篩選后再存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，并且提供儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮適當(dāng)冗余，該部分主要是以互聯(lián)網(wǎng)和VPN專用虛擬網(wǎng)絡(luò)的方式通訊。

3.長輸氣場站SCADA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚中心為近端監(jiān)控中心，發(fā)揮管理和調(diào)度的功能。現(xiàn)場值班的工作人員能通過HMI 人機(jī)界面查看工藝現(xiàn)場的情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)行情況，經(jīng)系統(tǒng)分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，根據(jù)企業(yè)管理和調(diào)度的要求，發(fā)送控制指令到現(xiàn)場的PLC 等執(zhí)行機(jī)構(gòu)處進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)集中管理目的，如打開關(guān)閉閥門、調(diào)節(jié)溫度和控制流量等功能。

4 結(jié)語

本文首先針對(duì)SCADA 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和應(yīng)用情況展開介紹，再者通過系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行流暢幾個(gè)方面對(duì)SCADA 系統(tǒng)如何在長輸氣場站中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述。最后，以近端監(jiān)控中心、中間傳輸網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)端現(xiàn)場采集三個(gè)部分組成了能對(duì)長輸油氣場站進(jìn)行全天候監(jiān)控和管理的SCADA 系統(tǒng)。長輸油氣場站的SCADA 系統(tǒng)將通信技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，在遠(yuǎn)端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，中間利用VPN 專用虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，近端設(shè)置了監(jiān)控中心進(jìn)行管理調(diào)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了天然氣企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)智能高效和安全穩(wěn)定的目的。