SCADA系統在沙特SWCC輸水項目中的應用

葉 強，申榮春

（中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇 揚州 225009）

0 引 言

目前，儀表自動化系統發展方向是儀表數字化、先進控制軟件技術實用化、計算機網絡化以及發展計算機監督控制和數據采集系統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA），以適應石油、化工工業發展的需要，取得更大的經濟效益。監控和數據采集系統（SCADA）在國內外已得到廣泛的應用，取得了明顯的經濟效益。

SWCC一直是中石化石油工程建設有限公司發展沙特業務的重點公司之一，本項目的實施對提升中石化石油工程建設有限公司在海外業務拓展上有著重要的影響意義。

1 SWCC輸水管道工藝及控制要求

1.1 SWCC輸水管道工藝

沙特SWCC輸水項目約有200 km的輸水管道線路工程、水泵站及配套的附屬設備、同溝敷設的光纜通信系統及陰保系統、控制中心。沙特SWCC輸水項目輸水管道最大設計輸量為604 000 m/d，設計壓力最大為75 barg，線路全長約200 km，線路采用多級泵站加壓輸水工藝。沿途設PS1-C首泵站、PS2-C加壓泵站，OWT1、OWT2緩沖站及高端蓄水站（帶加氯消毒功能），4座電動截斷閥室，3處陰極保護深井。輸水起點設在沙特西海岸鹽步市的海水淡化工廠，末站設在沙特圣城麥地那的MOWE凈化水廠。

1.2 SWCC輸水控制要求

本項目自動控制系統包括計算機控制系統和遠程控制儀表。自動控制系統的要求是確保輸水系統安全、可靠、平穩、高效、經濟節能地運行。中央控制中心和場站控制室的調度及操作人員通過操作工作站計算機就可以掌控泵站系統及管道系統工藝過程的壓力、溫度、水質、流量、設備運行狀態等信息，同時又可以檢測各分系統的運行狀況，實現對各個站場和全線管道的運行管理及監控。

各分站控制系統將完成對該站的數據采集、過程控制、聯鎖保護等工作，并為中央控制中心提供相關數據，反饋和執行中央控制室發出的動作指令。

2 SWCC輸水管道SCADA系統設計

2.1 SCADA系統控制模式

本項目采用的是日本橫河機電設計生產的FAST/TOOLSSCADA系統，該產品具有開放式軟件結構，支持多個操作系統；高性能和大容量，緊湊、高效的FAST/TOOLS結構意味著無需使用獨立的服務器處理報警、實時數據、歷史或任何其他SCADA功能；廣泛的擴展性，單個服務器最多支持1 600萬點的數據庫容量；非常適合應用在沙特SWCC這種大型綜合輸水項目控制系統。

SCADA系統采用多級控制方式，一般由中央控制中心、站控系統及遠程終端裝置構成。SCADA系統對各站實施遠距離的數據采集、監視控制、安全保護和統一運行管理。中央控制中心可向各站控制系統發出操作指令，由站控系統完成控制命令；中央控制中心通過通信系統實現資源共享、信息的實時采集和集中處理。全線采用中央控制級，在正常情況下，日常的輸水工作都在中央控制中心的監視和控制下進行，沿線場站無需在人工操作下進行自動化控制。對此擬展開論述如下。

（1）站場控制級。通過站控系統對站內工藝變量及設備運行狀態進行數據采集、監控及聯鎖保護。在無人值守的OWT1、OWT2緩沖站經中央控制室的授權，可以對站場進行授權范圍內的操作。當通信系統發生故障或者系統檢修時，通過站控系統對各站實施監控與控制。

（2）單元控制。操作人員監視和控制現場的儀表、閥門和泵，通過每個單元控制系統的觸摸屏加以調控只有在中央控制和場站控制通信出現問題或者得到授權才可以進行單元控制。

（3）就地控制。站內運行人員完全進行手動操作，需要通過讀寫現場變送器的數據，轉動機械開關或者按鈕來維持輸水系統運行。當系統進行設備維修或者遇到緊急情況下，才會采用就地控制模式。

2.2 SCADA系統結構

中央控制中心是沙特SWCC輸水SCADA系統的中樞，是生產運行的最高監控和操作平臺，實現對沿線泵站與場站現場生產數據與運行狀態的監管及控制，并可執行場站和管線的實時數據采集、數據處理及生成生產報表等指令。整個系統中的所有服務器都采用了熱冗余技術，確保當個別服務器出現故障或維修時，自動切換至備用設備，不影響系統的輸水功能，提高場站安全運行的可靠性。

沙特SWCC輸水項目中主要通信媒介是采用同溝敷設的72芯光纜和沙特STC通信公司的公共網絡。數據交換是使用標準工業以太網，通過路由器及交換機實現中央控制中心與各分站的直接通信。

圖1為SWCC項目SCADA系統框架圖，包括中央控制室的服務器配置情況，如操作師站用于日常監控系統運行，工程師站用于工程師更新系統組態或更改系統控制邏輯中的個別參數，提高SCADA系統的控制性能。每個站控服務器在位置上劃分區別，但又在邏輯控制上作為一個獨立整體，既可以統一部署實時數據采集、發送的工作任務，又可以根據場站的具體情況獨立實現監視控制作用。

圖1 SWCC輸水SCADA系統框架圖Fig.1 SCADA system diagram of SWCC water delivery project

沙特SWCC輸水SCADA系統中的通信包含3種方式：內部通信、與I/O設備通信及外界通信。用戶與服務器直接以及服務器直接的通信主要是請求式，設備驅動程序與I/O設備通信大部分也采用請求式，由于輸水場站在沙特屬于重要的安全場所，安全級別較高，為防止他人誤操作或者蓄意破壞現在設備，所以采用請求式，只有得到授權的操作才是被允許了，從而提高了整個輸水的安全可靠性。圖2為SWCC輸水管道通信系統結構圖。

圖2 SWCC輸水通信系統結構圖Fig.2 Communication system structure diagram of SWCC water delivery project

3 SWCC輸水管道SCADA系統功能實現

以中央控制中心為例，其主要實現功能是根據工藝流程和工藝設備的控制要求而被開發編制組態的，包括每個工藝設備的動作及時序，以及各種邏輯聯鎖保護功能。系統主要功能如下：

（1）工藝流程。系統研發的工藝流程圖畫面中顯示了沙特SWCC輸水項目的所有泵站和終端站及全部管線的當前狀態，主要的參數為進出場站的水流量、水壓力、場站蓄水量及水溫度。操作人員可以通過設置在中央控制室的液晶顯示器上，掌握整個輸水系統中，各個重要場站的信息，提高了工作效率。

（2）控制流程。圖3為控制流程圖主畫面，其中顯示了大罐、液壓控制閥、泵的當前狀態及現場儀表變送器的當前反饋數值。點擊控制界面的圖標，會彈出相應的控制面板進行控制。

圖3 SWCC項目系統控制流程圖Fig.3 System control diagram of SWCC water delivery project

（3）操作界面。圖4為PS1-C站場各子系統顯示集成的操作界面，通過點擊相對于的圖標可以了解相關分系統的狀態以及當前數據。比如，泵冷卻水系統的切換、泵的啟停狀態、電氣系統的輸出狀態、UPS處于充電還是放電過程、緩沖罐空壓機防水擊系統是否具備投入條件等。同時又可以通過畫面顏色的變化，得知模擬量或者數字量數據是否在正常工作范圍。系統對關鍵的數據設定了高報、高高報、低報、低低報警，當某一參數超出范圍值，就會出現閃爍的報警畫面，同時伴有刺耳的警報聲。此外還有趨勢曲線圖、歷史曲線圖，都可以根據現在的實際需要調整曲線顯示類型、時間長度和時間間隔等。自動生產報表，每2 h采集記錄一次場站內控制系統的數據，參數包括管道壓力、溫度等，并以Excel形式通過打印機打印出來，每天定時打印。

圖4 PS1-C場站操作界面圖Fig.4 Operation interface diagram of PS1-C station

（4）泵系統監視控制畫面。圖5為泵系統控制畫面。泵系統作為整個輸水項目核心設備，關系著項目的安全和經濟效益，所以對泵的監視與控制是運行團隊的首要任務，除了前文描述的聯鎖保護控制以外，還增加了ESD系統。ESD系統是當泵系統出現緊急情況可以及時切斷系統，能最大程度地保護人員安全和設備安全。操作員可以用手觸發ESD系統，按鈕分別設置在控制室和泵房的門口。

圖5 PS1-C泵系統控制畫面Fig.5 Pump operation screen of PS1-C station

4 結束語

沙特SWCC輸水管道項目SCADA系統的應用，實現了輸水管線的自動化建設。該系統的應用，使得管線及沿線場站的工藝生產數據可以實時采集并發送給工作人員，對現場的電氣儀表設備進行實時監控與控制，通過網絡系統可以對遠程場站進行分析、控制與管理。自動化是現代工業的重要標志，SWCC項目的高度自動化技術應用，能夠提高生產效率，降低人力人本，方便企業管理決策，在確保安全輸水中起到了極其重要的作用。