基于AB PLC的長輸油氣管道SCADA站控系統的實現

王 文

（國家管網集團公司北方管道有限責任公司長沙輸油氣分公司，湖南長沙 410006）

當前，我國長輸油氣管道基本采用先進的SCADA 系統實現全線自動化控制。本研究是圍繞管道自動化系統選用性能及可靠性都很高的美國A-B公司的ControlLogix 系列PLC，實現了對站場設備的控制及保護，完成工藝要求。本文從系統構成方面介紹了以AB PLC 為核心的SCADA 站控系統的組成。

1 油氣管道SCADA系統組成

長輸管道SCADA 系統以4C（Computer，Control，Communication，CRT）技術為基礎，主要由調控中心的中控系統（DCC）、輸油氣場站的站控系統（SCS）、通信系統（COMM）三部分構成，實現遙信、遙測、遙控和遙調的“四遙”功能。

2 站控系統SCS

站控系統由站控計算機、控制器（PLC 或RTU）及流量計算機等第三方智能設備組成。站控系統組成：硬件包括過程控制PLC 系統、安全儀表PLC 系統、操作員/工程師工作站、交換機、路由器、廣域網通信設備、單獨控制系統（壓縮機控制系統、爐控系統、計量系統）等。軟件包括操作系統、站控系統軟件、單獨控制系統后臺軟件。輸油氣站場內的各種工藝設備、工藝參數的采集、監視、控制、保護等全部由站控系統完成，可以說站控系統是整個SCADA 系統邏輯控制的主要承載體，如圖1所示。

圖1 典型站場站控系統配置圖

站控系統實現以下主要功能：

1）采集站內溫度、壓力、差壓、液位及閥位等信號。

2）經通信接口與第三方的監控系統或智能設備交換信息。

3）監控各種工藝設備的運行狀態。

4）對電力設備、陰極保護、可燃氣體的監視和報警。

5）壓力、流量的調節與控制。

6）邏輯控制與聯鎖保護。

7）緊急停車（ESD）。

8）為調度控制中心和后備控制中心提供有關數據。

9）接受并執行調度控制中心下達的命令等。

3 站控系統的PLC

PLC 是Programmable Logic Controller的縮寫，中文全稱為可編程邏輯控制器。它是一種專為在工業環境下應用而設計的計算機控制系統，采用可編程序的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數以及算術運 算等操作指令，并通過數字或模擬的輸入和輸出部件控制各 種類型的生產過程及生產設備。本文討論的是 AB（Allen Bradley）公司的ControlLogix 系列PLC，如圖2所示。

圖2 1AB PLC框架組成圖

4 基于PLC的站控系統設計與施工的總體思路

4.1 工藝設計

（1）通過發布初步設計，確定總的工藝和設備控制原則和自動化水平。

（2）SCADA 系統技術規格書。

（3）工藝及儀表控 制流程圖（P&ID）。

（4）監控I/O 點表。

（5）工藝及設備的操作原理，作為自動化專業編程的原則和基礎。

（6）根據工藝操作原理編制的邏輯圖，作為編程的指導文件。

4.2 實驗室編程與測試（含FAT和SAT）

（1）完成卡件排列表的編制、機柜集成圖的繪制。

（2）PLC 數據庫的分配及程序編制。

（3）上位機數據庫組態及畫面的繪制。

（4）成基礎測試內容、I/O 通道100%測試、控制邏輯模擬測試、全線保護/操作邏輯測試。

（5）進行PID 調試系統參數的整定，完成系統操作手冊的編制，配合工藝和設備的投產。

5 重要設計內容

5.1 工藝管道及儀表流程圖（P&ID）

可以獲得與SCADA 系統相關的如下信息：

（1）主要的工藝顯示參數數量，如壓力、溫度、液位等。

（2）主要的受控設備數量，如電動閥、調節閥、泵機組等。

（3）主要工藝參數及受控設備的信號走向。

（4）調節閥PID 調節參數。

（5）控制回路的聯鎖，如壓力保護停泵等。

5.2 工藝操作原理

可以獲得與站控系統相關的如下信息：

（1）管道系統總體控制目標和水平。

（2）各站場與調度控制中心之間傳輸的數據信息。

（3）SCADA 控制功能的劃分。

（4）各站場系統控制功能概述。

（5）管道系統的安全保護。

（6）各主要設備檢測參數和控制要求，如：輸油泵機組、遠控閥門、調節閥、流量計等。

（7）各站場主要工藝保護參數、站保護聯鎖功能、主要工藝操作、受控設備聯鎖操作等。

（8）管線全線運行操作，應急工況的處理（水擊超前保護、水擊決策表等）。

6 系統集成與測試

6.1 卡件排列表根據監控I/O點表

遵循以下原則進行排列：

（1）根據每個機架的槽數進行排列，如A4、A7、A17機架等；根據每個機架的槽數進行排列如機架等。

（2）每種I/O 類型的總點數應留有20%～30%的余量。

（3）對I/O 總點數及擴展機架數量的限制（AB規定為擴展機架 3、對I/O 總點數及擴展機架數量的限制（AB 規定為擴展機架不超過64個節點，一個機架所有DI 或DO 算一個節點，AI、AO 等各站一個節點、MSG 指令也占一個節點）。

（4）以太網通訊模塊應與處理器模塊共同排列在同一機架上。

（5）同一設備的反饋點或命令點應連續。

6.2 機柜集成

主要針對PLC 機柜柜內的接線進行布置，包括以下一些資料：

（1）機柜布置圖，該圖紙包括對機柜正面以及背面的機架、空開、端子、防浪涌、繼電器等設備進行布線的方式。

（1）模板接線原理圖，該圖一般需查詢PLC 產品的說明書。

（2）端子接線圖，該圖紙為每一個I/O 點的機柜內接線方式。

（3）回路供電端子接線圖，該圖主要針對I/O 回路供電進行規劃和分布。

6.3 PLC數據庫的建立

一份完整的PLC 數據庫應該包括數據點的歸類、編程位號、所在電纜號、功能描述、信號類型、I/O 類型、量程、單位、報警值設定、所在的I/O 通道情況、與上位機通信的地址位和其他信息的備注。

6.4 工廠測試驗收（FAT）

主要工作內容有：

（1）硬件/軟件設備檢查。

（2）上位機基本功能測試（系統啟停、用戶權限、歷史數據處理、時鐘同步、冗余切換等）。

（3）人機界面驗收（畫面完整性及功能測試）。

（4）PLC 機柜內設備檢查及冗余切換測試。

（5）程序結構檢查。

（6）I/O 通道100%連通性測試（包括DI、DO、AI、AO、RTD 等 為FAT 主要工作內容）。

（7）對模塊化編程后的程序模塊進行模擬測試。

（8）對水擊超前保護系統進行模擬聯調。

（9）對全線控制邏輯（如全線啟/停輸等）進行模擬聯調。

（10）完成FAT 記錄報告并由相關方面進行簽字確認（設計、建設及施工三方簽字）。

6.5 現場測試驗收（SAT）

主要工作內容有：

（1）PLC 機柜及柜內設備的現場驗收。

（2）PLC 程序結構驗收。

（3）數字量輸入回路測試（液位/流量/壓力開關、可燃氣體報警等）。

（4）數字量輸出回路測試（聲光報警等）。

（5）模擬量輸入回路測試（壓力、溫度、液位、流量、泵保護參數等，同時需與PLC 核對量程）。

（6）單體受控設備測試（風機、污油泵、電動閥、調節閥、泵機組等受控設備）。

（7）站控邏輯測試（包括泵切換、泵順序啟停、收發球、壓力保護停泵等）。

（8）PID 調節系統的參數整定（在正式投產后進行整定）。

（9）全線控制邏輯測試（全線啟停輸等）。

（10）全線水擊超前保護測試（事故甩泵、泵全停、干線閥門誤關等）。

（10）全線ESD 保護測試（進站ESD、進站壓力超高等）。

（12）完成SAT 記錄報告并由相關方面進行簽字確認（設計、監理、建設、施工及運行五方簽字）。

7 結束語

長輸油氣管道SCADA 的站控系統由以AB PLC控制器為核心，實現了輸油氣站場內的各種工藝設備、工藝參數的采集、監視、控制，可以說以PLC 為核心的站控系統是整個SCADA 系統邏輯控制的主要承載體，實現對整個生產過程的數據采集、監視與控制。