中哈天然氣管道SCADA 中心控制技術的實現

邱昌勝

（中國石油中油國際管道公司）

當前自動化技術的發展趨勢是網絡化、集成化和智能化，它與計算機、信息技術的融合和創新，已經發展到對運行設備故障的在線監測與控制，設備之間的協調控制與聯鎖保護及廠級管理決策與控制等。 工業控制系統大多是以通用計算機網絡為基礎，以自動控制技術、數據通信技術、圖像顯示技術為一體的綜合性系統裝置。 長輸天然氣管道的特點是運行距離長，管道敷設的地理條件復雜，站點也比較分散。 管道的生產運行一般包括壓縮機站場、遠程截斷閥室及計量站等運行站點， 而對于多個管道并行的長輸天然氣管道，其運行工藝相對比較復雜，根據工藝或運行能耗管理等生產運行需求，一般包括對各個管道之間的氣體進行調配［1，2］、站場壓縮機的運行優化等［3］。

長輸天然氣管道在建設設計時，一般都遵循“遠程控制，無人值守”的原則，因此對于站場和調控中心的數據采集與監視控制（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系統都采用了比較高的技術標準，例如SCADA網絡配置［4～6］、SCADA系統 冗 余［7］、壓 縮 機遠程 控 制［8］及 壓 縮 機站場的遠程啟停等，這對于生產運行能夠實現調控中心控制提供了硬件基礎。 但由于一般設計階段在前期，在一定時間的施工建設后，當初的設計條件會有很大的變化，因而，在實際投入生產運行后， 會有許多生產運行條件與設計不符，如天然氣輸量變化、現場設備型號的改變等。 生產運行部門也會結合現場的運行和生產環境，不斷提出新的生產功能需求，需要對原有調控中心的功能進行擴充和增強。 因此，長輸天然氣管道的調控中心控制方案是隨著生產運行環境的改變而不斷進行優化的。 調控中心SCADA系統實現全管道的運行參數監控、 運行設備的啟停控制等，因此，對于SCADA網絡必須保證其安全性，免受外界惡意攻擊，這也是實現中心控制方案必須考慮的重要因素。

1 中心控制方案的論證

長輸天然氣管道的中心控制首先需要實現各管道運行站點，包括壓縮機站場、管道截斷閥室等運行站點的設備的遠程控制，能夠實現在調控中心對壓縮機組的啟停、閥門的開關及風扇的開啟等進行遠程操作，同時還需要能夠及時獲得工藝和設備運行參數以及報警信息，以便保證生產的安全平穩運行，并可及時優化調整管道運行模式，提高管道的運行效率。 管道SCADA系統負責全線設備和工藝運行參數的數據收集，并對現場運行設備進行遠程操作， 實現對整個管道運行的監控。 調控中心作為整條管道生產運行的核心部分，負責實現管道生產運行的中心控制。長輸天然氣管道的運行控制模式一般分為三級：中心控制、站場控制和就地控制。 在管道正常運行的情況下， 調控中心的控制屬于最高權限的控制模式，當處于中心控制模式時，站場沒有生產運行的控制權； 當調控中心因為某些原因不能正常工作時，站場就具有了控制權限；而就地控制負責站場設備單體的現場操作， 一般只在設備不具備遠程操作功能或設備維護時。因而，調控中心的SCADA系統必須運行穩定、控制功能平穩可靠，且要求具備在災難、事故等嚴重情況下的系統備用功能。另外，天然氣管道的調控中心一般不在生產運行現場， 與現場的通信主要是依靠管道的伴行光纜或租賃的衛星系統，因此，通信系統也就必須要求可靠性高且系統數據安全。

1.1 SCADA系統通信網絡方案

長輸管道SCADA網絡是專為天然氣管道生產運行而建設的工業控制專用網絡，同樣也是基于TCP/IP網絡協議， 在網絡規劃中主要包括截斷閥室局域網、站場控制局域網和調控中心局域網3個子網結構， 各控制局域網絡通過管道伴行敷設的光纖和租賃衛星建立物理鏈路，實現整個長輸天然氣管道的網絡結構架設。 在正常的生產運行中，光纖作為主通信鏈路，其通信帶寬、傳輸速率及安全性等能夠得到很好的保證，而當發生光纖中斷、光纖設備故障等無法實現通信時，需要自動切換到衛星通信，作為SCADA系統的通信鏈路，這樣才能夠保證調控中心能夠不間斷地與現場各站點實時通信。 當光纖通信恢復正常后，再自動由衛星通信切換到光纖通信。 因此，天然氣管道要實現調控中心控制，網絡的鏈路冗余必須得到合理的配置。

在截斷閥室局域網、站場控制局域網和調控中心局域網的網絡劃分上， 采用星型網絡結構，將SCADA網絡做出多個層級的網絡劃分，同時在此基礎上可以設置網絡通信鏈路的多重冗余保護機制，不會因為其中一條鏈路故障導致該局域網通信的中斷， 或影響其他局域網的正常通信，保證了SCADA網絡的穩定性和可靠性。 另外，為網絡故障排查和維護提供了便捷，當發生網絡故障時，可以在線對該局域網進行隔離，便于快速查找故障點，加強了SCADA網絡的可維護性。 圖1所示為SCADA網絡架構，各個網絡之間互為備用路由，此網絡架構增強了SCADA網絡的安全性和可靠性。

圖1 SCADA網絡架構

1.2 SCADA系統運行安全方案

調控中心SCADA系統的建設是實現長輸天然氣管道中心控制的核心部分，是長輸天然氣管道安全平穩運行的保障，對于調控中心的SCADA系統的運行必須能夠長時間、連續無擾動，且要求系統運行故障率低， 一旦發生系統或設備故障，系統能夠快速檢測和恢復，或者無擾動地切換到相應的冗余或備用系統。 因此， 調控中心SCADA系統必須具備系統或設備冗余、 故障自檢、通信通道自動檢測、冗余系統/設備自動切換等安全保護功能，能夠提高SCADA系統自身的魯棒性。 在結合現有通信設備、站控SCADA系統等應用中，對于調控中心SCADA系統采用了分層多級冗余設計（圖2）。

圖2 調控中心SCADA系統多層冗余結構

SCADA 系統的熱機冗余備份，是基本的SCADA系統容錯的解決方案。 在主調控中心，兩臺SCADA服務器通過心跳協議等方式實現雙機的冗余備份，兩臺服務器用以太網直連，在同一時刻，只有一臺服務器為主服務器，取得系統的控制權，主要的監控參數和系統配置數據由主服務器同步給備份服務器， 當主服務器發生故障時，把控制權交給備份服務器，主服務器停止運行， 備份服務器作為主服務器接管系統的控制權。 故障服務器可以離線進行故障排查，當故障排除后，該服務器可以再次在線，作為備份服務器加入到運行系統中。 雙機熱備的解決方案在很大程度上依賴于SCADA系統軟件本身的功能，每個SCADA系統開發廠家的配置方式可能有所區別，但這項功能是必備的。

當然，雙機熱備冗余只是SCADA系統本身的容錯功能，如果控制中心遇到災難性事故，如地震、火災等時，原先的調控中心的設備和系統受到不可恢復的破壞時，就需要另一套系統進行控制權的切換，因此，長輸天然氣管道都建設有應急調控中心或備用調控中心，建立的地點與主調控中心一樣，在自然條件相對較好的地方。 當主調控中心發生上述災難時，備用調控中心將承擔起全管線的生產運行和運行參數的監控功能。 在生產正常運行時，備用調控中心的SCADA系統只是同步主調控中心SCADA的數據，不具備現場設備的操控功能，僅具有存儲歷史數據、報警等有限功能。 另外， 當現場控制網絡與主調控中心SCADA系統的通信發生故障時，備用調控中心也可以接管全管線的控制功能。

實現了SCADA系統冗余和調控中心應急備用后，系統的數據存儲和系統軟件備份也是比較重要的環節，對系統軟件運行平臺、歷史數據、事件的存儲可以在系統或設備崩潰之后，對SCADA系統的運行環境快速還原，恢復原有系統。

1.3 SCADA系統遠程控制方案

長輸天然氣管道的調控中心，需要對現場的所有設備能夠進行啟停等操作，對于第三方設備本身的控制系統要具有遠程接口，能夠與SCADA系統進行數據交換， 配合工業電視的畫面監控，實現所有設備的遠程操作。 長輸天然氣管道的運行，必須實現壓縮機站場的調控中心遠程控制和截斷閥室遠程控制，包括壓縮機組的啟停、閥門的開關等。

站場壓縮機組的遠程控制是實現站場中心控制的核心。 壓縮機組的控制可以分為就地控制模式和遠程控制模式，對于中心控制而言，必須實現壓縮機組的遠程控制模式。 遠程控制模式可以實現對站場多臺壓縮機組的負荷分配操作，通過SCADA控制界面， 設置站場的出入口壓力，多臺機組按照既定的邏輯運行，使每臺機組達到負載平衡，起到優化機組運行效果的目的，并使每臺壓縮機的喘振裕量相當。 由于壓縮機組配套有本機組的控制系統，因此需要SCADA系統與機組控制系統進行數據交換，一些機組運行的重要參數必須上傳到SCADA系統中，對于壓縮機組的控制信號，例如壓縮機啟停命令、轉速升降命令、出入口壓力設定值等，則必須用硬接線的方式實現SCADA系統與機組控制系統的連接，同時將壓縮機組運行的重要參數上傳到SCADA系統，以HMI畫面進行顯示。 對于重要的報警信息，可以采用彈框的形式提示操作人員。

對于站場其他區域的控制， 如過濾分離區、空冷區等，可以按照設計的控制邏輯，用SCADA控制器編程的方式實現區域的自動運行。 同時，對于重要設備，如發電機、空壓機等，則需要將重要數據上傳到SCADA系統。

線路截斷閥室的控制，只針對配置有遠程控制終端的閥室，對于沒有配置遠程控制終端的閥室可以采取改造增加相應設備的方式實現。

2 中心控制方案的應用

中哈天然氣管道項目在哈薩克斯坦共和國國境內單管長1 300多公里，由A線、B線和C線3條管道組成， 共有13座壓縮機站、2座計量站和184座截斷閥室，調控中心位于阿拉木圖市，負責全線管道的生產運行監控。 由于哈薩克斯坦共和國國內管道運行環境的限制，在運行初期，調控中心只負責管道全線的運行數據采集和監視，站場負責生產運行控制和臨近閥室的監控。 為了實現建設世界先進水平管道的目標，需將站場控制轉為中心控制模式，結合國內外天然氣管道中心控制的先進技術和運行經驗，制定了一套科學可行的中心控制方案并得到了實際應用，大幅提高了天然氣管網的運行效率。

2.1 通信網絡優化

中哈天然氣管道項目在A、B線管道建設期間，同步敷設了管道伴行光纖，通信主干接點設備使用的是華為的OSN 3500 SDH，主要負責A、B線站場和線路閥室的SCADA通信，同時也包括站場與項目總部的辦公網、工業監控電視及視頻會議系統等應用。 但隨著后續C線站場和閥室的陸續投用， 特別是站場控制轉中心控制后，SCADA系統需要占用更多的網絡通信資源，并且基于帶寬計算、遠程診斷等信息化平臺建設，帶寬不足以支持新業務，原有的通信系統不能滿足生產要求。因此，項目根據需要對原有的SDH系統進行改造，使用了密集波分復用（DWDM）技術對原有的SDH系統進行更換，DWDM是一種主流的通信技術，與原有的SDH相比，DWDM具有更好的可擴展性，能夠滿足未來的擴容需求。 DWDM系統的最大帶寬可以達到400 Gbit/s，更換后的DWDM系統帶寬為20 Gbit/s，未來可靈活擴展，將現有的SDHSTM-16接口升級到10GE，帶寬從2.5 Gbit/s提高到20 Gbit/s。 并且將現有的SCADA系統帶寬進行了大幅度的拓寬，滿足了SCADA系統大數據量的要求。

對原有的SCADA控制網絡的截斷閥室網絡、站場局域網和調控中心網絡進行了分層冗余劃分，如果其中一個閥室的通信發生故障，則可以通過相近閥室的通信路由實現數據上傳，實現了SCADA通信路由的冗余， 保證通信的穩定性。由于傳輸網光纖長度長，布署在不利環境（如高低溫、強風、漏水，甚至人為因素等）中，容易發生變質和破損，因此快速定位光纖斷裂位置非常重要，否則會使光纖通信恢復時間延長，帶來巨大的安全隱患和財產損失。 長周期光纖監測成為光網絡運維的基本要求。 項目因此配置了光纖診斷系統，該系統根據傳輸網絡上的光纖特性提供光纖測試和光纖監控，實現了對全網光纖進行7×24 h監控，有助于發現光纖惡化的趨勢，準確定位故障并立即發送調度指令，提高光纖網絡維護的效率。

2.2 SCADA系統安全策略

中哈天然氣管道項目的SCADA系統使用的是SCADAVantage軟件系統，分別在壓縮機站和調控中心布署，現場可編程控制器等硬件使用的是800Xa系列，控制器等硬件實現了冗余，緊急停車系統使用了通過SIL3認證的軟硬件系統。

調控中心的SCADA系統采用雙機熱備冗余方式，保證SCADA系統運行的穩定性，其冗余是基于心跳協議。 而應用心跳協議的冗余SCADA服務器不依賴于通信系統診斷功能， 避免了由于SCADA系統和通信系統協議不兼容或通信延遲等通信質量不佳等原因，而無法實時對通信系統狀態進行監測的問題，很好地解決了站場SCADA和調控中心SCADA控制權的切換問題， 提高了SCADA系統自身的魯棒性。調控中心SCADA系統獲取數據的通信方式分為兩種：調控中心SCADA數據與站控SCADA系統利用數據庫復制的方式實現數據交換和調控中心SCADA系統直接與站場的硬件控制器進行數據交換。 在正常狀態下，利用第1種數據交換方式， 這種方式能保證站場SCADA系統與調控中心SCADA系統的數據保持高度一致，包括歷史記錄等。 當站場SCADA系統出現故障時，調控中心SCADA系統會自動切換到與硬件控制器之間通信，保證了SCADA系統的穩定性。

同時， 在現場的7號壓縮機站場還配置了備用調控中心，備用調控中心的SCADA系統也是采取了雙機冗余備用，在正常工作情況下，備用調控中心只與主調控中心進行數據交換，沒有任何控制權， 不能進行站場遠程設備的啟停等操作，只有當主調控中心SCADA系統不能工作時，可以手動切到備用調控中心SCADA系統，此時，備用調控中心具有管道運行的控制權，可以進行現場設備遠程啟停等操作。 也可先設置好條件，當滿足設置條件時，管道運行控制權可以自動切換到備用調控中心。

2.3 完善數據上傳

為了在調控中心能夠更好地監控現場設備的運行狀態，需要對各設備本身控制系統的數據和通信接口進行擴展，如果無法實現重要數據的上傳， 調控中心就無法實現對遠程設備的操作。在長輸天然氣管道的壓縮機站場，最重要的就是對壓縮機組的遠程操作。 中哈天然氣管道項目經過技術攻關， 完成了壓縮機組綜合監控平臺，實現了壓縮機組全部參數上傳到調控中心。 同時調控中心經過努力，完成了壓縮機組負載平衡的功能測試，目前壓縮機組完全實現了遠程控制的功能。 同時，對于發電機組，完善和補充了重要數據的上傳。

對于站場的工藝流程，如過濾分離區、空冷區等區域，重新經過工藝流程優化，完成相關控制邏輯的修改，實現了各個工藝區域設備的遠程邏輯控制。

中哈天然氣管道項目的現場截斷閥室有部分閥室不具有遠程操作功能，因此，經過調研，確定了閥室改造方案，并進行技術改造，實現了遠程操作功能。

由于SCADA系統處于封閉的控制網絡，因而在長輸管道的現場對于管道實時數據的監控非常困難，而各專業技術人員如果需要實時監控設備的運行狀態，也必須接入到SCADA網絡，這樣會給SCADA控制網絡帶來風險，為此，開發出了基于WEB的長輸管道遠程監控系統。利用WEB的系統架構和網絡安全技術，實現了跨網絡數據訪問的服務， 同時也滿足了現場監控數據的要求。各專業技術人員也能夠實時監控現場設備，完善了調控中心控制的技術操控能力，使調控中心操作人員能夠專注于工藝調整和流程操作。而對于重要的監控數據，完成了各站場報警設定值的統一，完善報警提示功能，增加了重要報警的聲音報警，并對不同的設備報警采用不同的報警音提示。

3 結束語

中哈天然氣管道項目經過前期的技術方案研究和技術改造，已經實現了部分站場的調控中心控制，在實施中的一些技術方案和經驗也值得其他項目借鑒。 要實現調控中心控制，首先通信系統、SCADA系統必須滿足技術要求， 現場工藝信息傳達必須準確及時；其次對于人員素質也有一定的要求，調控中心人員必須能夠掌握壓縮機組等的運行特性和操作流程。