管道SCADA系統設計建設關鍵技術應用分析

張宏亮 孫文湞 王大為 孫海芳 李朝輝

（1. 國家管網集團西南管道有限責任公司蘭州輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730060；2. 國家管網集團西南管道有限責任公司南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530000；3. 國家管網集團北方管道有限責任公司長春輸油氣分公司，吉林 長春 130000；4. 中油國際管道有限公司中哈天然氣管道項目，北京 100029）

0 引言

隨著國民經濟對油氣需求增長，“十四五”是我國長輸管道新的發展時期[1]。我國已形成覆蓋全國的油氣管網，初步建成管道集中調控管理模式。隨著新建管道互聯，對管道運行控制理念和技術提出更高要求[2]，體現在提高SCADA系統穩定性、安全性和兼容性，優化管道運行技術和仿真模擬技術等。數據采集與監視控制系統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）是計算機與網絡為基礎，實現輸送工藝自動化控制和集中調度控制。SCADA系統是管道核心競爭力體現，在降低人為操作失誤避免安全事故、提高工作效率和降低運營成本方面發揮重要作用。SCADA系統廣泛應用于石化、水力、冶金和電力行業。分析長輸管道SCADA系統設計建設的基本原則和要素，以及管道集中調控在自動化控制、通信、硬件設備和報警等關鍵技術應用情況。針對管道調控技術發展趨勢、熱點和前景進行了展望。

1 國內SCADA系統功能和控制模式

SCADA系統組成是站控系統（Stating Control System，SCS）、調控中心（Dispatch and Control Center，DCC）和通信系統，通過采集管道運行數據，傳送至調控中心，實現對管道、閥室、設備監控和控制，并進行設備參數測量、調節以及信號報警。SCADA系統基本功能包括：

站場關閉和啟動；遠程控制調節計量分輸站壓力、流量；遠程控制調壓系統、計量回路優先級、管路切換；閥門啟停；遠程ESD命令觸發；遠程設定組分；時鐘同步；RTU閥室監控。

SCADA系統控制模式分為三種，調度控制中心是一級控制級，站控系統控制和就地手動控制。正常情況下采用調控中心集中控制模式，經調控中心授權或通訊系統故障，采用站控系統控制；如設備檢修或事故狀態下，采用就地控制。調控中心與站控控制權聯鎖具有唯一性，調控中心自動獲取控制權，可授權站控控制權。站控系統向調控中心申請控制權，經批準切換到站控級。站控系統控制模式調控中心只監視站場，調控中心發出ESD命令仍有效。調控中心與站控系統實行通信通斷監測，中斷時間超過60s，站控系統自動獲得控制權。

2 SCADA系統設計建設關鍵技術

2.1 操作控制原則

管道控制系統設計核心是操作控制原則，管道控制系統水平取決于操作控制原則的廣度、有效性和時效性。SCADA系統是管道操作控制原則的實現工具和手段，管道操作控制原則范疇決定了SCADA系統對管道管理的廣度和深度，管道操作控制原則包括管道正常運行時安全、可靠、經濟效益最大化，以及管道失效或緊急事故時應急預案合理、有效。因此，廣義的SCADA系統不是單一的設備控制管理系統，而是多功能、綜合性的管道運行管理與監控系統，包括對管道運行過程監測、控制、模擬、分析、預測、計劃、調度和優化并對管道線路及設備狀態進行診斷并采取保護措施。

對標國外管道企業（以加拿大Enbridge公司），我國與國外管道行業差距體現在SCADA系統遠程控制的廣度和深度。國內SCADA系統操作控制原則側重工藝設備自動化控制和流程切換，Enbridge公司強調對整個管道系統的操作控制，包括管道運營理念、設計基礎、輸送工藝、操作控制指令以及管道保護維護等，遠遠超出管道自動化控制的范疇。Enbridge公司在工程設計標準規范中制定了《Operating & Maintenance Procedures-Pipeline/管道操作維護程序》、《Operations-Control Center/控制中心運行》等技術手冊。我國還未制定管道操作控制原則的相關標準，表現為管道企業SCADA系統實現功能的差異性。為進一步發揮SACDA系統在管道生產運行中發揮作用程度，應深入理解和擴展管道操作控制原則涵義及內涵。

2.2 主備控制中心冗余設計

為預防突發事件，采用主備控制中心模式，實現緊急情況下監控功能備用切換。主備控制中心在軟硬件和通信鏈路完全獨立，自動實現信息交換和數據庫同步更新，通過安全閉鎖功能認證實現管道控制權切換，保證控制權唯一性。調度控制中心的服務器、局域網、通信接口以及站控系統的主板、局域網、通信接口采用冗余熱備方式以增強可靠性，如某個設備發生故障，冗余熱備自動實現無擾切換，設備內存儲數據自動進行保存。站控系統SCS中的ESD系統采用相對獨立的控制設備，按照國際標準IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全系統的功能安全》進行故障安全型設計，提高緊急關斷的可靠性。

2.3 硬件設備

SCADA系統軟硬件設備符合國際標準的協議，例如MODBUS、CIP、IEC104、ODBC、OPC，硬件設備基于開放的標準化和模塊化設計，具備良好適應性和擴展性，實現管理信息系統和過程信息系統的信息交互，也解決新建管道建設和功能擴展，例如SCADA系統可與地理信息系統進行數據交互，提供良好的數據開放性，從而實現管道泄漏和報警信息精準定位。

2.4 網絡通訊系統

調控中心和站控系統采用一主一備通信通道，主通訊采用光纖，備用通訊租用公網或衛星。新建長輸管道時同溝敷設光纜，用于實時傳輸管道運行數據和信號，可通過平滑升級和擴容，滿足未來業務需求。調控中心與站控系統的通信速率64kbps，調控中心與RTU閥室、清管站的通信速率19.2kbps。應保證數據傳輸的安全性和可靠性，數據傳輸誤碼率低于10-6，管道全線數據采集小于10s，通信掃描間隔滿足管存負荷、泄漏檢測和運行管理的需求。近年來新建管道通信采用國際先進的是智能波分技術，與以往通信網絡相比具有結構優化、傳輸效率高的特點。

應考慮通信系統除給SCADA系統提供鏈路通道，還應為工業監視電視、視頻會議、自動化辦公系統、程控電話提供鏈路通道。應設計提供統一的全局網絡規劃，制定路由策略，保證SACDA系統數據傳輸的穩定性。國內管道站控系統PLC和ESD系統采用MODBUS通訊網絡，可以直接自由進行數據通訊，并保證主機架和遠程機架的信息實時交換。PLC和ESD系統通訊采用TCP/IP以太網的網絡架構，保證快速、可靠穩定運行。

2.5 人機界面

人機界面是操作人員的窗口，應體現高效、簡潔和實用的功能。管道輸送工藝信息盡可能集成到SCADA系統HMI畫面，包括管道系統配置圖（工藝流程）、壓力坡降圖（含管道高程）、邏輯控制過程、通信鏈路狀態、全線實時流量、站場進出站壓力/溫度參數和報警組態顯示等。

2.6 報警級別劃分

報警信息應有效準確，報警等級、分組層次清楚，包括識別通訊中斷、工況轉換等復雜情形，并考慮特殊聲光報警等，實現報警過濾，避免“報警風暴”。報警信息應在流程圖上單點顯示，包括名稱標簽（位號）、地理位置、數值、時間、事件描述。

2.7 PLC邏輯編程

邏輯圖是操作控制原則的直接表現形式。PLC和ESD程序設計應完全符合邏輯框圖，并體現控制原理的有效、可靠原則，例如輸氣管道PID自動調節邏輯程序是接受壓力數據與設定值進行比較，根據差值自動調節輸出信號，由PLC系統輸出至壓力調節系統，控制調節閥開度，調整管道流量。考慮未來發展、整合和擴展，確定SCADA系統數據庫字符標簽長度，結合儀表位號。前2位標識管道名稱；第3位標識干線、支線；4-6位表示站場名稱；后幾位表示儀表回路。

3 管道SCADA系統應用存在問題

國內SCADA系統在控制水平，特別是遠程控制的深度和廣度，與歐美管道行業存在較大差距。國內長輸管道設計按照“有人值守、無人操作”指導思想，即在調度控制中心指揮下，管道沿線站場SCS和RTU閥室完成監控和操作。但受到諸多客觀因素，管道生產運行不能全部通過遠程控制操作。

從SCADA系統維護方面，長輸管道SCADA系統軟件平臺是國外廠家研發。國內管道SCADA系統由專業公司設計建設，管道企業技術人員參與程度低，后期運維多委托專業公司，對管道生產運行造成不便，且增加運行成本。從SCADA設備接口方面，站場部分調壓撬、壓縮機系統屬于不同廠家或軟件平臺，其運行參數接入SCADA系統實現控制操作，在時效性和穩定性存在不足。

SCADA系統網絡安全風險表現在：缺乏完善系統的網絡策略和安全管理程序，缺乏綜合性物理防護措施和訪問控制策略；廣泛使用TCP/IP，對工控網絡安全性、可靠性的風險；中控機、站控機采用Windows平臺未安裝補丁，病毒入侵、擴散等；網絡系統內部相互干擾、攻擊事件追溯。

4 結語

我國管道SCADA系統技術屬于世界先進行列，SCADA系統設備國產化、光纖通信系統、仿真優化技術進步顯著，為管道安全運行和節能增效提供了技術保障。隨著中俄東線等大型天然氣管道工程建設，SCADA系統設計、建設、測試、驗收需要完善標準規范。建議制定SCADA系統設計建設標準，研發具有知識產權的國內SCADA系統軟件平臺，打破國外軟件壟斷，降低運營成本。此外應考慮SCADA系統設計的深度和廣度，充分考慮在運行控制和安全管理方面的功能。

未來研究應用重點是以SCADA系統研發為基礎，融合模糊邏輯控制、遺傳神經網絡及專家系統，推進管道智能化調控。在油氣資源配置方面，應用系統工程理論解決區域間資源優化調配、供需平衡和管網系統配置優化。在信息化方面，充分挖掘和積累運行數據，形成集群優勢，推進大數據技術提高管道精細化控制水平。