SCADA系統(tǒng)在天然氣輸氣管線中的應用

摘要：本文將以SCADA系統(tǒng)在安徽省天然氣蕪湖-銅陵支線工程的實際應用為案例，闡述了該系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、通信設(shè)計、SCADA控制中心及控制邏輯處理解決方案等內(nèi)容。通過該系統(tǒng)的應用，滿足了企業(yè)在條件有限的情況下，實現(xiàn)對安全生產(chǎn)與管理的需要。

關(guān)鍵字：SCADA RTU GPRS 雙信息中心 主/備控制中心

1、概述
安徽天然氣公司蕪湖－銅陵支線SCADA系統(tǒng)工程包括兩個工藝站控系統(tǒng)（蕪湖首站、銅陵末站），1個分輸站繁昌分輸站和五個線路截斷閥室組成，管線總長115公里。蕪湖首站具有天然氣過濾、計量和清管發(fā)送功能；銅陵末站具有天然氣過濾、計量、調(diào)壓和清管接收功能。蕪湖首站、銅陵末站設(shè)置的站控系統(tǒng)的管理可實現(xiàn)無人操作和有人值守水平，所有分輸和截斷閥室均為無人值守方式管理。
蕪湖首站、銅陵末站建設(shè)在城市邊緣，具備市電220VAC供電，而繁昌分輸站和所有截斷閥室均設(shè)在遠離城市的地區(qū)，不具備提供市電供電能力。工程設(shè)計過程中，由于考慮到工程建設(shè)和項目投資原因，系統(tǒng)沒有采用光纖等有線傳輸介質(zhì)，同時由于管線距離長、所處地理條件差等原因，無法采用自建無線網(wǎng)絡(luò)等條件，給系統(tǒng)的通信鏈路選擇帶來一定的困難。由于分輸站控和截斷閥室均設(shè)置在野外，沒有相應的保暖和降溫措施，在控制設(shè)備的選型上必須考慮相應的環(huán)境因素。
為了滿足整個管線的高效管理，并且保證整個系統(tǒng)的可靠運行，工程設(shè)計上采用了以蕪湖首站和銅陵末站為SCADA中心（即雙中心結(jié)構(gòu)），分輸站和截斷閥室作為無人值守的遠程控制終端，接受來自SCADA中心的控制指令和上傳實時生產(chǎn)工藝參數(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)場條件的限制，無法提供高效的有線通信介質(zhì)，要實現(xiàn)上述SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在較大的困難。
我們在結(jié)合現(xiàn)場條件、綜合考慮系統(tǒng)的特點，我們決定選擇以目前流行的GPRS/CDMA為通信介質(zhì)，采用獨有的雙信息中心技術(shù)為SCADA中心，并實現(xiàn)首站、末站通過GPRS/CDMA鏈路形成互為備份的SCADA中心結(jié)構(gòu)，采用先進的SCADA控制調(diào)度技術(shù)，實現(xiàn)對整個管線的高效可靠控制，使整個管線達到較高的自動化控制水平，并確保整個輸氣管線的高效穩(wěn)定運行。

2、系統(tǒng)選型
考慮到整個系統(tǒng)中，有一個分輸站和五個截斷閥室需要在野外環(huán)境下工作，雖然安徽地區(qū)的環(huán)境條件較好，但也存在極端低溫度在-10℃，極端高溫在40℃左右的情況，且由于閥室和分輸站為無人職守站，站場設(shè)計為封閉區(qū)域，區(qū)域內(nèi)安裝設(shè)備必須采用防爆能力（必須滿足Ex dIIBT4要求），若系統(tǒng)采用防爆結(jié)構(gòu)，外加室外極端高溫環(huán)境下，防爆機柜（整個控制系統(tǒng)采用具備ExdIIBT4要求的機柜）內(nèi)的實際運行溫度可能高達60℃，為了保證整個系統(tǒng)的可靠運行，分輸站和截斷閥室PLC/RTU必須滿足寬溫運行的條件工作，以達到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；由于分輸站和截斷閥室不具備市電供電條件，我們選用太陽能電池作為系統(tǒng)的工作電源。
常規(guī)PLC產(chǎn)品均是按0℃～55℃設(shè)計，超出設(shè)計工作環(huán)境很容易出現(xiàn)死機、無法正常啟動的故障，因此在產(chǎn)品選擇上，我們選擇以具備寬溫工作環(huán)境的高性價比作為選型依據(jù)。對比國內(nèi)外相應產(chǎn)品的特點和相應的性價比，我們的站控系統(tǒng)和截斷閥室選用了北京安控科技股份有限公司的RTU（Super32-L系列RTU）作為整個SCADA系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并配套RTU自有SCADA工作平臺ESpider作為SCADA中心平臺。

3、通信系統(tǒng)設(shè)計
基于蕪湖－銅陵輸氣管線現(xiàn)場的地理特點，并考慮到目前GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋較好，我們決定選用目前技術(shù)較為成熟先進的以GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的GPRS/CDMA數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。但由于要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的雙SCADA中心結(jié)構(gòu)，若采用普通的GPRS/CDMA（DTU）技術(shù)將很難實現(xiàn)，一般情況下，一個DTU(無人職守的分輸站和分輸閥室)只能響應一個數(shù)據(jù)中心的指令，并在正常工作過程中只能綁定一個數(shù)據(jù)中心的IP地址或域名，給我們實現(xiàn)雙中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)添加一道難題。
我們通過分析DTU的工作原理和整個通信系統(tǒng)的實現(xiàn)，實際DTU對是否采用單個數(shù)據(jù)中心或多個數(shù)據(jù)中心，是通過軟件來控制的。DTU在工作過程中，會采用每隔一定的時間向數(shù)據(jù)中心發(fā)送一定的數(shù)據(jù)（心跳包），告知數(shù)據(jù)中心DTU是否在線，數(shù)據(jù)中心將DTU發(fā)送過了的數(shù)據(jù)作為在線標志告知需要與DTU進行通信的數(shù)據(jù)終端，由數(shù)據(jù)終端再DTU在線的情況下向DTU發(fā)送數(shù)據(jù)通信命令，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)通信。
為了實現(xiàn)雙數(shù)據(jù)中心通信，實際只需要在軟件上做一下改動即可實現(xiàn)，因此我們通過和DTU廠商的溝通，通過修改DTU工作運行內(nèi)核軟件即實現(xiàn)了該功能。
由于DTU可以工作在多種工作模式，即SCADA中心采用具備靜態(tài)公網(wǎng)IP的通信服務器作為數(shù)據(jù)終端、通過域名解析方式或采用通信服務商提供的APN服務，我們根據(jù)現(xiàn)場條件，并對3種工作方式進行了對比，我們選用了由通信服務商提供的APN服務模式，該模式具備如下特點：
? 所有站點DTU均采用通信服務商采用移動(聯(lián)通)內(nèi)部分配的固定IP；
? 終端與服務器平臺之間采用端到端加密，可以避免信息傳輸中出現(xiàn)的泄密；
? 內(nèi)部設(shè)備采用端到端通信(IP到IP)，可以簡化SCADA平臺的通信驅(qū)動，勿需動態(tài)域名解析等服務，可以實現(xiàn)帶寬有效利用。
4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點
整個工程首末站控系統(tǒng)及繁昌分輸站采用安控科技的Super32 RTU實現(xiàn)現(xiàn)場工藝參數(shù)的監(jiān)控，所有閥室均采用安控科技低功耗RTU產(chǎn)品Super32一體化 RTU實現(xiàn)現(xiàn)場工藝的監(jiān)控。蕪湖首站、銅陵末站設(shè)操作站1套、工程師/操作員站1套，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

為了提高整個系統(tǒng)的可靠性，我們在蕪湖首站和銅陵末站各設(shè)一套SCADA中心監(jiān)控設(shè)備，其中銅陵末站作為主SCADA中心，在正常工作情況下對整個SCADA系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，實現(xiàn)對系統(tǒng)控制設(shè)備進行本地和遠程監(jiān)控；當主SCADA中心控制平臺出現(xiàn)故障時，蕪湖首站SCADA中心作為銅陵末站的備份控制中心，全面接管主SCADA中心的工作，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制功能。
蕪湖首站（備份SCADA中心）主要功能：
? 1、實現(xiàn)本地站控RTU數(shù)據(jù)采集和控制
? 2、遠程分輸站、閥室和銅陵末站站控RTU的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集
? 3、與主SCADA中心交換工作狀態(tài)信息
銅陵末站（主SCADA中心）主要功能：
? 1、實現(xiàn)本地站控RTU數(shù)據(jù)采集和控制
? 2、遠程分輸站、閥室和蕪湖首站控RTU的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集
? 3、與備份SCADA中心交換工作狀態(tài)信息
在功能上，蕪湖備份SCADA中心和銅陵主SCADA中心均具備對系統(tǒng)所有控制系統(tǒng)RTU實施遠程控制功能，當二者均在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)不對對方的站控RTU進行遠程控制，只有當其中一方工作狀態(tài)處于“故障”情況下才啟用遠程控制功能。
SCADA中心設(shè)有操作員站和工程師站各一套，其中工程師站既可以作為工程師站和操作員站，并在操作員站條件下可以與另一臺操作員站實現(xiàn)互為備份功能，從而提高系統(tǒng)的可靠性。通過本地雙機備份和主備SCADA中心的系統(tǒng)架構(gòu)，從而使整個系統(tǒng)的可靠性和可用性在當前條件下達到最高。

5、系統(tǒng)控制功能解決方案
作為基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信的窄帶通信條件下，如何實現(xiàn)雙中心互為備份存在一定的難度。如何解決雙中心對遠程RTU實施控制，不產(chǎn)生控制邏輯沖突變得至關(guān)重要。
通過對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行分析，并對整個系統(tǒng)的工作任務進行劃分，首先在閥室和分輸站采用支持雙數(shù)據(jù)中心的宏電H7710 DTU產(chǎn)品，在中心采用了H7920路由器作為中心網(wǎng)絡(luò)接入，并在整個網(wǎng)絡(luò)中采用了通信服務商提供的APN服務，全網(wǎng)通信采用內(nèi)網(wǎng)IP方式，使整個系統(tǒng)的通信變得簡單可靠。在首末站站控RTU采用通過以太網(wǎng)直接進入本地SCADA平臺，其它RTU通過DTU進入主/備SCADA中心。
為了實現(xiàn)主/備控制中心的控制功能得以有效執(zhí)行，我們在首末站RTU上增加一臺DTU響應對方的SCADA中心的數(shù)據(jù)采集指令。首末站SCADA中心通過本地RTU來互換SCADA平臺工作狀態(tài)信息。在正常工作狀態(tài)下，主SCADA中心（末站）通過以太網(wǎng)采集和控制本地站控RTU、遠程RTU、采集首站RTU的實時數(shù)據(jù)，并把自己的“心跳”信息寫入本地RTU；備SCADA中心通過以太網(wǎng)采集和控制本地站控RTU，其它RTU數(shù)據(jù)通過GPRS只進行采集，不做控制，同時也把自己的“心跳”信息寫入本地RTU。當主SCADA出現(xiàn)故障時，通過RTU傳遞的狀態(tài)信息為故障時（心跳不變化時），備SCADA中心接管主SCADA中心的全部功能，直到主SCADA中心恢復工作為止，備份SCADA中心對遠程RTU的控制權(quán)交回到主SCADA中心，正常狀態(tài)工作示意圖如下

6、結(jié)束語
該SCADA系統(tǒng)已經(jīng)成功穩(wěn)定運行多年，并作為安徽省天然氣公司支線工程的一個樣板，在后續(xù)的多個支線工程中得到推廣，效果良好。該系統(tǒng)以RTU為基礎(chǔ)，以GPRS通信為支撐，通過特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個可靠、安全的SCADA運行平臺，完全可以滿足地理位置較為偏僻，不具備高通信條件下的工程應用。
但該系統(tǒng)也存在一定的缺陷，如主/備SCADA中心雖然實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和控制的冗余備份，但由于通信鏈路帶寬限制，無法實現(xiàn)主/備SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步，容易造成故障平臺出現(xiàn)故障至故障恢復之間的歷史數(shù)據(jù)丟失。