SCADA系統(tǒng)在天然氣輸氣管線中的應(yīng)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(shí)際應(yīng)用為案例，闡述了該系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、通信設(shè)計(jì)、SCADA控制中心及控制邏輯處理解決方案等內(nèi)容。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，滿足了企業(yè)在條件有限的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)工藝站控系統(tǒng)（蕪湖首站、銅陵末站），1個(gè)分輸站繁昌分輸站和五個(gè)線路截?cái)嚅y室組成，管線總長(zhǎng)115公里。蕪湖首站具有天然氣過(guò)濾、計(jì)量和清管發(fā)送功能；銅陵末站具有天然氣過(guò)濾、計(jì)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(shí)現(xiàn)無(wú)人操作和有人值守水平，所有分輸和截?cái)嚅y室均為無(wú)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?cái)嚅y室均設(shè)在遠(yuǎn)離城市的地區(qū)，不具備提供市電供電能力。工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于考慮到工程建設(shè)和項(xiàng)目投資原因，系統(tǒng)沒(méi)有采用光纖等有線傳輸介質(zhì)，同時(shí)由于管線距離長(zhǎng)、所處地理?xiàng)l件差等原因，無(wú)法采用自建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等條件，給系統(tǒng)的通信鏈路選擇帶來(lái)一定的困難。由于分輸站控和截?cái)嚅y室均設(shè)置在野外，沒(méi)有相應(yīng)的保暖和降溫措施，在控制設(shè)備的選型上必須考慮相應(yīng)的環(huán)境因素。
為了滿足整個(gè)管線的高效管理，并且保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，工程設(shè)計(jì)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?cái)嚅y室作為無(wú)人值守的遠(yuǎn)程控制終端，接受來(lái)自SCADA中心的控制指令和上傳實(shí)時(shí)生產(chǎn)工藝參數(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，無(wú)法提供高效的有線通信介質(zhì)，要實(shí)現(xiàn)上述SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在較大的困難。
我們?cè)诮Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件、綜合考慮系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們決定選擇以目前流行的GPRS/CDMA為通信介質(zhì)，采用獨(dú)有的雙信息中心技術(shù)為SCADA中心，并實(shí)現(xiàn)首站、末站通過(guò)GPRS/CDMA鏈路形成互為備份的SCADA中心結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的SCADA控制調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管線的高效可靠控制，使整個(gè)管線達(dá)到較高的自動(dòng)化控制水平，并確保整個(gè)輸氣管線的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

2、系統(tǒng)選型
考慮到整個(gè)系統(tǒng)中，有一個(gè)分輸站和五個(gè)截?cái)嚅y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(wú)人職守站，站場(chǎng)設(shè)計(jì)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(jī)柜（整個(gè)控制系統(tǒng)采用具備ExdIIBT4要求的機(jī)柜）內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行溫度可能高達(dá)60℃，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，分輸站和截?cái)嚅y室PLC/RTU必須滿足寬溫運(yùn)行的條件工作，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；由于分輸站和截?cái)嚅y室不具備市電供電條件，我們選用太陽(yáng)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(jì)，超出設(shè)計(jì)工作環(huán)境很容易出現(xiàn)死機(jī)、無(wú)法正常啟動(dòng)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?xún)r(jià)比作為選型依據(jù)。對(duì)比國(guó)內(nèi)外相應(yīng)產(chǎn)品的特點(diǎn)和相應(yīng)的性?xún)r(jià)比，我們的站控系統(tǒng)和截?cái)嚅y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(gè)SCADA系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并配套R(shí)TU自有SCADA工作平臺(tái)ESpider作為SCADA中心平臺(tái)。

3、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于蕪湖－銅陵輸氣管線現(xiàn)場(chǎng)的地理特點(diǎn)，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(jìn)的以GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的GPRS/CDMA數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。但由于要實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(shí)現(xiàn)，一般情況下，一個(gè)DTU(無(wú)人職守的分輸站和分輸閥室)只能響應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)中心的指令，并在正常工作過(guò)程中只能綁定一個(gè)數(shù)據(jù)中心的IP地址或域名，給我們實(shí)現(xiàn)雙中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)添加一道難題。
我們通過(guò)分析DTU的工作原理和整個(gè)通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際DTU對(duì)是否采用單個(gè)數(shù)據(jù)中心或多個(gè)數(shù)據(jù)中心，是通過(guò)軟件來(lái)控制的。DTU在工作過(guò)程中，會(huì)采用每隔一定的時(shí)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(guò)了的數(shù)據(jù)作為在線標(biāo)志告知需要與DTU進(jìn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信。
為了實(shí)現(xiàn)雙數(shù)據(jù)中心通信，實(shí)際只需要在軟件上做一下改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)，因此我們通過(guò)和DTU廠商的溝通，通過(guò)修改DTU工作運(yùn)行內(nèi)核軟件即實(shí)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(wù)器作為數(shù)據(jù)終端、通過(guò)域名解析方式或采用通信服務(wù)商提供的APN服務(wù)，我們根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，并對(duì)3種工作方式進(jìn)行了對(duì)比，我們選用了由通信服務(wù)商提供的APN服務(wù)模式，該模式具備如下特點(diǎn)：
? 所有站點(diǎn)DTU均采用通信服務(wù)商采用移動(dòng)(聯(lián)通)內(nèi)部分配的固定IP；
? 終端與服務(wù)器平臺(tái)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(jiǎn)化SCADA平臺(tái)的通信驅(qū)動(dòng)，勿需動(dòng)態(tài)域名解析等服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)帶寬有效利用。
4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
整個(gè)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)系統(tǒng)的可靠性，我們?cè)谑徍渍竞豌~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(duì)整個(gè)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制設(shè)備進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控；當(dāng)主SCADA中心控制平臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，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(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。
蕪湖首站（備份SCADA中心）主要功能：
? 1、實(shí)現(xiàn)本地站控RTU數(shù)據(jù)采集和控制
? 2、遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)本地站控RTU數(shù)據(jù)采集和控制
? 2、遠(yuǎn)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(duì)系統(tǒng)所有控制系統(tǒng)RTU實(shí)施遠(yuǎn)程控制功能，當(dāng)二者均在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)不對(duì)對(duì)方的站控RTU進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，只有當(dāng)其中一方工作狀態(tài)處于“故障”情況下才啟用遠(yuǎn)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(tái)操作員站實(shí)現(xiàn)互為備份功能，從而提高系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)本地雙機(jī)備份和主備SCADA中心的系統(tǒng)架構(gòu)，從而使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可用性在當(dāng)前條件下達(dá)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(shí)現(xiàn)雙中心互為備份存在一定的難度。如何解決雙中心對(duì)遠(yuǎn)程RTU實(shí)施控制，不產(chǎn)生控制邏輯沖突變得至關(guān)重要。
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作任務(wù)進(jìn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中采用了通信服務(wù)商提供的APN服務(wù)，全網(wǎng)通信采用內(nèi)網(wǎng)IP方式，使整個(gè)系統(tǒng)的通信變得簡(jiǎn)單可靠。在首末站站控RTU采用通過(guò)以太網(wǎng)直接進(jìn)入本地SCADA平臺(tái)，其它RTU通過(guò)DTU進(jìn)入主/備SCADA中心。
為了實(shí)現(xiàn)主/備控制中心的控制功能得以有效執(zhí)行，我們?cè)谑啄┱綬TU上增加一臺(tái)DTU響應(yīng)對(duì)方的SCADA中心的數(shù)據(jù)采集指令。首末站SCADA中心通過(guò)本地RTU來(lái)互換SCADA平臺(tái)工作狀態(tài)信息。在正常工作狀態(tài)下，主SCADA中心（末站）通過(guò)以太網(wǎng)采集和控制本地站控RTU、遠(yuǎn)程RTU、采集首站RTU的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并把自己的“心跳”信息寫(xiě)入本地RTU；備SCADA中心通過(guò)以太網(wǎng)采集和控制本地站控RTU，其它RTU數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS只進(jìn)行采集，不做控制，同時(shí)也把自己的“心跳”信息寫(xiě)入本地RTU。當(dāng)主SCADA出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)RTU傳遞的狀態(tài)信息為故障時(shí)（心跳不變化時(shí)），備SCADA中心接管主SCADA中心的全部功能，直到主SCADA中心恢復(fù)工作為止，備份SCADA中心對(duì)遠(yuǎn)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(yǔ)
該SCADA系統(tǒng)已經(jīng)成功穩(wěn)定運(yùn)行多年，并作為安徽省天然氣公司支線工程的一個(gè)樣板，在后續(xù)的多個(gè)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(guò)特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)可靠、安全的SCADA運(yùn)行平臺(tái)，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(yīng)用。
但該系統(tǒng)也存在一定的缺陷，如主/備SCADA中心雖然實(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)主/備SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步，容易造成故障平臺(tái)出現(xiàn)故障至故障恢復(fù)之間的歷史數(shù)據(jù)丟失。