大型海外聚烯烴項(xiàng)目中CMADA系統(tǒng)的設(shè)計

吳弘

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

CMADA（Circuit Monitoring and Data Acquisition）電氣數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，即電氣領(lǐng)域的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)。應(yīng)用范圍很廣，主要用于電力系統(tǒng)、石油、化工等生產(chǎn)裝置電氣數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)視控制等領(lǐng)域[1]。

CMADA系統(tǒng)是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的電氣監(jiān)控系統(tǒng)。它可以對變電所及現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項(xiàng)功能。

1 CMADA在石化系統(tǒng)中的應(yīng)用

由于石油化工生產(chǎn)過程具有易燃、易爆、有毒、有害的特點(diǎn)。為了確保企業(yè)生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、長周期生產(chǎn)，必須加強(qiáng)電氣監(jiān)控，保障生產(chǎn)設(shè)備安全運(yùn)行。CMADA作為電氣控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)和通訊技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，既具有強(qiáng)大的現(xiàn)場測控功能，又具有極強(qiáng)的組網(wǎng)通訊能力。隨著石化裝置生產(chǎn)自動化水平不斷提高，電氣設(shè)備綜合管理的重要性與日俱增，所以近年來，在石化裝置中大量采用CMADA系統(tǒng)作為生產(chǎn)管理電氣自動化控制系統(tǒng)。

2 CMADA體系結(jié)構(gòu)

CMADA系統(tǒng)主要包括三部分組成，主站端，通訊系統(tǒng)和遠(yuǎn)程終端單元[2]。

2.1 主站系統(tǒng)

主站一般采用先進(jìn)的計算機(jī)，有著良好的圖形界面支持，主要用于實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的挖掘工作，比如潮流分析、負(fù)荷預(yù)測、事故追憶、電網(wǎng)穩(wěn)定性分析，能量管理等。作為CMADA主站系統(tǒng)，大的系統(tǒng)可能有幾十個工作站，多個服務(wù)器。為了保證系統(tǒng)的可靠性，采用雙前置，多服務(wù)器系統(tǒng)，兩個網(wǎng)絡(luò)。但是對于簡單的CMADA主站系統(tǒng)可能就只有一臺計算機(jī)，運(yùn)行一套軟件[2]。

通常主站系統(tǒng)分為兩個層面，即客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器與硬件設(shè)備通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。而客戶端用于人機(jī)交互，如用文字、動畫顯示現(xiàn)場的狀態(tài)，并可以對現(xiàn)場的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作。

由服務(wù)器，客戶端構(gòu)成的CMADA C/S結(jié)構(gòu)中，可以有多個服務(wù)器，每個服務(wù)器可帶有多個I/O設(shè)備?？蛻舳丝梢栽L問一臺或多臺服務(wù)器。服務(wù)器可配置在不同的機(jī)器上，甚至不同的操作系統(tǒng)平臺上，彼此分工協(xié)作，形成統(tǒng)一整體，構(gòu)成了CMADA的分布式體系結(jié)構(gòu)。

為了增加系統(tǒng)的可靠性，服務(wù)器端允許雙機(jī)熱備，重要場合可以一機(jī)多備。服務(wù)器雙機(jī)熱備一般是將兩臺機(jī)器配置相同，一臺作為主站，另一臺機(jī)器作為副站，主站完成服務(wù)器的正常工作，另一臺與其同步。當(dāng)主站故障時，副站接替主站的工作。主站與副站是相對的，可互換的。雙機(jī)熱備包含I/O通道的熱備。由于多個客戶可以同時訪問一個服務(wù)器端，所以客戶端本來就是多重的。

CMADA系統(tǒng)硬件設(shè)備一般可以通過串口(RS232)點(diǎn)到點(diǎn)方式連接，也可以用RS485，以太網(wǎng)等總線方式連接到服務(wù)器上?？偩€方式與點(diǎn)到點(diǎn)方式區(qū)別主要在于：點(diǎn)到點(diǎn)是一對一，而總線方式是一對多，或多對多。

2.2 通訊系統(tǒng)

目前CMADA系統(tǒng)的通訊方式主要有兩種：有線和無線[2]。無線方式主要通過無線數(shù)據(jù)傳輸電臺構(gòu)成專用通信網(wǎng)，但存在著電臺設(shè)備的更新和傳輸協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸檢錯、糾錯能力等問題，其可靠性和有效性有待提高。有線方式比較多：架空明線，同軸電纜，光纖等。在有線上傳輸大體分為基帶傳輸和調(diào)制傳輸，基帶傳輸在介質(zhì)上傳輸?shù)氖菙?shù)字信號。調(diào)制解調(diào)傳輸是要經(jīng)過模擬數(shù)字變換的傳輸。目前有線網(wǎng)通訊技術(shù)的可利用率更高，發(fā)展前景較好。

2.3 遠(yuǎn)程終端單元

遠(yuǎn)程終端單元RTU一般包括通訊處理單元、開關(guān)量采集、輸出單元，模擬量采集、輸出單元、和脈沖量采集、輸出單元等構(gòu)成。CMADA系統(tǒng)能夠掃描遠(yuǎn)程終端單元RTU，對各種所需的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，使操作人員能及時、準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)工況。

2.4 支撐硬件

2.4.1 CMADA系統(tǒng)要求連續(xù)工作，不得中斷，所以對電源系統(tǒng)要求比較苛刻，除了雙回供電，還要求有保證系統(tǒng)供電的UPS系統(tǒng)。

2.4.2 監(jiān)視器：可通過圖形用戶界面GUI訪問CMADA數(shù)據(jù)庫中所有的數(shù)據(jù)，并可通過報表方式顯示時間信息和報警信息，使用歷史數(shù)據(jù)庫來顯示歷史和趨勢數(shù)據(jù)。

2.4.3 用于系統(tǒng)輸出的打印機(jī)系統(tǒng)，所有發(fā)生的報警事件均能通過A3網(wǎng)絡(luò)激光打印機(jī)在線自動打印，并帶有時間標(biāo)簽和報警原因。

3 系統(tǒng)重要功能

3.1 設(shè)備各種參數(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和控制信息的發(fā)送

這部分涉及兩個含義：一是怎樣采集電氣設(shè)備參數(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)？它通常由智能綜保生產(chǎn)廠家解決，并提供可編程的通訊協(xié)議和協(xié)議處理芯片；二是設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)如何傳遞到主機(jī)系統(tǒng)處理？目前主機(jī)通常通過標(biāo)準(zhǔn)串口或I/O卡運(yùn)行專用的上層采集模塊，從智能綜保中實(shí)時地采集設(shè)備各種參數(shù)的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制信息；解決問題效率的高低表現(xiàn)在采集周期的長短上，這也是衡量一個系統(tǒng)是否適合于某個行業(yè)的一個重要指標(biāo)。目前主機(jī)系統(tǒng)可以達(dá)到平均毫秒級的采集周期。

3.2 實(shí)時數(shù)據(jù)庫

先進(jìn)的監(jiān)控組態(tài)軟件都有一個實(shí)時數(shù)據(jù)庫作為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)組織和管理的核心。實(shí)時數(shù)據(jù)庫無縫地集成了數(shù)據(jù)庫與定時性，利用實(shí)時數(shù)據(jù)庫可以完成以下應(yīng)用：

（1）記錄實(shí)時過程的歷史數(shù)據(jù)，用于過程存檔、歷史數(shù)據(jù)查詢、事故分析、系統(tǒng)建模等。

（2）連接各種類型的監(jiān)控設(shè)備（如：智能綜保、馬達(dá)控制器、變頻器等），配以監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控。

（3）通過數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)通訊功能構(gòu)建分布式應(yīng)用系統(tǒng)。

3.3 人機(jī)界面

人機(jī)界面由很多窗口組成，窗口包含圖形和文字。文字和圖形可動態(tài)變化。如文字可顯示現(xiàn)場I/O量的大小，圖形的顏色變化表示現(xiàn)場狀態(tài)量的改變等。

人機(jī)界面開發(fā)環(huán)境中提供了各種繪畫工具，如：畫矩形、橢圓、文字、位圖等工具。將采集的數(shù)據(jù)，用計算機(jī)圖形技術(shù)展示給用戶。同時提供了動畫連接手段，使圖形、文字等與現(xiàn)場的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)變化則畫面上圖形顏色、位置等也相應(yīng)改變，通過觀察畫面上的圖形文字就可以知曉現(xiàn)場的狀態(tài)。比如在圖上存在一個指示燈，與實(shí)時數(shù)據(jù)庫內(nèi)的一個離散變量X進(jìn)行動畫連接，那么當(dāng)X=0時指示燈為綠色，X=1時指示燈為紅色。

CMADA系統(tǒng)還需提供可以開發(fā)復(fù)雜圖元和對象圖元的工具，讓用戶可以根據(jù)自己的需要開發(fā)圖元。這是因?yàn)橐粋€軟件即使功能再強(qiáng)大，提供的圖元再多也有可能滿足不了用戶的所有需求。

趨勢圖是人機(jī)界面不可缺少的組成部分。趨勢圖以曲線的形式顯示過程數(shù)據(jù)庫中實(shí)時數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)。一般實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分別在不同的趨勢圖中顯示。一幅趨勢圖中通?？梢燥@示多條曲線，曲線可以放大、滾動。

報表是人機(jī)界面的重要組成部分。開發(fā)環(huán)境提供專門的報表生成工具，方便的形成各種報表。報表中的數(shù)據(jù)可以有瞬時值、歷史值、統(tǒng)計值。還可以讓報表定時打印。另外，還可以利用CMADA的Excel插件，用MsExcel生成報表。

此外，在人機(jī)界面中還有許多其它種類的組件，如：XY曲線、報警瀏覽、總貌等。另外，人機(jī)界面幾乎都是OLE容器，可以嵌入OLE對象，或ActiveX控件。

3.4 報警與事件

報警是過程狀態(tài)出現(xiàn)問題時發(fā)出的警告，同時要求操作人員做出響應(yīng)。當(dāng)一過程值超出用戶自定義的極限時，譬如模擬量超出了上限值，報警即被觸發(fā)。報警模塊主要包括如下類型的報警信息。

開關(guān)量輸入狀態(tài)變化報警，指開關(guān)量輸入信號的狀態(tài)發(fā)生改變，如斷路器的位置從合變?yōu)榉帧＿@種狀態(tài)變化可能對系統(tǒng)的運(yùn)行有嚴(yán)重的影響。

模擬量超限報警，指模擬量超過或者低于設(shè)定的限值，比如電機(jī)繞組或軸承溫度高于設(shè)定值，這種狀態(tài)的可能會導(dǎo)致設(shè)備安全事故。模擬量報警一般包括上上限、上限、下限、下下限等，有時用顏色加以區(qū)分。

其他報警包括變化率報警、偏差報警、異常報警等。更復(fù)雜的報警可以通過對測量值進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，然后對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行報警檢查而產(chǎn)生。發(fā)生報警后，操作員可以通過報警畫面對報警進(jìn)行“確認(rèn)”，“確認(rèn)”就是告訴系統(tǒng)我知道了發(fā)生的事，以免系統(tǒng)再次提醒。報警信息，報警確認(rèn)信息，報警恢復(fù)（報警消除）等信息都可以被系統(tǒng)自動記錄下來。報警按照重要程度可分為多個優(yōu)先級，如：低級、高級、緊急。

報警發(fā)生時系統(tǒng)可以通過多種方式通知用戶，如：彈出報警窗、發(fā)出聲響，甚至可以發(fā)送短信或電子郵件。報警事件會被寫入歷史報警記錄，如有需要，可將它打印出來。

事件表示了系統(tǒng)正常狀態(tài)時的消息，當(dāng)某一系統(tǒng)條件滿足時，事件即被觸發(fā)，它不要求操作人員響應(yīng)，其查詢和記錄方法與報警相同。

3.5 事故追憶和趨勢分析

監(jiān)控的另外一個目的是評價生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和預(yù)測系統(tǒng)可能發(fā)生的事故。在發(fā)生事故時能快速地找到事故的原因，并找到恢復(fù)生產(chǎn)的最佳方法。

為了分析系統(tǒng)出現(xiàn)故障時系統(tǒng)的狀態(tài)，便于找出事故原因，需要知道各個重要點(diǎn)數(shù)據(jù)和時間。這就需要事故追憶(SOE)。SOE事件記錄的實(shí)質(zhì)是具有時標(biāo)的信息（也就是在信息上打上時間標(biāo)簽），主站端需要把這些數(shù)據(jù)讀出來并顯示，存入歷史報警數(shù)據(jù)庫中。從這個意義出發(fā)，實(shí)時歷史數(shù)據(jù)的保留和系統(tǒng)操作情況記錄變得非常重要。因而評價一個CMADA系統(tǒng)，其功能強(qiáng)弱最為重要的指標(biāo)之一就在對實(shí)時歷史數(shù)據(jù)記錄和查詢的準(zhǔn)確和高效上面。

SOE系統(tǒng)需要整個系統(tǒng)的時鐘同步，而且要求同步精度很高（1mS），所以對整個系統(tǒng)要求很高。過去很難有一種辦法解決這個問題，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)時鐘同步和GPS可以很好的解決。

3.6 歷史數(shù)據(jù)存儲

歷史數(shù)據(jù)是整個CMADA系統(tǒng)的財富。歷史數(shù)據(jù)是按照時間或者其它規(guī)則把實(shí)時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成歷史記錄。歷史數(shù)據(jù)對于生產(chǎn)狀況分析、實(shí)現(xiàn)先進(jìn)/優(yōu)化控制、以及生產(chǎn)事故分析非常重要，所有重要的電氣數(shù)據(jù)都會進(jìn)行長期歷史保存。

歷史數(shù)據(jù)的記錄很龐大，一年的記錄數(shù)據(jù)可能就有幾個GB甚至幾十個GB。所以對歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的內(nèi)存和存儲以及CPU的速度要求比較高。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)挖掘的時候，需要大量的訪問歷史數(shù)據(jù)。為了節(jié)省存儲介質(zhì)空間，對保存的數(shù)據(jù)使用壓縮保存。常用的保存方式有周期性保存和變化保存（數(shù)據(jù)只有變化到一定程度才保存）。

4 CMADA系統(tǒng)的設(shè)計要求

在CMADA系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)選用的軟、硬件，要求可靠性高、開放性好、適應(yīng)性強(qiáng)，既能保持向下兼容，又能適應(yīng)未來系統(tǒng)擴(kuò)充的需要。要選擇有實(shí)力，有經(jīng)驗(yàn)的CMADA產(chǎn)品供應(yīng)商。設(shè)計原則第一要采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化的計算機(jī)硬件產(chǎn)品。第二要采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的成熟可靠的軟件產(chǎn)品。軟件要具有良好的模塊化以及標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)接口，便于組成各種規(guī)模的系統(tǒng)及產(chǎn)品和技術(shù)的更新?lián)Q代。第三要采用智能化自控設(shè)備，保證實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞的快速、準(zhǔn)確、有效、完整。

5 聚烯烴項(xiàng)目中的CMADA系統(tǒng)設(shè)計

聚烯烴項(xiàng)目包括三個大型生產(chǎn)裝置：LLDPE、PP、PHU；每個生產(chǎn)裝置均有自己獨(dú)立的變電所和控制室。CMADA系統(tǒng)監(jiān)控范圍包括34.5/13.8/4.16/0.48 kV變壓器，13.8kV、4.16kV中壓開關(guān)柜、0.48kV低壓配電柜和MCC柜，以及UPS和直流電源柜、報警盤等變配電設(shè)備。

CMADA系統(tǒng)及中、低開關(guān)柜的供貨商是SCHNEIDER集團(tuán)美國分公司SQUARED公司，CMADA現(xiàn)場設(shè)備層采用的是GE公司750、745、469等系列綜合保護(hù)裝置、智能型馬達(dá)控制器等智能變配電監(jiān)控/保護(hù)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品適應(yīng)各種電壓等級，按設(shè)備對應(yīng)分布式安裝在各個開關(guān)柜內(nèi)，與開關(guān)、變壓器、機(jī)泵馬達(dá)等設(shè)備直接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)模擬信息、數(shù)字信息的采集、傳輸及控制等功能。智能設(shè)備間采用Belden 9481雙絞線串接起來，將有關(guān)信息輸送至網(wǎng)絡(luò)通訊層的通訊控制器。同時這些產(chǎn)品不依賴于網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立完成對電氣設(shè)備的保護(hù)監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項(xiàng)功能。實(shí)時顯示電氣設(shè)備工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、故障信息和事件記錄、保護(hù)定值等。

網(wǎng)絡(luò)通訊層產(chǎn)品采用施耐德公司的EGX400網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)通訊控制器，使用Modbus，Ethernet TCP/IP協(xié)議。用于完成現(xiàn)場設(shè)備層和主站監(jiān)控管理層之間通訊數(shù)據(jù)的上行和下達(dá)；控制器安裝在各組開關(guān)柜的進(jìn)線柜或電容器柜內(nèi)，具有多種下行口配置可選，每個下行口最多可帶32個智能通訊單元。其具有獨(dú)立的前置機(jī)功能，可不依賴于主站監(jiān)控計算機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，完成通訊數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)組態(tài)、總線轉(zhuǎn)換、同時與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)與上級監(jiān)控系統(tǒng)信息資源共享。網(wǎng)絡(luò)通訊層作為現(xiàn)場設(shè)備與監(jiān)控管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息交換的橋梁通道，處理解決配電系統(tǒng)監(jiān)控回路多、信息量大、實(shí)時性差、設(shè)備通訊協(xié)議不統(tǒng)一、總線不兼容的通訊問題。

圖1、圖2、圖3分別是中壓開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜和MCC柜的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊圖。

CMADA系統(tǒng)需要整個系統(tǒng)的時鐘同步，而且要求同步精度很高，所以系統(tǒng)采用GPS時間信號來同步所有的數(shù)據(jù)收集設(shè)備的內(nèi)部時鐘。GPS信號通過BELDEN 8760電纜在設(shè)備間串聯(lián)，見圖4。

主站監(jiān)控管理層是CMADA系統(tǒng)最上層部分，分兩級管理。即控制室的CMADA工作站及下屬各自變電所的CMADA工作站，工作站由計算機(jī)硬件設(shè)備和系統(tǒng)監(jiān)控管理軟件等組成，用于監(jiān)控各自區(qū)域配電系統(tǒng)、電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和智能保護(hù)繼電器的參數(shù)數(shù)據(jù)。另外，通過硬接線直接接受來自進(jìn)線及母聯(lián)斷路器的各種狀態(tài)信號。

變電所的CMADA工作站負(fù)責(zé)對采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息自動計算處理，同時通過光纖以太網(wǎng)向控制室的CMADA工作站提供數(shù)據(jù)?？刂剖业腃MADA工作站通過通訊接口與DCS（Distributed Control System）系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息共享。

在控制室的CMADA工作站是人機(jī)交互的直接窗口，可利用監(jiān)控管理軟件和豐富友好的圖形界面，顯示整個配電系統(tǒng)電的監(jiān)測數(shù)據(jù)、異常報警信號等，提供監(jiān)測數(shù)據(jù)的報表、運(yùn)行狀態(tài)圖、參數(shù)圖和電能數(shù)據(jù)分析等畫面。不同操作級別人員可根據(jù)不同的權(quán)限方便的進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)修改、歷史數(shù)據(jù)查詢、時間報警記錄查詢和報表統(tǒng)計管理工作。實(shí)現(xiàn)整個變配電系統(tǒng)的遙信、遙測、遙控、管理等功能。

圖1 中壓開關(guān)柜內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊圖

圖2 低壓開關(guān)柜內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊圖

圖3 MCC柜內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊圖

圖5、圖6分別是變電站內(nèi)CMADA網(wǎng)絡(luò)通訊圖和變電站與控制室之間的CMADA網(wǎng)絡(luò)通訊圖。

圖5 變電站內(nèi)CMADA網(wǎng)絡(luò)通訊圖

圖6 控制室之間的 CMADA網(wǎng)絡(luò)通訊圖

6 結(jié)論

以前，大多數(shù)石化裝置配電系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)智能化控制。但隨著具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的智能斷路控制器、馬達(dá)控制器、綜合電量測控等儀表在配電柜上的應(yīng)用，使得通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)智能化成為可能。這樣配電柜的電參量信息、馬達(dá)，斷路器狀態(tài)信息，通過CMADA系統(tǒng)或主控室DCS電氣界面，呈現(xiàn)給裝置工藝人員，實(shí)現(xiàn)對各種用電設(shè)備的正常及事故情況下的監(jiān)測、保護(hù)、控制、電力計量[3]。這就是以“四遙”監(jiān)控、數(shù)字式保護(hù)、現(xiàn)場總線、計算機(jī)等技術(shù)為基本要求的CMADA智能配電監(jiān)控管理系統(tǒng)，作為技術(shù)成熟的一種標(biāo)準(zhǔn)化的配置在石化裝置中的應(yīng)用。

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