防呆系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

田家興 梁建青 王海峰 馬鐵量

(中國(guó)石油西氣東輸管道公司壓縮機(jī)處，武漢 430073)

防呆是一種預(yù)防矯正的行為約束手段，通過運(yùn)用一系列的自動(dòng)保護(hù)手段，即使操作者沒有專業(yè)知識(shí)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，甚至不需要花費(fèi)注意力，就能憑直覺而正確無(wú)誤地完成操作。在工業(yè)設(shè)計(jì)上，為了避免誤操作(包括無(wú)意識(shí)的動(dòng)作、下意識(shí)的誤動(dòng)作或不小心的肢體動(dòng)作)而損壞機(jī)器或造成人身傷害，可以采用防呆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)念A(yù)防。

筆者在分析設(shè)計(jì)防呆系統(tǒng)的必要性與可行性的基礎(chǔ)上，以關(guān)閉出站閥門為例，將防呆程序與腳本邏輯成功應(yīng)用于中國(guó)石油西氣東輸站場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)中，降低了操作人員的誤操作，并給出了合理的操作建議，以期提高管道輸氣的生產(chǎn)效率。

1 西氣東輸站場(chǎng)SCADA系統(tǒng)簡(jiǎn)介①

中國(guó)石油西氣東輸管道站場(chǎng)設(shè)有獨(dú)立的站控自控系統(tǒng)，對(duì)其生產(chǎn)工藝進(jìn)行控制管理。西氣東輸站控自控系統(tǒng)采用Allen-Bradley系列PLC系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱AB PLC)，對(duì)站場(chǎng)的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控與管理。操作員通過使用Honeywell的HS上位機(jī)操作系統(tǒng)對(duì)站場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控[1]。西氣東輸站場(chǎng)SCADA系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

站場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)控制邏輯主要由AB PLC實(shí)現(xiàn)。操作員通過HS上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與操作，當(dāng)HS上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備下發(fā)指令后，動(dòng)作信號(hào)會(huì)通過以太網(wǎng)下發(fā)給AB PLC，由AB PLC邏輯運(yùn)算后，將動(dòng)作結(jié)果通過硬線下發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)操作員的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能[2]。

圖1 西氣東輸站場(chǎng)SCADA系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 SCADA防呆系統(tǒng)設(shè)計(jì)必要性與可行性分析

2.1 必要性

在中國(guó)石油西氣東輸管道日常生產(chǎn)輸氣運(yùn)行中存在很多風(fēng)險(xiǎn)，站場(chǎng)操作人員必須經(jīng)過大量的培訓(xùn)，作業(yè)操作之前必須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，維護(hù)檢修過程中要提前做好保護(hù)等工作。如果站場(chǎng)人員誤操作，可能會(huì)造成管道天然氣壓力異常波動(dòng)、壓縮機(jī)停機(jī)及流量計(jì)損壞等，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐商烊粴馔］?。?duì)于分輸不能間斷的場(chǎng)站，停輸很有可能給下游化工廠及電廠等企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。防呆系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效避免操作人員的誤操作，防止異常操作給生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)的不必要的損失[3]。

2.2 可行性

站場(chǎng)操作以閥門控制為例，站場(chǎng)關(guān)閥控制流程首先由操作員在HS上位機(jī)上下發(fā)關(guān)閥命令，命令下發(fā)給AB PLC的閥門控制模塊；在閥門控制模塊中，分析閥門狀態(tài)，計(jì)算控制邏輯，然后將結(jié)果進(jìn)行輸出到現(xiàn)場(chǎng)閥門，對(duì)閥門進(jìn)行關(guān)閥操作。整個(gè)流程中，閥門控制模塊只對(duì)閥門狀態(tài)進(jìn)行判斷，根據(jù)閥門情況決定是否能進(jìn)行關(guān)閥操作，并未對(duì)整個(gè)工藝情況進(jìn)行分析[4]。

加入防呆系統(tǒng)后，當(dāng)操作員在HS上位機(jī)上下發(fā)命令給AB PLC后，首先進(jìn)行判斷是否投用了防呆功能，若防呆系統(tǒng)未投用，則指令進(jìn)入閥門控制模塊并進(jìn)行正常關(guān)閥流程。若防呆系統(tǒng)投用，則進(jìn)入防呆條件判斷邏輯，判斷此時(shí)的工藝條件是否可以執(zhí)行此項(xiàng)操作，若可以執(zhí)行此操作，則邏輯跳轉(zhuǎn)到閥門控制模塊中；若判斷當(dāng)前環(huán)境下不適合此項(xiàng)操作，則返回給上位機(jī)HS一個(gè)數(shù)值，在上位機(jī)畫面中彈出提示，警告操作員執(zhí)行當(dāng)前操作會(huì)造成的后果并詢問操作員是否繼續(xù)執(zhí)行此操作。當(dāng)操作員選擇仍要執(zhí)行此動(dòng)作后，命令直接進(jìn)入閥門控制模塊，進(jìn)行閥門動(dòng)作；若當(dāng)操作員看到提示后，知道進(jìn)行了誤操作，即可取消當(dāng)前操作，關(guān)閥命令被取消，閥門保持現(xiàn)在的運(yùn)行狀態(tài)不變[5]。防呆系統(tǒng)的邏輯流程如圖2所示。

3 SCADA系統(tǒng)防呆設(shè)計(jì)的應(yīng)用

在現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)防呆功能，一方面需要在AB PLC中增添防呆程序邏輯功能，實(shí)現(xiàn)防呆邏輯判斷；另一方面需要在上位機(jī)HS系統(tǒng)中增加腳本邏輯，對(duì)AB PLC返回的防呆信號(hào)進(jìn)行處理，并彈出窗口提示操作員相關(guān)信息。

圖2 防呆系統(tǒng)的邏輯流程

3.1 AB PLC的防呆程序

在例程欄中新增防呆邏輯例程，命名為fangdai。在主例程MainRoutine中添加fangdai例程的跳轉(zhuǎn)。在fangdai例程中，可以對(duì)站場(chǎng)中所有工藝相關(guān)的防呆保護(hù)邏輯進(jìn)行編寫。新增防呆例程跳轉(zhuǎn)的界面如圖3所示。

圖3 新增防呆例程跳轉(zhuǎn)的界面

以關(guān)閉出站閥門為例編寫防呆邏輯。當(dāng)上位機(jī)下發(fā)關(guān)閥命令后，首先判斷防呆保護(hù)是否投用，若未投用，則直接進(jìn)入關(guān)閥邏輯；當(dāng)防呆保護(hù)投用后，則判斷防呆條件是否滿足，如果滿足就給上位機(jī)返回防呆信號(hào)，上位機(jī)根據(jù)返回信息給出操作員提示，不滿足則繼續(xù)進(jìn)行關(guān)閥邏輯[6]。關(guān)閉出站閥門的防呆判斷主要有工作調(diào)壓閥是否關(guān)到位、分輸路中的兩路流量計(jì)的流量是否小于100m3/s，若流量計(jì)流量過大，瞬間關(guān)斷出站閥會(huì)造成流量波動(dòng)，打壞流量計(jì)。防呆判斷邏輯流程如圖4所示。

根據(jù)防呆邏輯流程圖對(duì)AB PLC的fangdai子例程進(jìn)行邏輯編寫，如圖5所示，其中LXO為上位機(jī)下發(fā)的關(guān)閥命令，N7[5].0關(guān)聯(lián)的是2102#閥門模塊的關(guān)閥命令，discription2012為給上位機(jī)的防呆返回值。

圖4 防呆判斷邏輯流程

3.2 HS上位機(jī)的腳本邏輯

防呆保護(hù)邏輯編寫完成后，需要在上位機(jī)對(duì)HS系統(tǒng)添加新的數(shù)據(jù)點(diǎn)并進(jìn)行腳本編輯，實(shí)現(xiàn)操作員在進(jìn)行不規(guī)范操作時(shí)，給出提示警告的功能。

對(duì)HS服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置，首先需要在Quick Builder數(shù)據(jù)庫(kù)軟件中建立3個(gè)新數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別映射AB PLC中的關(guān)閥命令LXO、操作員確認(rèn)的confirm數(shù)據(jù)點(diǎn)與邏輯運(yùn)算生成的防呆返回值discription2102。對(duì)3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)建并將地址與AB PLC中的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行地址映射后，下裝到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，完成數(shù)據(jù)庫(kù)新增數(shù)據(jù)點(diǎn)的編輯[7]。

圖5 AB PLC的fangdai子例程邏輯

在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置完成后，要對(duì)HS上位機(jī)畫面進(jìn)行編輯。使用HMI Display Builder打開組態(tài)畫面并進(jìn)行編輯，繪制兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)畫面并進(jìn)行隱藏，然后分別映射到對(duì)應(yīng)的操作員確認(rèn)confirm數(shù)據(jù)點(diǎn)與邏輯生成的防呆返回值，圖形分別命名為“fanhuizhi”與“queren”。添加腳本程序如下：

if fanhuizhi.value=0 then

if MsgBox("工作調(diào)壓閥還未關(guān)到位，不建議進(jìn)行關(guān)出站閥操作，是否繼續(xù)關(guān)閉出站閥",vbYesNo+vbExclamation,"防呆提示")=vbYes Then

queren.value=1

end if

else

if MsgBox("當(dāng)前還在分輸中，不建議進(jìn)行關(guān)出站閥操作，是否繼續(xù)關(guān)閉出站閥",vbYesNo+vbExclamation,"防呆提示")=vbYes Then

queren.value=1

end if

end if

當(dāng)fanhuizhi圖形中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)discription2102的值為0時(shí)，彈出對(duì)話框提示“工作調(diào)壓閥還未關(guān)到位，不建議進(jìn)行關(guān)出站閥操作，是否繼續(xù)關(guān)閉出站閥”，如果操作員選擇“yes”則將queren圖形對(duì)應(yīng)的confirm值置1，繼續(xù)關(guān)閥，否則不動(dòng)作。當(dāng)fanhuizhi圖形中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)discription2012的值為1時(shí)，彈出對(duì)話框提示“當(dāng)前還在分輸中，不建議進(jìn)行關(guān)出站閥操作，是否繼續(xù)關(guān)閉出站閥”，如果操作員選擇“yes”則將queren圖形對(duì)應(yīng)的confirm值置1，繼續(xù)關(guān)閥，否則不動(dòng)作。

編輯完成后保存，在Station中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試根據(jù)返回值彈出對(duì)話框，如圖6所示。

圖6 防呆提示對(duì)話框

此處所列為中國(guó)石油西氣東輸SCADA系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)閥防呆邏輯事例，對(duì)SCADA系統(tǒng)中操作員重要操作依次建立防呆模型并編程組態(tài)，完成防呆系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)石油西氣東輸管道公司通過防呆系統(tǒng)功能的使用，防止了操作人員由于疏忽或者認(rèn)知不足造成的不合理、不規(guī)范操作，避免了不良后果。同時(shí)給出合理的操作建議，使站場(chǎng)操作人員進(jìn)行二次判斷并重新確認(rèn)操作，從而減少誤操作的發(fā)生。在保證安全生產(chǎn)的同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，提高了西氣東輸?shù)淖詣?dòng)化程序和管理水平。

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