SCADA系統(tǒng)在長(zhǎng)慶油田—呼和浩特石化原油管道中的應(yīng)用

霍青國(guó)

（中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司，河北 廊坊065001）

0 引言

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)即監(jiān)視控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要功能是在工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)工業(yè)工藝設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程或本地的自動(dòng)控制，對(duì)工藝生產(chǎn)流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)、全面、實(shí)時(shí)監(jiān)控，并為生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)度管理和生產(chǎn)管理提供必要的數(shù)據(jù)。它應(yīng)用范圍很廣，適用于石油、化工、燃?xì)怆娏?、冶金、鐵路等行業(yè)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控以及過(guò)程控制等很多領(lǐng)域。

1 長(zhǎng)慶油田—呼和浩特石化原油管道全線控制概述

長(zhǎng)慶油田—呼和浩特石化原油管道工程采用密閉輸油方式，自動(dòng)化控制采用以計(jì)算機(jī)為核心的SCADA系統(tǒng)，完成對(duì)輸油管道工藝設(shè)備的監(jiān)視和控制任務(wù)。整個(gè)SCADA系統(tǒng)由過(guò)程控制系統(tǒng)（SCS）、安全儀表系統(tǒng)（SIS）、閥室監(jiān)控系統(tǒng)（RTU）、區(qū)域顯示終端、調(diào)控中心（北京主調(diào)控中心和廊坊備用調(diào)控中心）組成，該系統(tǒng)通過(guò)廣域網(wǎng)連接，通信介質(zhì)采用光纜和公網(wǎng)的DDN鏈路。

全線水擊保護(hù)系統(tǒng)采取壓力控制工作模式，對(duì)首站出站壓力、各中間熱泵站進(jìn)／出站壓力、末站進(jìn)站壓力進(jìn)行控制。

全線有6個(gè)站場(chǎng)和5座監(jiān)控閥室，站場(chǎng)設(shè)置站控系統(tǒng)（SCS，Station Control System）和 ESD（Emergency Shut Down）系統(tǒng)，監(jiān)控閥室設(shè)置遠(yuǎn)程終端單元（RTU，Remote Terminal Unit）采集和監(jiān)視控制全線所有的站場(chǎng)數(shù)據(jù)。

全線站場(chǎng)及閥室數(shù)據(jù)上傳中石油北京油氣調(diào)控中心和廊坊備用調(diào)控中心，納入中石油調(diào)控中心統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)在調(diào)控中心對(duì)長(zhǎng)慶油田—呼和浩特石化原油管道的全面監(jiān)控和管理。

2 長(zhǎng)慶油田—呼和浩特石化原油管道SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 SCADA系統(tǒng)控制模式

大型輸油氣管道SCADA系統(tǒng)有2種控制模式：

（1）調(diào)控中心對(duì)全線設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和調(diào)度管理；

（2）站控制室對(duì)本站設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

通常由北京油氣調(diào)度中心對(duì)全線工藝設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。值班調(diào)度人員在北京主調(diào)控中心通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完成對(duì)全線的監(jiān)視、操作和管理。正常情況下，站場(chǎng)值班人員無(wú)需人工干預(yù)，站控系統(tǒng)會(huì)在調(diào)控中心的統(tǒng)一指揮下完成各自工作。

站控系統(tǒng)和調(diào)控中心的權(quán)限切換由調(diào)控中心值班人員來(lái)完成，中心控制模式下，站控系統(tǒng)只能監(jiān)視；站控控制模式下，站場(chǎng)值班人員可以通過(guò)站控系統(tǒng)進(jìn)行各種操作；當(dāng)站場(chǎng)與調(diào)控中心發(fā)生通信故障或系統(tǒng)檢修時(shí)，由站控系統(tǒng)完成對(duì)本站設(shè)備的監(jiān)控。利用廊坊備用調(diào)控中心作為整個(gè)SCADA系統(tǒng)的備用調(diào)控中心，一旦北京主調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)故障失效，可人為切換到廊坊備用調(diào)控中心，繼續(xù)監(jiān)控各站及管道的運(yùn)行。

SCS和閥室的RTU是SCADA系統(tǒng)的控制單元，是保證SCADA系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。SCS安裝在各工藝站場(chǎng)的綜合設(shè)備間，RTU安裝在各閥室的設(shè)備間。二者的主要功能是完成所在站場(chǎng)或閥室的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時(shí)能夠?qū)⑾嚓P(guān)信息傳遞給調(diào)控中心（閥室數(shù)據(jù)還可以傳遞至上下游站場(chǎng)），并接收調(diào)控中心下達(dá)的指令。

正常情況下，調(diào)控中心對(duì)全線各工藝站場(chǎng)和線路截?cái)嚅y通過(guò)SCS、RTU進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、調(diào)度和管理，管線達(dá)到站場(chǎng)有人值守、無(wú)人操作的水平，監(jiān)控閥室達(dá)到無(wú)人值守的自動(dòng)化水平。

管道上游生產(chǎn)儲(chǔ)備庫(kù)和下游呼和浩特石化涉及管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)（如進(jìn)出閥位、罐前閥位、儲(chǔ)罐液位等）傳遞到相關(guān)站場(chǎng)的站控系統(tǒng)，為管道安全運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)。

2.2 SCADA系統(tǒng)通信路由

SCADA系統(tǒng)采用光纖通信作為主信道，備用通信為衛(wèi)星通信。北京主調(diào)控中心和廊坊備用調(diào)控中心分別與干線各站控系統(tǒng)通過(guò)光纜互聯(lián)，通過(guò)IP方式接入北京主調(diào)控中心和廊坊備用調(diào)控中心；同時(shí)干線各站控系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星通信系統(tǒng)連接北京主調(diào)控中心作為備用通信信道，站控系統(tǒng)在油坊莊首站匯聚后租用一條公網(wǎng)2M電路接至廊坊備用調(diào)控中心。

監(jiān)控閥室的RTU通過(guò)光纜將數(shù)據(jù)傳輸給與其相鄰的干線站場(chǎng)，并通過(guò)該站的站控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸給北京主調(diào)控中心和廊坊備用調(diào)控中心。

2.3 SCADA系統(tǒng)功能

長(zhǎng)慶油田—呼和浩特石化原油管道SCADA系統(tǒng)主要完成管道生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中工藝過(guò)程及設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和處理，監(jiān)視運(yùn)行參數(shù)、主要設(shè)備狀態(tài)及保護(hù)，控制泵的啟停及閥門的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，緊急情況下的聯(lián)鎖保護(hù)、ESD保護(hù)、水擊保護(hù)等功能。站控系統(tǒng)既可獨(dú)立完成對(duì)本站場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制，還可將數(shù)據(jù)傳遞至調(diào)控中心，并接收調(diào)控中心下達(dá)的指令，完成對(duì)本站設(shè)備的操作，是SCADA系統(tǒng)中最重要的監(jiān)控級(jí)。當(dāng)站控系統(tǒng)不可使用，如系統(tǒng)故障或檢修時(shí)，主要設(shè)備可在就地模式下完成操作。

站控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）站場(chǎng)工藝設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和處理；

（2）采集第三方智能設(shè)備信息，為生產(chǎn)運(yùn)行提供幫助；

（3）顯示動(dòng)態(tài)工藝流程；

（4）提供人機(jī)對(duì)話的窗口；

（5）按報(bào)警重要程度提供不同類別的報(bào)警信息；

（6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理；

（7）顯示工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)曲線；

（8）PID調(diào)節(jié)壓力、流量；

（9）主要設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)；

（10）全線的水擊保護(hù)；

（11）緊急關(guān)斷保護(hù)；

（12）報(bào)警打印和事件記錄；

（13）生成并打印生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)表；

（14）數(shù)據(jù)上傳調(diào)控中心；

（15）接收調(diào)控中心下達(dá)的命令。

2.4 SCADA系統(tǒng)硬件配置

長(zhǎng)慶油田—呼和浩特石化原油管道各站系統(tǒng)配置中PLC選用的是AB公司的ControlLogix系統(tǒng)，包括CPU、電源、機(jī)架、以太網(wǎng)和I／O網(wǎng)絡(luò)，選用了同系列的I／O 卡 件，DI：1756－IB16、DO：1756－OB16I、AI：1756－IF8、AO：1756－OF8，且所有模板都支持帶電熱插拔。ESD控制系統(tǒng)選用的是Honeywell公司的Safety Builder，SCADA系統(tǒng)軟件選用的是Honeywell公司的ExperionhS。

圖1 長(zhǎng)呼線水擊數(shù)據(jù)流向圖

2.5 SCADA系統(tǒng)水擊保護(hù)

長(zhǎng)呼線水擊保護(hù)系統(tǒng)采用的是Honeywell公司的安全管理系統(tǒng)（SM），其工作方式是2個(gè)CPU同時(shí)運(yùn)行，無(wú)主備之分。該系統(tǒng)在管道系統(tǒng)中一般作ESD系統(tǒng)使用，如西二線、長(zhǎng)呼線，SM系統(tǒng)與AB PLC（過(guò)程PLC）之間不能直接通訊，需通過(guò)串口通訊；其他管線一般是采用AB PLC作為水擊保護(hù)系統(tǒng)，AB PLC在其他管線既可作過(guò)程PLC使用，也可作ESD使用。采用AB PLC作為水擊服務(wù)器，則可與過(guò)程PLC（AB PLC）直接通訊。

長(zhǎng)呼線在油坊莊首站有一套SM機(jī)柜作為水擊服務(wù)器，水擊服務(wù)器與其他站場(chǎng)的ESD系統(tǒng)（SM）通訊，通訊協(xié)議采用的是SafeNet，該協(xié)議具備故障后自鎖的功能，一旦通訊中斷，需要在確認(rèn)故障并解除后進(jìn)行復(fù)位操作，其他站ESD系統(tǒng)再與AB PLC通訊，傳遞數(shù)據(jù)。

長(zhǎng)呼線水擊數(shù)據(jù)流向圖如圖1所示。

長(zhǎng)呼水擊主要涉及的執(zhí)行設(shè)備有給油泵、輸油主泵、加熱爐、調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)閥。給油泵、輸油主泵的停泵方式是順序停泵（需判斷高編號(hào)的泵是否運(yùn)行，如不運(yùn)行直接跳過(guò)），調(diào)節(jié)閥需要觸發(fā)水擊邏輯時(shí)程序自動(dòng)置為自動(dòng)狀態(tài)；邏輯編程都在本站過(guò)程PLC（AB PLC）中，過(guò)程PLC通過(guò)ESD系統(tǒng)（SM）將邏輯判斷結(jié)果“水擊事故工況”利用專有SafeNet協(xié)議通訊給水擊PLC（SM），水擊PLC再通訊給其他站場(chǎng)。

本文以首站事故工況為例，說(shuō)明觸發(fā)水擊邏輯的幾類事故工況及執(zhí)行情況。

事故工況：

（1）站停電事故狀態(tài)；

（2）中心下達(dá)“站ESD命令”；

（3）站關(guān)閉事故狀態(tài)；

（4）站ESD事故狀態(tài)；

（5）給油泵甩泵事故狀態(tài)；

（6）輸油泵甩泵事故狀態(tài)。

水擊執(zhí)行步驟——全線停輸控制程序：

（1）停運(yùn)全線所有站場(chǎng)的加熱爐，順序停運(yùn)油坊莊首站輸油泵；

（2）第一步執(zhí)行后240s，順序停運(yùn)鄂托克旗熱泵站輸油主泵；

（3）第二步執(zhí)行后360s，順序停運(yùn)烏審旗熱泵站輸油主泵；

（4）第三步執(zhí)行后240s，順序停運(yùn)土默特右旗熱泵站輸油主泵，將呼和浩特末站進(jìn)站調(diào)節(jié)閥壓力控制器設(shè)定為2.0MPa；

（5）第四步執(zhí)行后120s，將呼和浩特末站進(jìn)站調(diào)節(jié)閥壓力控制器設(shè)定為3.0MPa；

（6）第五步執(zhí)行后120s，將呼和浩特末站進(jìn)站調(diào)節(jié)閥壓力控制器設(shè)定為4.0MPa；

（7）第六步執(zhí)行后360s，關(guān)閉土默特右旗熱泵站進(jìn)站閥門XV0105。

3 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)慶油田—呼和浩特石化原油管道SCADA系統(tǒng)的投用，提高了管道運(yùn)行的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理、主要工藝設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，充分利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控手段，大大減少了運(yùn)行人員的成本，為公司生產(chǎn)提供了可靠的數(shù)據(jù)。