基于自主可控的長輸管道站控系統(tǒng)方案及應用

朱瑞苗，劉博，劉斌，孟昭宇，謝敏，謝天天

(1. 中石化中原石油工程設計有限公司，河南 濮陽 457001；2. 中國石油化工股份有限公司 天然氣分公司，北京100029；3. 中國石油化工股份有限公司 天然氣榆濟管道分公司，山東 濟南 250101；4. 中石化天津天然氣管道有限責任公司，天津 300450；5. 浙江中控技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310012)

天然氣長輸管道的場站部分一般包含首站、分輸站、壓氣站、清管站、末站等，根據(jù)場站內(nèi)點數(shù)的不同，在各場站設置不同規(guī)模的長輸管道站控系統(tǒng)(PCS)，PCS作為整條管線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)的重要組成部分，技術(shù)要求一般包括以下內(nèi)容：

1) 儀表與自動控制系統(tǒng)連續(xù)地監(jiān)視和自動控制管道的運行，保證人身、管道、設備的安全。

2) 全線所有場站達到無人操作、有人值守的運行管理水平。

3) 在保證安全的前提下，確保為下游用戶連續(xù)供氣，同時滿足環(huán)保的要求[1]。

4) 選擇合理的檢測控制設備、系統(tǒng)配置方案、輸氣管道應用軟件，使管道以最低的運行成本和最優(yōu)的工況下正常運行。

5) 在技術(shù)先進和經(jīng)濟合理的前提下，盡可能地提高計量系統(tǒng)的準確度，貿(mào)易計量系統(tǒng)應滿足體積和熱值交接的需求。

1 長輸管道站控系統(tǒng)現(xiàn)狀

一般而言，場站內(nèi)的主要控制對象包括： 壓縮機、過濾分離器、清管器收發(fā)裝置、消防、自用氣、配電發(fā)電機等設備。PCS的主要任務是保證管線安全、可靠、平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟地運行，控制主要通過可編程控制器(PLC)實現(xiàn)以下基本功能： 向控制中心上傳數(shù)據(jù)和報警信息；接受和執(zhí)行調(diào)控中心的控制命令，控制和調(diào)整設定值，并能獨立工作[2]；接受控制中心的控制命令，對站內(nèi)工藝設備進行啟、停操作；設備運行故障自診斷，并把信息傳輸至控制中心。

截至目前，在長輸管線處于壟斷地位的進口控制系統(tǒng)供應商都有數(shù)十年的行業(yè)應用背景，積累了豐富的應用經(jīng)驗。因此，這些系統(tǒng)供應商所提供的自動化控制系統(tǒng)具有很好的針對性，控制系統(tǒng)軟件功能模塊與行業(yè)工藝流程緊密結(jié)合，能滿足平臺工程的特殊要求。這些系統(tǒng)供應商包括Emerson，AB，Quantum等，共同占據(jù)了中國大部分的控制系統(tǒng)市場[3]。

同時，隨著越來越多的計算機網(wǎng)絡技術(shù)應用到工業(yè)自動化控制領域，工業(yè)控制系統(tǒng)也受到越來越多的安全威脅，特別是“震網(wǎng)”病毒和“勒索”病毒事件[4]發(fā)生以來，工業(yè)控制系統(tǒng)的安全面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。目前，工業(yè)控制系統(tǒng)安全防御技術(shù)大多采用防火墻技術(shù)，通過設置黑名單、白名單的方式阻止外來的威脅，但該方法是基于先驗知識來應對已知的威脅，并不能阻止未知的威脅，另外防火墻技術(shù)也嚴重影響了工業(yè)控制系統(tǒng)對實時性的要求。因此，選用國產(chǎn)自主可控PLC滿足長輸管道場站的應用需求變得越來越迫切。

國產(chǎn)SCADA經(jīng)過十多年的發(fā)展，在其他控制要求復雜、環(huán)境安全要求高的應用領域中也取得了很大進展，在大型煉化、石化項目中已經(jīng)有較多的應用業(yè)績[5]，系統(tǒng)標稱的規(guī)模、可靠性和開放性也能滿足控制的要求，目前已經(jīng)具備了與國際主流控制系統(tǒng)在高端應用上同臺競爭的能力[6]。本文將針對自主可控的國產(chǎn)PLC產(chǎn)品在站控方面的應用展開討論。

2 長輸管道遠程監(jiān)控難點

2.1 網(wǎng)絡管理及設備信息化

長輸管道系統(tǒng)中，場站的數(shù)量可多至數(shù)十個，地理分布分散；整個管道的場站和閥室也要根據(jù)市場情況進行改擴建，這對系統(tǒng)通信架構(gòu)的靈活性和可擴展性提出了很高的要求，因此需要加強對場站局域網(wǎng)的建設及管理[7]，同時還需要提高設備的信息化水平。

信息化、智能化、智慧化是工業(yè)發(fā)展的趨勢，但是要實現(xiàn)真正的智能化、智慧化，必須是在大數(shù)據(jù)的基礎上，不斷豐富底層設備信息，獲取底層設備運行參數(shù)、工藝運行參數(shù)、生產(chǎn)報表數(shù)據(jù)和SCADA的運行參數(shù)。

2.2 基于無人值守的場站遠程維護

無人值守在場站建設中是熱門話題，調(diào)控中心離場站距離遠，長期派駐人員成本高，但基于調(diào)控中心管理的遠程維護又不便，實時性也不夠，而且目前的遠程維護和遠程管理方式是采用遠程桌面的方式進行監(jiān)控和管理，由于所有的權(quán)限管理僅由遠程登錄密碼實現(xiàn)管理，存在安全隱患。該應用方式導致控制系統(tǒng)在SCADA中缺乏針對遠程運維的日志記錄，因此難以進行后續(xù)管理和追溯。

基于遠程場站的無人值守不僅要實現(xiàn)遠程操作和監(jiān)視，更需要根據(jù)工藝的變化執(zhí)行遠程組態(tài)更新和調(diào)試，以及場站組態(tài)報警、趨勢設置、數(shù)據(jù)鏈路同步等。

3 基于國產(chǎn)PLC的長輸管道站控遠程監(jiān)控方案

在保證安全生產(chǎn)的前提下，長輸管道站控遠程監(jiān)控是實現(xiàn)長輸管道信息化生產(chǎn)、無人值守化管理的一種生產(chǎn)模式[8]。

3.1 場站SCADA控制及設備信息化

無人值守站必須建立在合理的系統(tǒng)控制方案和完備的信息化管理基礎上，場站工藝系統(tǒng)是核心，主要由過濾分離設備、旋風分離器、清管器收發(fā)設備、各類工藝閥門、調(diào)壓設備、計量設備、檢測儀表和站內(nèi)工藝管道等構(gòu)成。工藝系統(tǒng)主要設備的工作狀態(tài)和運行參數(shù)需要上傳至站控系統(tǒng)、輸氣管理處和調(diào)度控制中心。場站工藝控制主要包括以下內(nèi)容：

1) 閥門、撬體、檢測儀表的單體控制。現(xiàn)場的工藝設備按照控制要求，需滿足三級權(quán)限控制，并且要完成單體功能控制，實現(xiàn)設備的單體自動化。

2) 過濾分離流程切換、計量調(diào)壓流程切換等控制。根據(jù)工藝設計，輸氣站每塊功能區(qū)的工藝流程均設計為2條支路或多條支路，以滿足天然氣調(diào)輸、流程切換、故障支路檢修時進行支路流程切換或啟用多條支路進行天然氣輸氣的需求。

3) 啟停站控制。在正常工況下，可由調(diào)控中心按照生產(chǎn)計劃任務的完成情況控制啟停站。

4) 緊急停車系統(tǒng)(ESD)安全聯(lián)鎖保護控制。如果場站內(nèi)發(fā)生大的緊急事故，ESD會緊急關(guān)斷進出場站的控制閥，同時打開放空閥，保證人身安全。

5) SCADA需支持OPC，Modbus RTU/TCP，IEC 104等工業(yè)常用的通信接口，以滿足系統(tǒng)對第三方系統(tǒng)的集成要求。

場站設備信息化集成是整個行業(yè)信息化發(fā)展的短板，無人值守場站必須在底層設備信息化的基礎上，實現(xiàn)自動化設備統(tǒng)一管理及維護，在專業(yè)維護團隊的輔助下，真正實現(xiàn)無人值守場站運行。

3.2 面向無人值守場站的系統(tǒng)解決方案

場站通過PLC實現(xiàn)壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)的采集及顯示，可實現(xiàn)閥門遠程控制及狀態(tài)顯示；實現(xiàn)了過濾分離、計量調(diào)壓流程自動切換、進站壓降速率等聯(lián)鎖保護功能；PLC可通過HART協(xié)議采集設備信息，實現(xiàn)了設備的信息化管理，并可通過設備管理服務器對現(xiàn)場智能設備遠程管理及維護。

場站控制系統(tǒng)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)與火氣系統(tǒng)、調(diào)壓撬系統(tǒng)、計量撬系統(tǒng)、低壓配電柜、發(fā)電機、UPS、安全儀表系統(tǒng)(SIS)和放空火炬等第三方設備的通信，采用Modbus RTU協(xié)議，連接方式為RS-232或RS-485，同時實現(xiàn)了場站SCADA的面板控制、報警、日志、趨勢及系統(tǒng)診斷等功能。

場站操作站提供了人性化的界面，運行人員通過操作站實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，并自動完成歸檔、存儲、報表打印等功能。操作站只負責與通信服務器之間的通信，對于采集的數(shù)據(jù)采取逢變則報的方式，大幅減少了數(shù)據(jù)的傳送量，從而降低了輪詢周期。

專用通信前置機作為站控SCADA的通信服務器，承接著與PLC、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、上下游閥室的通信，他們之間采用Modbus TCP協(xié)議，連接方式為以太網(wǎng)；專用通信前置機同時對站控SCADA和調(diào)控中心SCADA提供IEC 104協(xié)議服務，通過以太網(wǎng)與調(diào)控中心VxHistrain數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

機組ESD的輸入/輸出信號等必須采用硬線連接；通過LAN完成UPS與PCS之間的普通信息交換，采用標準的冗余TCP/IP以太網(wǎng)，通信協(xié)議采用標準的Modbus TCP/IP協(xié)議；串口通信物理接口采用RS-232/RS-485，通信協(xié)議采用標準的Modbus RTU；閥室RTU的數(shù)據(jù)通過2條冗余的光纖鏈路接入上一級或下一級的場站中。

通過上述的系統(tǒng)配置，可實現(xiàn)整個場站的自動化、信息化管理，同時通過時鐘同步方案、遠程維護解決方案、全網(wǎng)診斷方案、全系統(tǒng)防病毒方案[9]和單站網(wǎng)絡方案輔助，實現(xiàn)無人值守場站的系統(tǒng)架構(gòu)?；谕ㄓ每刂破飨到y(tǒng)GCS(general control system)平臺的場站信息化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于GCS平臺的場站信息化結(jié)構(gòu)示意

3.2.1時鐘同步方案

調(diào)控中心實時數(shù)據(jù)服務器通過GPS授時設備進行多級定時校時，調(diào)控中心和場站服務器通過實時數(shù)據(jù)服務器進行定時校時。當場站與調(diào)控中心網(wǎng)絡出現(xiàn)連接故障時，場站服務器通過場站RCI服務器進行定時校時，同時為了提高精度，在場站內(nèi)部網(wǎng)絡層系統(tǒng)可采用IEEE 1588高精度時鐘同步進行補充[10]。

3.2.2遠程維護方案

調(diào)控中心遠程維護站部署了RDMSClient客戶端工具，場站服務器部署了RDMSServer服務器工具；遠程維護站通過RDMSClient客戶端訪問場站RDMSServer服務器進行遠程場站組態(tài)維護。通過建設專用加密隧道的方式，實現(xiàn)整體網(wǎng)絡的一體化處理，其中加密隧道通過自動識別兩端網(wǎng)絡設備以及對應的PLC設備，無需人工干預即可自動連接成一條完整的加密通信鏈路，實現(xiàn)即插即用。

采用基于作業(yè)流的對等通信方式，可在場站內(nèi)發(fā)起服務模式，指定遠程某個接入用戶具備接入及遠程管理能力，并可通過統(tǒng)一的時鐘，設定鏈接維護的時間，在超出維護時間后，鏈接自動關(guān)閉。所有的遠程操作均具備自動記錄功能，保證操作的可追溯性。

3.2.3全網(wǎng)診斷方案

調(diào)控中心通過SNMP協(xié)議實現(xiàn)對天津LNG場站及閥室通信設備的全網(wǎng)診斷功能，通過SCADA直接查看全線場站及閥室網(wǎng)絡設備連接狀態(tài)，進行故障分析。

3.2.4全系統(tǒng)防病毒方案

卡巴斯基防病毒軟件安裝在現(xiàn)場每臺采用Windows的服務器和站控機上，并且與SCADA完全兼容，不影響SCADA軟件的正常運行。OPC服務器承載著病毒庫更新功能，遠程維護站穿越防火墻向OPC服務器自動更新病毒庫，為調(diào)控中心及場站服務器提供病毒庫源，實現(xiàn)病毒庫自動更新。

3.2.5單站網(wǎng)絡方案

通信設備工業(yè)交換機進行Vlan劃分，將每個場站的網(wǎng)絡邏輯鏈路進行隔離，使每個場站構(gòu)建獨立的局域網(wǎng)，縮小了網(wǎng)絡規(guī)模，提高了控制網(wǎng)絡的安全性，同時減輕了控制網(wǎng)絡的管理難度，基于GCS平臺的遠程監(jiān)控拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于GCS平臺的遠程監(jiān)控拓撲結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)束語

基于GCS的長輸管線PCS實現(xiàn)了對場站運行參數(shù)的集中檢測、控制、上傳和下載，減少了維護人員的工作量[11]，部分實現(xiàn)了管道場站的“無人操作，少人值守”?；贕CS的控制系統(tǒng)產(chǎn)品充分發(fā)揮了配置靈活、開放性好、安全可靠、性能優(yōu)良、擴展方便、易于調(diào)試的優(yōu)點，使場站PCS的安全性和穩(wěn)定性有了可靠保障。在天津LNG的實際應用中，調(diào)控中心的管理人員可以通過操作站監(jiān)控畫面或大屏幕清楚地了解各個場站的運行數(shù)據(jù)，使管理更加有針對性，有效地提高了長輸管線的運行管理水平。