輸油管道SCADA 系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)

崔志誠，馬 勝，廉小偉

（河北華北石油工程建設有限公司，任丘062552）

SCADA 系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，由調(diào)控中心控制系統(tǒng)、站場控制系統(tǒng)、遠程終端設備（RTU）和相關通信系統(tǒng)組成，長輸管道的生產(chǎn)過程監(jiān)視與控制、設備遠程控制以及調(diào)度策略優(yōu)化等都依靠SCADA 系統(tǒng)來實現(xiàn)[1-2]。為優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)妥地做好輸油管道SCADA 系統(tǒng)試運投產(chǎn)的各項工作， 確保輸油管道安全、可靠、經(jīng)濟、順利的投入生產(chǎn)，需要在試運投產(chǎn)前高效率、高質(zhì)量地完成輸油管道SCADA系統(tǒng)調(diào)試工作[3]。 本文以尼日爾管道3 號站加泵工程SCADA 系統(tǒng)調(diào)試為基礎，對SCADA 系統(tǒng)調(diào)試的施工組織、調(diào)試工藝及方法、關鍵環(huán)節(jié)調(diào)試技術(shù)進行了探討。

1 工程概述

1.1 工程概況

尼日爾管道SCADA 系統(tǒng)設有1 座調(diào)控中心，多座場站和RTU 閥室， 各場站和RTU 閥室通過通信系統(tǒng)與調(diào)控中心連接。 系統(tǒng)控制水平分為三級，即中心控制級、站場控制級、就地控制級，保障輸油管道安全、高效運行。

尼日爾管道3 號站加泵工程擬在3 號站內(nèi)增加一臺外輸泵以滿足原油輸量的要求， 同時對工藝、電氣、通信、儀表及自動化系統(tǒng)進行適應性改造。 3 號站控制系統(tǒng)包括過程控制系統(tǒng)和獨立的安全儀表系統(tǒng)，采用PLC 作為控制單元、計算機作為操作站（即人機交互界面），通過計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)通信接口設備等相連。 站場控制系統(tǒng)中的所有監(jiān)控設備采用局域網(wǎng)形式連接，局域網(wǎng)設有冗余機制。

1.2 改造方案

站控系統(tǒng)增加1 面PLC 系統(tǒng)I/O 擴展機柜用于本次改造的擴展，I/O 擴展機架接入原PLC 系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)成完整系統(tǒng)。 在原ESD 系統(tǒng)控制機柜內(nèi)增加I/O 卡件進行擴容，并與原系統(tǒng)融合。

為完成站控系統(tǒng)的擴容，在系統(tǒng)中配置相應的軟件，通過編程、組態(tài)、調(diào)試等工作，最終實現(xiàn)站控系統(tǒng)對工藝過程及各種設備（包括泵控制系統(tǒng)）的實時監(jiān)視和控制，完成數(shù)據(jù)的調(diào)取和上傳。 新增上位機畫面風格、編程語言和原控制系統(tǒng)保持一致。新增泵及閥門等站控邏輯、ESD 邏輯控制水平與原系統(tǒng)保持一致，控制邏輯按原有系統(tǒng)風格執(zhí)行，并納入原系統(tǒng)，構(gòu)成完整PLC 系統(tǒng)和ESD 系統(tǒng)。 站控系統(tǒng)在完成信號采集、實時監(jiān)控的同時，還需滿足信號上傳調(diào)控中心的要求。 3 號站新增輸入/輸出量如表1 所示。 由于擴建部分中影響管線水擊保護系統(tǒng)的信號需上傳至水擊保護系統(tǒng)，需要修改水擊系統(tǒng)程序并完成測試。

表1 新增輸入/輸出量Tab.1 New input / output

2 調(diào)試工藝流程及主要調(diào)試方法

2.1 調(diào)試工藝流程

調(diào)試工藝流程如圖1 所示。

為保證SCADA 系統(tǒng)調(diào)試工作在進度、質(zhì)量、安全方面順利有序進行，制定了嚴謹?shù)恼{(diào)試計劃并進行了科學的組織。 調(diào)試工作被劃分為以上5 個層次，根據(jù)“嚴格分層、平行作業(yè)”的原則進行調(diào)試，由于工藝設備、過程控制等重要環(huán)節(jié)多在站場，所以Ⅱ?qū)雍廷髮邮钦{(diào)試工作的重點[4]。

圖1 調(diào)試工藝流程Fig.1 Commissioning process

2.2 主要調(diào)試方法

2.2.1 調(diào)試準備

1）技術(shù)準備

調(diào)試所需技術(shù)文件主要有設計文件、SCADA 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書、設備技術(shù)規(guī)格書、系統(tǒng)組態(tài)資料、生產(chǎn)工藝流程、現(xiàn)場驗收測試（SAT）文件等。調(diào)試前需明確SCADA 系統(tǒng)應滿足工藝過程的應用功能，做好技術(shù)交底，確保調(diào)試工作依據(jù)相關標準規(guī)范及經(jīng)批復的調(diào)試方案進行。

2）人員準備

調(diào)試總負責人1 名，負責從進度、質(zhì)量、安全等方面對調(diào)試工作進行全面把控以及與各單位溝通協(xié)調(diào)，下設若干作業(yè)小組并確定各小組職責，具體人員配置如下：

調(diào)控中心：總負責人1 名，系統(tǒng)維護人員4 名，通信專業(yè)人員1 名， 施工單位2 名/調(diào)度臺，SCADA系統(tǒng)廠家2 名/調(diào)度臺。

被控端：施工單位2 名/組，SCADA 系統(tǒng)廠家1名/組，供電段2 名/組，驗收人員2 名/組。

3）調(diào)試前應具備的條件

SCADA 系統(tǒng)設備出廠前，應完成工廠驗收測試（FAT），經(jīng)相關單位驗收并取得驗收報告；SCADA系統(tǒng)軟件/硬件按要求安裝完畢； 站場變配電系統(tǒng)（包括UPS 系統(tǒng)）及通訊系統(tǒng)安裝、調(diào)試完成，驗收合格并投入運行；相關電纜敷設、機柜接線、接地系統(tǒng)安裝完成且驗收合格； 相關儀表經(jīng)檢定校驗合格，安裝完畢且驗收合格；相關單體（或成套）工藝設備安裝、試運完成且驗收合格。

2.2.2 控制室內(nèi)設備調(diào)試

調(diào)試主要流程如圖2 所示。

圖2 控制室內(nèi)設備調(diào)試流程Fig.2 Control room equipment commissioning process

其中主要調(diào)試內(nèi)容如下：

1）上電前檢查

在確保系統(tǒng)內(nèi)設備已全部安裝完畢的前提下，主要檢查調(diào)試環(huán)境、接地系統(tǒng)、電源及UPS 系統(tǒng)、電纜、硬件等。 調(diào)試環(huán)境（溫度、濕度、清潔度等）應符合要求；工作接地系統(tǒng)、保護接地系統(tǒng)及屏蔽接地應合格，接地電阻符合要求；電源及UPS 系統(tǒng)應符合設計要求；相關電纜接線無誤；機柜內(nèi)接線（包括通訊線、電源線、接地線等）正確、可靠，線徑符合設計要求；機柜及其內(nèi)部部件安裝應牢固；機柜內(nèi)各插卡、適配器及其接口的型號、安裝位置應符合設計要求，各插卡預設旋鈕位置正確[5]。

2）程序加載及系統(tǒng)啟動

SCADA 系統(tǒng)設備上電，在工程師站安裝系統(tǒng)軟件、應用軟件及數(shù)據(jù)庫。 在操作站啟動系統(tǒng)，確認系統(tǒng)無故障、無報警，待系統(tǒng)正常運行后，在各設備上安裝系統(tǒng)軟件，建立數(shù)據(jù)點表，搭建結(jié)構(gòu)，建立數(shù)據(jù)庫。 將控制網(wǎng)絡上所有節(jié)點全部啟動，確認系統(tǒng)無故障、誤報警，狀態(tài)正常。 利用測試程序?qū)刂普?、操作站等進行診斷，確認系統(tǒng)運行正常。

3）通訊測試

對站場局域網(wǎng)、調(diào)控中心局域網(wǎng)、場站與調(diào)控中心間的廣域網(wǎng)進行鏈路調(diào)試。 測試站場局域網(wǎng)中每個節(jié)點的平均響應時間、最大響應時間、丟包率，完成系統(tǒng)的性能測試。 通過網(wǎng)絡PING 方法在調(diào)控中心與站場之間進行SCADA 系統(tǒng)雙通道測試。

4）組態(tài)檢查及畫面測試

在HMI 上測試畫面切換功能，應切換方便，切換標記直觀。檢查HMI 畫面種類、數(shù)量及畫面中的工藝符號、參數(shù)、單位是否完整，檢查畫面動態(tài)顯示是否符合實際需要，畫面主要包括總覽圖、流程圖、實時趨勢圖、歷史趨勢圖、報警顯示、事件記錄等。

5）冗余測試和容錯能力測試

冗余測試主要是對服務器、控制器、通訊網(wǎng)絡、卡件、電源進行冗余測試。 容錯能力測試主要包括控制器切換時的容錯測試、控制器故障時的容錯測試、控制器斷電時的容錯測試。

2.2.3 單體設備及輔助儀表盤調(diào)試

利用過程校驗儀對現(xiàn)場單體設備及輔助儀表盤進行校準和試驗，避免因接線錯誤等原因造成設備損壞。 單體設備主要包括顯示儀表、記錄儀表、報警儀表、執(zhí)行機構(gòu)等，輔助儀表盤主要包括外輸泵、回注泵等輸油泵控制盤。

2.2.4 控制功能測試

1）輸入和輸出功能測試

系統(tǒng)會根據(jù)輸入信號的有無或類型做出不同的響應，比如當輸入信號錯誤或突然掉線時，系統(tǒng)會做出自我保護響應；當特定的輸入信號超過設定的高低限值時，系統(tǒng)會自動報警并做出提示；針對某些輸入信號，系統(tǒng)應具有濾波、開方、補償?shù)裙δ堋?針對以上功能，分別選取典型輸入類型信號，檢查系統(tǒng)功能是否正常。

2）回路測試

根據(jù)現(xiàn)場實際情況和回路的復雜程度，按位號和信號類型對各回路合理排序并進行逐一測試，每個回路及其聯(lián)鎖分支的測試應一次性完成，避免重復和遺漏，從而提高調(diào)試效率。 檢查采集信號（壓力、溫度、報警、設備狀態(tài)等）能否在HMI 正確顯示，以及命令信號（泵啟停、開關閥等）能否正常下達到現(xiàn)場設備并使之按命令動作。

3）邏輯測試

站控系統(tǒng)與現(xiàn)場設備進行聯(lián)合調(diào)試，通過對現(xiàn)場設備及HMI 的操作， 檢查設備動作是否正確，確保該邏輯符合設計要求且滿足實際生產(chǎn)需要。 測試內(nèi)容一般有泵啟停邏輯、泵切換邏輯、發(fā)球邏輯、收球邏輯等。

4）聯(lián)鎖測試

在HMI 上模擬聯(lián)鎖條件的發(fā)生，觀察是否觸發(fā)現(xiàn)場設備動作，檢查觸發(fā)后的設備動作是否符合設計要求。 需測試的工況一般有輸油泵入口壓力超過低限值、輸油泵出口壓力超過高限值、輸油泵溫度超過高限值、輸油泵振動值超過高限值等。

2.2.5 站控系統(tǒng)與電氣接口測試

主要是指站控系統(tǒng)與現(xiàn)場電氣控制盤的接口測試，根據(jù)第三方設備的通訊要求，將SCADA 系統(tǒng)與其連接并測試通訊情況，確保第三方通訊正常。

2.2.6 站控系統(tǒng)控制電氣設備試運轉(zhuǎn)

站控系統(tǒng)與電氣接口測試完畢后，斷開電氣設備主回路電源，在不帶電的情況下對電氣設備進行邏輯控制測試，確保動作的邏輯關系正確、聯(lián)鎖功能正常，然后電氣設備上電，由站控系統(tǒng)控制電氣設備進行試運轉(zhuǎn)。

2.2.7 中心控制系統(tǒng)調(diào)試

1）邏輯測試

中心控制系統(tǒng)對現(xiàn)場設備進行操作測試，檢查現(xiàn)場設備的動作是否符合設計要求，同時對第三方數(shù)據(jù)采集、模擬量和開關量數(shù)據(jù)上傳進行調(diào)試。 需要測試的邏輯有全線啟輸邏輯、全線停輸邏輯等。

2）水擊測試

在HMI 上模擬水擊條件的發(fā)生，觀察是否觸發(fā)現(xiàn)場設備動作，檢查現(xiàn)場設備動作是否正確，確保其符合設計要求。 需要測試的水擊工況有自動閥室關閉、手動閥室關閉、首站或中間站失電、中間站進站閥關閉等。

3）系統(tǒng)功能測試

測試調(diào)控中心的硬件工作情況（包括服務器冗余測試、域控測試、GPS 時間同步測試、D.E-SERVER的工作測試等）； 測試中心控制系統(tǒng)與站控系統(tǒng)和RTU 的通訊情況；測試應用軟件的傳送功能。

4）畫面測試

檢查HMI 畫面種類、 數(shù)量及畫面中的工藝符號、參數(shù)、單位是否完整，檢查畫面動態(tài)顯示是否符合實際需要，同時校核及調(diào)整站控系統(tǒng)畫面與中心控制系統(tǒng)畫面的工藝原理和I/O 點位。 畫面主要包括主畫面、主流程畫面、各站權(quán)限設置畫面、D.RTU監(jiān)控畫面等。

2.2.8 后續(xù)完善

由于調(diào)試期間現(xiàn)場條件的限制，某些設備在試運行時才具備調(diào)試條件，對此類設備在試運行期間再進行調(diào)試。 管道輸油工藝有大量調(diào)節(jié)過程，各工藝參數(shù)相互關聯(lián)，為獲得最佳工況，在試運行階段需對各調(diào)節(jié)系統(tǒng)的計算系數(shù)、設定值、PID 參數(shù)（比例度、積分時間、微分時間）等工藝參數(shù)進行精調(diào)。在SCADA 系統(tǒng)整體調(diào)試完成后，還需要協(xié)調(diào)、監(jiān)督調(diào)試期間遺留問題的整改，經(jīng)相關單位確認簽字后方可銷項。

3 重、難點及關鍵環(huán)節(jié)調(diào)試技術(shù)

3.1 回路測試

在進行回路測試時，應按時序和邏輯關系加入條件信號進行測試，并調(diào)整其工作狀態(tài)到符合設計要求為止。 當有閥門定位器時應同時對其進行測試，執(zhí)行機構(gòu)的動作方向應符合設計文件規(guī)定。 當閥門不僅要參與連續(xù)調(diào)節(jié)，而且故障狀態(tài)下要實現(xiàn)緊急全開或全關時，對閥門選型要進行確認。

3.2 柴油機泵機組啟停和控制邏輯測試

1）柴油機泵組啟停

試運轉(zhuǎn)時，柴油機泵組能夠順利啟動的條件大致如下：柴油機進氣管道連接密封可靠且進氣壓力達到啟動條件，無聯(lián)鎖停車事故，電氣系統(tǒng)正常，潤滑系統(tǒng)正常， 冷卻系統(tǒng)正常，ESD 系統(tǒng)的柴油機起動限制解除，電控柜允許起動信號燈亮起，柴油機允許起動。

2）ESD 系統(tǒng)聯(lián)鎖測試

ESD 系統(tǒng)是站場的安全保護系統(tǒng)，級別在生產(chǎn)過程控制之上，獨立運行并實時監(jiān)測設備的安全狀況。 正常情況下該系統(tǒng)處于靜態(tài)，只有當生產(chǎn)設備出現(xiàn)緊急情況時，該系統(tǒng)才會做出響應。 當聯(lián)鎖條件發(fā)生時，ESD 系統(tǒng)直接發(fā)出信號，觸發(fā)設備動作，實現(xiàn)緊急停車，對現(xiàn)場設備進行安全保護。 為保證ESD 系統(tǒng)正常有效，檢查ESD 系統(tǒng)與站控系統(tǒng)通訊情況，確保兩者數(shù)據(jù)同步更新，同時對其他重要的聯(lián)鎖組態(tài)進行檢查和測試。

3.3 組態(tài)臨時變更管理

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在SCADA 系統(tǒng)調(diào)試階段經(jīng)常發(fā)生組態(tài)臨時變更，為了做到有據(jù)可查，應建立簡單便捷的變更管理機制，使組態(tài)變更管理工作做到閉環(huán)控制，實現(xiàn)所有變更有依據(jù)、有記錄、可追蹤、可查閱。 當按要求完成組態(tài)后，組態(tài)的任何增加、刪除及修改，都需經(jīng)過有效的審查和風險評估，并經(jīng)過運行單位、調(diào)控中心簽字確認，辦理操作票后方能實行變更，組態(tài)變更過程需詳細記錄。

4 結(jié)語

長輸管道SCADA 系統(tǒng)調(diào)試關系到整個輸油管道的試運行及投產(chǎn)，項目部應給予高度的重視，由于調(diào)試工作集中，調(diào)試周期緊張，需要對該項工作進行科學、合理地組織和實施。系統(tǒng)調(diào)試工作技術(shù)含量高并且需要多專業(yè)、多工種配合，要做到對各類資源的配置進行統(tǒng)籌規(guī)劃，盡早與各相關單位溝通協(xié)調(diào)，保證調(diào)試工作的全面性，為管道安全、順利進行試運行及投產(chǎn)奠定了基礎。