成品油管道首站自動(dòng)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造實(shí)踐

文/陳志勇

0 引言

成品油管道作為當(dāng)前成品油資源大范圍調(diào)配的主要方式，因其大量、高效、節(jié)能的特性，在國(guó)家能源配置中發(fā)揮重要作用，因此管道運(yùn)行的安全平穩(wěn)意義重大。管道企業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）作為成品油管道的神經(jīng)控制中樞，其安全性、穩(wěn)定性和可靠性，決定了成品油管道控制及運(yùn)行的安全。隨著部分油氣輸送管道進(jìn)入運(yùn)營(yíng)中晚期，配套SCADA 系統(tǒng)在軟件和硬件方面都無(wú)法匹配運(yùn)行需要，部分管道企業(yè)嘗試國(guó)產(chǎn)化改造，取得較好的應(yīng)用效果，但現(xiàn)有文獻(xiàn)較多關(guān)注系統(tǒng)設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)架構(gòu)，關(guān)于改造實(shí)施過(guò)程的內(nèi)容很少。本文通過(guò)闡述某成品油管道首站自動(dòng)控制系統(tǒng)改造實(shí)施過(guò)程，總結(jié)改造過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，為今后開(kāi)展類似改造提供參考借鑒。

1 某成品油管道首站自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

項(xiàng)目改造的成品油管道首站SCADA 系統(tǒng)原采用美國(guó)Honeywell PKS 系統(tǒng)，型號(hào)為C200和C300（后增）的站控系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)于2004年投用，使用期已超過(guò)17年，可靠性和穩(wěn)定性降低；加之該系統(tǒng)在已經(jīng)停止安全支持更新的微軟Windows2000平臺(tái)上運(yùn)行，安全性和兼容性矛盾凸顯。同時(shí)，Honeywell PKS 系統(tǒng)原廠硬件已停止生產(chǎn)，沒(méi)有足夠的備件開(kāi)展維護(hù)和維修，也無(wú)法滿足進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)的需要，且受中美貿(mào)易摩擦影響無(wú)法順利進(jìn)口，給將來(lái)的運(yùn)行生產(chǎn)帶來(lái)隱患。綜上，必須對(duì)首站SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行改造，以滿足現(xiàn)有和擴(kuò)大生產(chǎn)的需要。但實(shí)施改造面臨以下難點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)點(diǎn)多。該首站經(jīng)過(guò)多次擴(kuò)容改造，SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)點(diǎn)達(dá)到3000多點(diǎn)，逐個(gè)梳理工作量大；由于投用時(shí)間較長(zhǎng)，信號(hào)線的線標(biāo)出現(xiàn)老化褪色甚至存在錯(cuò)誤，重新拆裝時(shí)容易發(fā)生接線錯(cuò)誤。

（2）接線混亂。由于前期對(duì)于自控機(jī)房布線沒(méi)有進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)接線混亂；改造施工時(shí)增加的信號(hào)線隨意擺放，層層擠壓，清理難度極大。

（3）拆分難度大。該首站屬于兩條長(zhǎng)輸管道的聯(lián)絡(luò)站，本次改造的是其中一條管道的首站部分，在改造同時(shí)另一條管道仍在生產(chǎn)；同時(shí)由于機(jī)構(gòu)改革，該首站原有的站場(chǎng)與油庫(kù)分屬不同公司，需要在本次改造中進(jìn)行拆分，增加了工作的難度。

（4）改造工況時(shí)間短。由于該條長(zhǎng)輸管道輸量非常飽滿，因此，停輸改造工況時(shí)間短，進(jìn)一步增加了改造的難度。

2 改造過(guò)程

改造項(xiàng)目實(shí)施主要流程如圖1所示。

圖1 SCADA系統(tǒng)改造實(shí)施流程

2.1 前期調(diào)研設(shè)計(jì)

前期工作重點(diǎn)梳理包括報(bào)警聯(lián)鎖表、聯(lián)鎖邏輯及人機(jī)界面（HMI）位號(hào)關(guān)聯(lián)、操作習(xí)慣等內(nèi)容。同時(shí)，對(duì)于復(fù)雜控制，采用將廠家解讀后整理的控制方案與由管道運(yùn)營(yíng)方自控、工藝人員編寫相關(guān)的操作說(shuō)明相結(jié)合的方式，來(lái)保證復(fù)雜控制方案的正確性。

自控人員對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)中的工藝流程圖采用截屏、拍照等方式獲取流程圖樣張，同時(shí)由工藝人員簽字確認(rèn)是否需要進(jìn)行修改。

硬件在生產(chǎn)之前，運(yùn)營(yíng)方和設(shè)計(jì)院需認(rèn)真審核廠家提交的設(shè)計(jì)圖紙及設(shè)備清冊(cè)。

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)工作

考慮到項(xiàng)目改造的特殊性，一般前期90%的設(shè)計(jì)工作需要安排在廠家完成。為了保證項(xiàng)目上電后一次成功，在聯(lián)合組態(tài)階段，運(yùn)營(yíng)方自控、工藝相關(guān)人員必須深度參與，完成對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)控制程序解讀、新系統(tǒng)控制程序編寫和仿真、HMI 繪制等工作。

（1）詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。

詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程包括：依據(jù)相關(guān)規(guī)則編制項(xiàng)目文控編碼；依據(jù)相關(guān)規(guī)則編制項(xiàng)目設(shè)備編碼；依據(jù)現(xiàn)有方案完成項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)及實(shí)施方案；按照現(xiàn)有站控進(jìn)行輸入輸出測(cè)點(diǎn)（IO）分配；編制現(xiàn)有組態(tài)和設(shè)備編碼規(guī)則，完成機(jī)柜設(shè)計(jì)；完成原有機(jī)柜數(shù)字輸出控制（DO）部分轉(zhuǎn)接端子設(shè)計(jì)并提交審查（需再次確認(rèn)原有機(jī)柜空間）；完成機(jī)柜間端子接線表；完成機(jī)柜間電纜預(yù)制設(shè)計(jì)。

（2）站控SCADA 與可編程邏輯控制器聯(lián)合組態(tài)。

擬定的聯(lián)合組態(tài)工作內(nèi)容包括：討論、制定功能設(shè)計(jì)規(guī)格-人機(jī)界面（FDS-HMI）；根據(jù)FDS-HMI，完成HMI 圖例；根據(jù)終版流程圖樣張，完成靜態(tài)流程圖畫(huà)面；根據(jù)IO 分配表生成IO 位號(hào)表，核對(duì)位號(hào)名、量程、單位、報(bào)警值等信息；根據(jù)終版控制方案，在組態(tài)軟件中完成程序；對(duì)已完成的靜態(tài)流程圖添加動(dòng)態(tài)鏈接；對(duì)聯(lián)鎖、順控等復(fù)雜控制，在流程圖上進(jìn)行仿真，并形成仿真測(cè)試記錄；完成第三方系統(tǒng)通信組態(tài)；將通信測(cè)點(diǎn)加到流程圖；逐一審核每張流程圖，并對(duì)問(wèn)題項(xiàng)進(jìn)行匯總，供后續(xù)銷項(xiàng)，閉環(huán)管理；根據(jù)報(bào)表樣張及要求，制作報(bào)表；完成歷史趨勢(shì)組態(tài)；設(shè)置監(jiān)控賬戶權(quán)限。

聯(lián)合組態(tài)需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容包括：認(rèn)真仔細(xì)解讀原有組態(tài)；分析原有組態(tài)，畫(huà)出聯(lián)鎖邏輯圖、功能塊圖（關(guān)鍵控制點(diǎn)）；分析各控制功能塊，并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，編寫通用控制系統(tǒng)（GCS）平臺(tái)下控制功能塊；分析組態(tài)編制設(shè)備列表；按照聯(lián)鎖邏輯圖編寫新系統(tǒng)平臺(tái)聯(lián)鎖控制程序；根據(jù)原有SCADA 系統(tǒng)導(dǎo)出導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)清單，并設(shè)置位號(hào)屬性；根據(jù)原有SCADA 系統(tǒng)編制新系統(tǒng)用戶模板（1∶1制作），保證操作習(xí)慣；根據(jù)原有SCADA系統(tǒng)編制新系統(tǒng)用戶畫(huà)面（1∶1制作），保證操作習(xí)慣；多人交叉核對(duì)控制程序（關(guān)鍵控制點(diǎn)）。

（3）調(diào)控中心SCADA 組態(tài)及測(cè)試。

改造后的首站站控新系統(tǒng)要通過(guò)用于過(guò)程控制的對(duì)象鏈接和嵌入（OPC）接入原有SCADA 平臺(tái)，前期設(shè)計(jì)編制《調(diào)控中心SCADA-站控點(diǎn)位對(duì)應(yīng)關(guān)系表》，并按此對(duì)調(diào)控中心進(jìn)行組態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施前在調(diào)控中心進(jìn)行模擬測(cè)試，測(cè)試完畢后方可實(shí)施。

2.3 出廠驗(yàn)收測(cè)試

出廠驗(yàn)收測(cè)試（FAT）的好壞決定了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間的長(zhǎng)短和質(zhì)量，需要認(rèn)真對(duì)待、高度重視。在系統(tǒng)出廠前，運(yùn)營(yíng)方自控、工藝人員與廠家共同完成系統(tǒng)的出廠測(cè)試，共同制定項(xiàng)目出廠測(cè)試大綱，明確測(cè)試的方法、內(nèi)容。

出廠測(cè)試重點(diǎn)對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試：系統(tǒng)配置檢查、硬件安裝質(zhì)量、控制系統(tǒng)上電；模擬工程應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行軟硬件功能測(cè)試、性能測(cè)試；與第三方設(shè)備的集成測(cè)試等，力爭(zhēng)將所有設(shè)計(jì)問(wèn)題在系統(tǒng)出廠前解決，以減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，保證現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試進(jìn)度。

出廠FAT 測(cè)試應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：是否符合設(shè)計(jì)要求；機(jī)柜供電測(cè)試是否符合設(shè)計(jì)要求；新系統(tǒng)控制器冗余測(cè)試是否符合設(shè)計(jì)要求；機(jī)柜IO 通道測(cè)試是否存在異常；檢查預(yù)制電纜是否與設(shè)計(jì)相符并核對(duì)、檢查電纜標(biāo)識(shí)是否正確；檢驗(yàn)控制程序運(yùn)行是否正確，調(diào)試控制邏輯是否達(dá)到預(yù)期要求；檢驗(yàn)SCADA 組態(tài)是否正確，調(diào)試SCADA 組態(tài)與可編程邏輯控制器（PLC）連接；組態(tài)聯(lián)調(diào)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控及聯(lián)鎖控制是否符合要求；調(diào)控中心SCADA 組態(tài)模擬測(cè)試是否正常。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程

運(yùn)營(yíng)企業(yè)對(duì)于施工作業(yè)項(xiàng)目應(yīng)建立從方案審批到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管一系列管理制度，以規(guī)范施工過(guò)程管理、分析作業(yè)存在風(fēng)險(xiǎn)并加以管控，確保作業(yè)安全。由于項(xiàng)目首站功能復(fù)雜，改造施工時(shí)邊生產(chǎn)邊作業(yè)，存在的風(fēng)險(xiǎn)因素更多，因此施工方案的編制和過(guò)程管理必須按要求落實(shí)到位。

（1）審批手續(xù)辦理。

首先開(kāi)展變更審批。由于對(duì)長(zhǎng)輸管道的首站控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，屬于重大變更，因此運(yùn)營(yíng)方需提前完成變更管理。運(yùn)營(yíng)方成立包括申請(qǐng)單位業(yè)務(wù)分管負(fù)責(zé)人、相關(guān)專業(yè)人員及基層站場(chǎng)人員在內(nèi)的變更評(píng)估小組，對(duì)變更內(nèi)容以及可能帶來(lái)的影響進(jìn)行安全評(píng)估，報(bào)請(qǐng)公司安全總監(jiān)和業(yè)務(wù)主管副總工程師審核，由公司分管領(lǐng)導(dǎo)審批后實(shí)施。

然后完成施工方案審批。運(yùn)營(yíng)方與作業(yè)施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和施工需要，共同開(kāi)展作業(yè)安全分析，評(píng)估確定存在的危害和風(fēng)險(xiǎn)，提出針對(duì)性的控制措施，編制施工及安全技術(shù)方案。方案內(nèi)容主要包括：制定依據(jù)和說(shuō)明、工程概況、組織機(jī)構(gòu)及職責(zé)、作業(yè)資源配置、作業(yè)實(shí)施步驟、風(fēng)險(xiǎn)分析及安全技術(shù)措施、應(yīng)急措施或應(yīng)急預(yù)案（消防、逃生及應(yīng)急保障措施、環(huán)境保護(hù)措施、人員健康措施）、檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。公司級(jí)施工及安全技術(shù)方案，由基層單位申請(qǐng)，經(jīng)二級(jí)單位專業(yè)、安全管理部門會(huì)簽，由二級(jí)單位負(fù)責(zé)人審簽后，報(bào)公司業(yè)務(wù)主管部門、安全管理部門和有關(guān)部門審核，最后由公司分管領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)實(shí)施。

最后完成工況請(qǐng)求。項(xiàng)目改造站場(chǎng)為長(zhǎng)輸管道首站，改造期間管道無(wú)法正常輸油，施工窗口期既要滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的基本要求，確保安全，又要兼顧煉廠、客戶庫(kù)容和需求，避免造成煉廠停產(chǎn)、市場(chǎng)脫銷，必須提前規(guī)劃。運(yùn)營(yíng)單位一方面與廠家共同優(yōu)化施工工序，壓縮施工工期；另一方面與上下游各方協(xié)調(diào)，提前做好油品儲(chǔ)備調(diào)整，滿足接收上游油品、保障下游供應(yīng)的準(zhǔn)備，以確定施工工期。

（2）施工前準(zhǔn)備工作。

施工前準(zhǔn)備工作包括人員、材料機(jī)具及標(biāo)記檢查、現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)等（見(jiàn)表1）。

表1 施工前準(zhǔn)備工作內(nèi)容

（3）施工過(guò)程管理。

正式施工開(kāi)展前，要對(duì)施工條件再次確認(rèn)。運(yùn)營(yíng)方確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備已停運(yùn)，采取有效的能量隔離及鎖定措施，確保在改造實(shí)施過(guò)程中不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備誤動(dòng)作導(dǎo)致異常事件發(fā)生。運(yùn)營(yíng)方與廠家共同開(kāi)展施工前現(xiàn)場(chǎng)安全確認(rèn)，組織對(duì)照作業(yè)安全分析（JSA）結(jié)果，對(duì)存在風(fēng)險(xiǎn)及措施落實(shí)情況進(jìn)行核實(shí)，辦理相關(guān)票證。運(yùn)營(yíng)方現(xiàn)場(chǎng)指揮簽字確認(rèn)后，方可開(kāi)展施工作業(yè)。

施工作業(yè)分為兩個(gè)階段。第一階段為硬件拆裝，包括拆除原有接線并進(jìn)行整理、拆除原有機(jī)柜、安裝新機(jī)柜并接線，具體內(nèi)容見(jiàn)表2。新機(jī)柜安裝完畢后，開(kāi)始進(jìn)行第二階段系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試分為兩個(gè)部分，包括站控的單體和聯(lián)合調(diào)試以及調(diào)控中心的聯(lián)合調(diào)試。

表2 硬件拆裝工作內(nèi)容

系統(tǒng)調(diào)試的工作內(nèi)容主要包括：通信協(xié)議調(diào)試，含流量計(jì)算機(jī)、密度計(jì)、電氣SCADA、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）以及采用其他協(xié)議的輔助儀表（如含水分析儀等）；設(shè)備單體調(diào)試，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有的遠(yuǎn)控設(shè)備進(jìn)行控制測(cè)試，如閥門開(kāi)關(guān)動(dòng)作、狀態(tài)反饋；調(diào)節(jié)型閥門的調(diào)節(jié)測(cè)試；輸油泵單體的啟動(dòng)、停止控制；儀表信號(hào)測(cè)試等；聯(lián)合調(diào)試，含控制邏輯和調(diào)節(jié)控制（PID）、聯(lián)鎖保護(hù)、緊急停車裝置（ESD）、油品上載、閥室數(shù)據(jù)上傳及調(diào)試等。

系統(tǒng)調(diào)試完畢，站場(chǎng)SCADA 系統(tǒng)改造基本完成，具備投用條件。為確保管道啟輸一次順利，避免發(fā)生

意外事件，要認(rèn)真落實(shí)啟輸前檢查、啟輸過(guò)程監(jiān)護(hù)以及后續(xù)的保運(yùn)工作。啟輸前檢查工作包括：聯(lián)鎖狀況復(fù)查，按照設(shè)計(jì)給出的聯(lián)鎖表，對(duì)系統(tǒng)聯(lián)鎖狀態(tài)進(jìn)行復(fù)查；網(wǎng)絡(luò)狀況復(fù)查，對(duì)SCADA 系統(tǒng)的通信狀態(tài)進(jìn)行復(fù)查，保證通信正常；PLC 狀況復(fù)查，對(duì)PLC 設(shè)備進(jìn)行檢查，確認(rèn)是否運(yùn)行正常。

系統(tǒng)運(yùn)行正常，管道開(kāi)始啟輸，此時(shí)需要注意觀察系統(tǒng)狀態(tài)，廠家應(yīng)全程跟蹤啟輸過(guò)程，查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；運(yùn)營(yíng)方調(diào)度操作及監(jiān)護(hù)人員，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常；對(duì)啟輸過(guò)程中存在的問(wèn)題，影響安全運(yùn)行的必須立即處理，不影響生產(chǎn)的，可做好記錄后續(xù)分析處理。

3 主要經(jīng)驗(yàn)

通過(guò)采取上述有效的過(guò)程管理措施，提高了項(xiàng)目的完成效率和可靠性，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)間由計(jì)劃的84小時(shí)縮短為63小時(shí)，效率提升25%，系統(tǒng)調(diào)試正常，管道啟輸一次成功。主要經(jīng)驗(yàn)包括如下。

（1）前期準(zhǔn)備必須充分。項(xiàng)目實(shí)施前，運(yùn)營(yíng)方與廠家進(jìn)行充分的溝通，了解現(xiàn)有系統(tǒng)狀態(tài)和操作方法，深刻理解和解讀設(shè)計(jì)原理，按照設(shè)計(jì)要求、滿足客戶需求進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。運(yùn)營(yíng)方專業(yè)人員深度介入設(shè)計(jì)和FAT 關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提前發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并解決，避免問(wèn)題在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)。

（2）注意施工全過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)管理。項(xiàng)目從啟動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，運(yùn)營(yíng)方按照內(nèi)部管理規(guī)定開(kāi)展了變更、方案審批、現(xiàn)場(chǎng)管理，每個(gè)環(huán)節(jié)都有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，參與人員包括運(yùn)營(yíng)方和廠家的現(xiàn)場(chǎng)人員、專業(yè)人員、管理人員，各層級(jí)人員利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工具，識(shí)別存在風(fēng)險(xiǎn)、制定管控措施，確保了施工的安全順利。

（3）提前制定有針對(duì)性的解決方案。針對(duì)項(xiàng)目線標(biāo)褪色、脫落、錯(cuò)誤情況，提前進(jìn)行檢查、完善、拍照留存并打印線標(biāo)，拆線時(shí)逐個(gè)線纜更換線標(biāo)，保證接線準(zhǔn)確。針對(duì)線路層疊問(wèn)題，通過(guò)人工逐條、逐層梳理，避免硬拉拖拽損傷線纜。

（4）運(yùn)營(yíng)方與廠家協(xié)作提高效率。項(xiàng)目改造過(guò)程中，廠家和運(yùn)營(yíng)方的管理層在現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，專業(yè)負(fù)責(zé)人在現(xiàn)場(chǎng)提供技術(shù)支持，各小組成員按施工組織機(jī)構(gòu)分工協(xié)作，遇到技術(shù)問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)研究解決，保證了施工進(jìn)度。

4 研究建議

4.1 SCADA去操作系統(tǒng)化

現(xiàn)有SCADA 系統(tǒng)軟件運(yùn)行在電腦操作系統(tǒng)上，一旦操作系統(tǒng)停止軟件支持，還是會(huì)給安全運(yùn)行帶來(lái)一定的隱患，需要國(guó)產(chǎn)化廠商開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)的電腦操作系統(tǒng)，避免操作系統(tǒng)對(duì)SCADA 系統(tǒng)的影響。

4.2 機(jī)房布線規(guī)范化管理

項(xiàng)目中存在的問(wèn)題主要來(lái)源于早期施工和擴(kuò)容改造過(guò)程不規(guī)范，在今后的設(shè)計(jì)和施工中，必須規(guī)范化布線，既方便日常的維護(hù)和故障排查處理，也為將來(lái)可能實(shí)施的更新改造預(yù)留空間和提供便利。