浙江中控SCADA系統(tǒng)在成品油長(zhǎng)輸管道上的應(yīng)用

劉維國(guó)，李 朦，汪 濤，徐曉理，黃桂鋒

（1.中國(guó)石化銷售股份有限公司華南分公司，廣州511400；2.浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州310053）

自1973年我國(guó)建成國(guó)內(nèi)第一條成品油長(zhǎng)輸管道，即青海格爾木—西藏拉薩管道（格拉線）以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)形成了遍布西北、西南、華中和珠三角地區(qū)的成品油管道輸送系統(tǒng)，SCADA 系統(tǒng)是成品油管道運(yùn)行的“大腦”，對(duì)輸油生產(chǎn)起著重要作用[1]，但由于我國(guó)成品油管道發(fā)展較晚，SCADA 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用也長(zhǎng)期借鑒或直接使用國(guó)外的控制系統(tǒng)，如霍尼韋爾、西門子、ABB、泰爾文特、西技萊克等公司產(chǎn)品，造成長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)國(guó)外SCADA 系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重依賴[2]，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分自動(dòng)化公司也開(kāi)展了技術(shù)攻關(guān)，并形成了具有較高水平的軟硬件產(chǎn)品，逐步打破了國(guó)外系統(tǒng)的壟斷局面，但在成品油管道領(lǐng)域，還未實(shí)現(xiàn)軟硬件全部國(guó)產(chǎn)化，因此對(duì)成品油管道SCADA 系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行攻關(guān)，具有重大意義。

1 珠三角成品油SCADA 系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)應(yīng)用情況

珠三角成品油管網(wǎng)全線采用ABB SCADA 系統(tǒng)監(jiān)控，軟件為ABB SCADAvantage，硬件為ABB AC800M 系列PLC。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

整套系統(tǒng)采用集中式數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)，站控和調(diào)控中心SCADA 系統(tǒng)的上位機(jī)均直接從站場(chǎng)PLC 中采集數(shù)據(jù)。

圖1 ABB SCADA 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 ABB SCADA system architecture diagram

1.2 系統(tǒng)存在問(wèn)題及國(guó)產(chǎn)化改造意義

珠三角管線ABB SCADA 系統(tǒng)由于系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，目前存在較多問(wèn)題，例如軟硬件與新操作系統(tǒng)之間存在兼容性問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行緩慢；軟件版本、硬件固件已經(jīng)停止更新，不支持新興技術(shù)的配套應(yīng)用；維護(hù)成本非常高昂，維護(hù)效果不理想；國(guó)家能源的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)不受保障。因此，珠三角管線的SCADA 控制系統(tǒng)亟需升級(jí)改造。為保障國(guó)家能源的網(wǎng)絡(luò)安全，打破國(guó)外系統(tǒng)長(zhǎng)期的壟斷局面，擬采用國(guó)產(chǎn)化的方案。

2 國(guó)產(chǎn)化改造及應(yīng)用情況

2.1 國(guó)產(chǎn)SCADA 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

珠三角成品油管線國(guó)產(chǎn)SCADA 的構(gòu)架如圖2所示。

VxSCADA 監(jiān)控軟件是浙江中控技術(shù)股份有限公司（簡(jiǎn)稱“浙江中控”）為油氣儲(chǔ)運(yùn)、油氣開(kāi)采行業(yè)研發(fā)的一套實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。VxSCADA 軟件作為調(diào)控中心及站控SCADA 系統(tǒng)HMI 軟件，負(fù)責(zé)完成調(diào)控中心及站控SCADA 系統(tǒng)流程畫面、設(shè)備操作、報(bào)警記錄查詢、趨勢(shì)記錄等功能。

VxHistorian 大型數(shù)據(jù)庫(kù)作為調(diào)控中心核心數(shù)據(jù)庫(kù)，支持百萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，具備高速高壓縮存儲(chǔ)功能。

圖2 國(guó)產(chǎn)SCADA 系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.2 Domestic SCADA system architecture diagram

VxCollector 采集器與大型數(shù)據(jù)庫(kù)配合使用，作為調(diào)控中心SCADA 系統(tǒng)采集站控PLC 數(shù)據(jù)的重要組件，一方面可以支持?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)modbus TCP、IEC104、OPC 等通用協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，供客戶端讀??；另一方面支持通過(guò)軟件內(nèi)部協(xié)議將數(shù)據(jù)通過(guò)輪訓(xùn)或逢變則報(bào)的方式寫入中控的VxHistorian 大型數(shù)據(jù)中。

GCS-G5 是中控的大中型可編程控制器，具有高性能、大容量、全冗余、快速采集等特點(diǎn)，可作為長(zhǎng)輸管道站場(chǎng)控制系統(tǒng)，完成站控對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集。

為了打破國(guó)外SCADA 系統(tǒng)在成品油管網(wǎng)的壟斷局面，中國(guó)石化銷售華南分公司和浙江中控合作對(duì)成品油管道關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行了合作攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了混油界面跟蹤、批次管理、報(bào)警管理等高級(jí)功能，并完成了虛擬化云平臺(tái)建設(shè)等，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)SCADA系統(tǒng)軟硬件在成品油管道上空白。

2.2 國(guó)產(chǎn)SCADA 系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.2.1 對(duì)象化組態(tài)技術(shù)

采用面向設(shè)備的對(duì)象化組態(tài)技術(shù)，能夠輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)象化動(dòng)態(tài)遷移、重新配置和負(fù)載分布，降低系統(tǒng)組態(tài)工作量。SCADA 系統(tǒng)軟件中面向設(shè)備的對(duì)象化組態(tài)是面向?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)。此類數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)包括：面向?qū)ο?、分布式、事件?qū)動(dòng)、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。面向?qū)ο蟮膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)需要模擬監(jiān)控設(shè)備，通過(guò)研究建立“設(shè)備—子設(shè)備—變量—屬性”的層次模型，完成對(duì)統(tǒng)一對(duì)象進(jìn)行設(shè)備監(jiān)視的過(guò)程。在一個(gè)設(shè)備層次的每個(gè)等級(jí)上，靜態(tài)特征可被計(jì)算并傳送到報(bào)警及其他應(yīng)用。參考IEC-61970 CIM 對(duì)象模型標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)長(zhǎng)輸成品油管道進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，SCADA 軟件提供圖模一體化平臺(tái)，能夠快速建立對(duì)應(yīng)管道站場(chǎng)各種典型設(shè)備環(huán)境的工程模型。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象化模板進(jìn)行版本管理，以及區(qū)域的互聯(lián)，能夠構(gòu)建工程應(yīng)用的基礎(chǔ)模板，加快工程實(shí)施進(jìn)程；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備對(duì)象，將智能化站場(chǎng)邏輯進(jìn)行模塊化對(duì)象封裝，使得項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成果能夠在各個(gè)站場(chǎng)重用，使得同時(shí)開(kāi)展多個(gè)站場(chǎng)實(shí)施成為可能。

結(jié)構(gòu)化位號(hào)組態(tài)技術(shù)是指在PLC 組態(tài)過(guò)程中，將多個(gè)同類位號(hào)按照一定的規(guī)則，結(jié)合成為一個(gè)結(jié)構(gòu)化位號(hào)，在監(jiān)控畫面組態(tài)過(guò)程中，創(chuàng)建一個(gè)固定的面板與圖符。在每一個(gè)設(shè)備的組態(tài)過(guò)程中，都調(diào)用這一個(gè)面板與圖符，只是關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化位號(hào)不同。下面以調(diào)控中心的電動(dòng)閥組態(tài)為例，詳細(xì)說(shuō)明結(jié)構(gòu)化位號(hào)組態(tài)技術(shù)。具體步驟如下：

步驟1在PLC 中進(jìn)行組態(tài)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化位號(hào)。圖3 是構(gòu)建好的電動(dòng)閥結(jié)構(gòu)化位號(hào)。STN10MOV011是結(jié)構(gòu)化位號(hào)的位號(hào)名，每一個(gè)引腳都是一個(gè)位號(hào)。

圖3 結(jié)構(gòu)化位號(hào)Fig.3 Structured tag

步驟2在SCADA 數(shù)據(jù)庫(kù)中，將結(jié)構(gòu)化位號(hào)讀取上來(lái)，具體的位號(hào)名為“結(jié)構(gòu)化位號(hào)名.引腳名”，例“STN15MOV011.ZLO”，如圖4 所示。

步驟3繪制面板與圖符，并關(guān)聯(lián)好相關(guān)的位號(hào)。注意在進(jìn)行動(dòng)態(tài)編輯時(shí)“結(jié)構(gòu)化位號(hào)名.引腳名”中的結(jié)構(gòu)化位號(hào)使用“@THIS@”代替。繪制好的面板與圖符如圖5 所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)Fig.4 Database

圖5 HMI 面板Fig.5 HMI panel

步驟4在主流程圖中，對(duì)單設(shè)備進(jìn)行組態(tài)。添加單設(shè)備后，需要綁定位號(hào)，及綁定對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)化位號(hào)，如圖6 所示。

圖6 綁定位號(hào)Fig.6 Binding bit number

這樣，一個(gè)設(shè)備就完成了組態(tài)。在監(jiān)控畫面中，該圖符下的所有位號(hào)，就自動(dòng)關(guān)聯(lián)為“STN15MOV019.引腳名”這個(gè)位號(hào)。

使用結(jié)構(gòu)化位號(hào)進(jìn)行組態(tài)，即可以節(jié)省大量的組態(tài)時(shí)間，也不容易出錯(cuò)。同時(shí)在后續(xù)的維護(hù)過(guò)程中，也可以很方便地進(jìn)行組態(tài)修改。

2.2.2 全系統(tǒng)冗余架構(gòu)

全系統(tǒng)冗余架構(gòu)大大提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。整個(gè)系統(tǒng)SCADA 數(shù)據(jù)服務(wù)、VxCollector 采集器服務(wù)、VxHistorian 大型數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、底層PLC 控制器、IO卡件等，都可以實(shí)現(xiàn)熱備冗余及無(wú)擾動(dòng)更換。而且可以手動(dòng)切換工作/備用狀態(tài)，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢修與問(wèn)題排查。在工作狀態(tài)出現(xiàn)變化時(shí)，及時(shí)報(bào)警，提示操作人員及時(shí)檢查問(wèn)題，另外創(chuàng)新提出了一種基于雙層環(huán)網(wǎng)冗余的PLC 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)以太環(huán)網(wǎng)故障自愈，有效地解決以太環(huán)網(wǎng)由于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)表刷新報(bào)文丟失以及端口故障恢復(fù)自協(xié)商時(shí)間不確定而導(dǎo)致的通訊中斷的難題，網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)后恢復(fù)診斷時(shí)間小于300 ms，優(yōu)于國(guó)外主流技術(shù)（500 ms），具體冗余結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 全系統(tǒng)冗余構(gòu)架Fig.7 Redundant architecture of the whole system

2.2.3 通訊互聯(lián)技術(shù)

強(qiáng)大的通訊互聯(lián)技術(shù)，提高與不同品牌系統(tǒng)之間的兼容性。VxSCADA 軟件及VxCollector 中控采集器有著很便捷的數(shù)據(jù)互通能力，不僅可以作為主站，采集MODBUS RTU、MODBUS TCP/IP、IEC104、OPC、DNP3 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)據(jù)，也可以作為從站，將數(shù)據(jù)以MODBUS TCP/IP、OPC、IEC104 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議對(duì)外轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)也支持與市場(chǎng)主流系統(tǒng)進(jìn)行通訊，例如西門子S7 系統(tǒng)、ABB 控制系統(tǒng)等。在本項(xiàng)目中，由于需要與ABB AC800M 系統(tǒng)互聯(lián)，各站場(chǎng)間數(shù)據(jù)要進(jìn)行相互監(jiān)控，對(duì)于中控SCADA、ABB SCADAvantage 及ABB AC800M 系統(tǒng)之間的互聯(lián)均采用通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)施方式，給項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了有效的技術(shù)手段，可以更好地適應(yīng)成品油長(zhǎng)輸管道的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)交互需求。

3 國(guó)產(chǎn)SCADA 系統(tǒng)改造方案

國(guó)產(chǎn)化SCADA 系統(tǒng)的改造方案，主要分為3個(gè)主要部分，分別是前期準(zhǔn)備工作、停輸改造工作、保運(yùn)工作，具體注意事項(xiàng)如下。

3.1 前期準(zhǔn)備

在前期準(zhǔn)備工作中，主要要完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、硬件設(shè)計(jì)方案、組態(tài)編寫、機(jī)柜FAT 等工作。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研過(guò)程中，要注意機(jī)柜間、控制室的排列方式，考慮是否需要增加機(jī)柜或操作臺(tái)。同時(shí)要獲得原控制系統(tǒng)的資料，包括但不限于IO 點(diǎn)表、控制程序、HMI 程序、控制要求、數(shù)據(jù)通訊方式等。在做硬件設(shè)計(jì)時(shí)，要注意IO 點(diǎn)的配電情況、信號(hào)類型等，同時(shí)預(yù)留出足夠的備用通道。進(jìn)行組態(tài)編寫之前，要解讀原程序，明確原系統(tǒng)的控制方案，同時(shí)與工作人員做好功能確認(rèn)，明確是否存在需要改進(jìn)的控制方案。在做FAT 時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的所有功能，保證硬件、控制邏輯沒(méi)有問(wèn)題，同時(shí)做好離線仿真，保證系統(tǒng)輸出正常。

前期準(zhǔn)備時(shí)，另外一項(xiàng)重點(diǎn)工作就是主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有不明確的地方一定要做測(cè)試，確保方案的可行性。若發(fā)現(xiàn)某一條方案有問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)解決問(wèn)題或更換其他可行的技術(shù)路線。

3.2 停輸改造

停輸改造工作，主要分為兩個(gè)時(shí)間段，一個(gè)時(shí)間段是停輸前3～5 天；另一個(gè)時(shí)間段是停輸階段。

在停輸前3～5 天，所有工作人員就要到位，包括但不限于機(jī)柜拆裝人員、接線人員、系統(tǒng)調(diào)試人員、儀表工、安全員等。在這段時(shí)間中，工作人員要熟悉現(xiàn)場(chǎng)，并明確自己的工作任務(wù)，準(zhǔn)備相應(yīng)的工具。依據(jù)改造模擬過(guò)程建立工作時(shí)序卡，并依據(jù)所述工作時(shí)序卡，采用PDCA 循環(huán)模式對(duì)由所述待替換站控PLC 系統(tǒng)替換為所述目標(biāo)站控PLC 系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行分解，并做好應(yīng)急措施。同時(shí)進(jìn)行人員安全教育、辦理操作證、辦理動(dòng)火證等工作，確保改造可以正常進(jìn)行。

在停輸階段，所有工作人員按照工作時(shí)序卡，進(jìn)行工作安排。保證工作順序不能被打亂。及時(shí)更新工作時(shí)序卡，若出現(xiàn)工作嚴(yán)重滯后的情況，及時(shí)采取應(yīng)急措施保證工作效率。

3.3 保運(yùn)

在國(guó)產(chǎn)SCADA 系統(tǒng)完成調(diào)試并成功開(kāi)車后，就進(jìn)入了保運(yùn)階段。在這一階段，主要工作就是主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并加以解決。

4 國(guó)產(chǎn)化改造的技術(shù)創(chuàng)新

4.1 互聯(lián)互通

原有系統(tǒng)與國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。站控系統(tǒng)軟硬件改造完成后，需要將PLC 數(shù)據(jù)接入到調(diào)控中心ABB 系統(tǒng)中，由于ABB 系統(tǒng)通過(guò)OPC DA2.0協(xié)議采集PLC 中的數(shù)據(jù)，為確?，F(xiàn)場(chǎng)改造過(guò)程中，國(guó)產(chǎn)PLC 系統(tǒng)能夠穩(wěn)定接入到調(diào)控中心ABB 系統(tǒng)中，需要對(duì)PLC 的位號(hào)標(biāo)簽和AC800M 的標(biāo)簽一致，這樣就可以大大降低實(shí)施時(shí)間。

4.2 系統(tǒng)虛擬化及云計(jì)算平臺(tái)

首次在成品油管道上實(shí)施SCADA 系統(tǒng)虛擬化部署及云計(jì)算平臺(tái)應(yīng)用。基于自適應(yīng)云、虛擬化和彈性時(shí)序數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)機(jī)制，通過(guò)數(shù)據(jù)一致性和實(shí)時(shí)性統(tǒng)一，將控制系統(tǒng)狀態(tài)和集群狀態(tài)進(jìn)行結(jié)合，形成云虛擬化SCADA 系統(tǒng)的存儲(chǔ)基礎(chǔ)[4]。再通過(guò)容器化動(dòng)態(tài)擴(kuò)容云數(shù)據(jù)服務(wù)器，支撐多行業(yè)應(yīng)用模塊自注冊(cè)，同步發(fā)布到各計(jì)算節(jié)點(diǎn)，同時(shí)提供在線和離線更新模式。SCADA 數(shù)據(jù)云服務(wù)運(yùn)行于虛擬化云環(huán)境，實(shí)現(xiàn)云服務(wù)實(shí)例無(wú)限冗余，任意云服務(wù)宕機(jī)均不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成任何影響，充分保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。云服務(wù)實(shí)例間根據(jù)負(fù)荷值仲裁實(shí)現(xiàn)SCADA事務(wù)自動(dòng)遷移，有效提升系統(tǒng)執(zhí)行效率[5]。

4.3 工控系統(tǒng)安全防護(hù)

發(fā)明了一種成品油管道工控系統(tǒng)安全防護(hù)技術(shù)。通過(guò)研究邊界防護(hù)、訪問(wèn)控制、惡意代碼防范、安全審計(jì)、入侵檢測(cè)、主機(jī)加固、主機(jī)安全防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備防護(hù)以及統(tǒng)一安全管理中心相關(guān)安全應(yīng)用技術(shù)。通過(guò)全方位的信息安全控制與監(jiān)視，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與主動(dòng)防御，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本質(zhì)安全與防護(hù)一體化[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)產(chǎn)SCADA 系統(tǒng)已經(jīng)在珠三角管網(wǎng)部分站場(chǎng)及調(diào)控中心應(yīng)用，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的使用與檢驗(yàn)，國(guó)產(chǎn)SCADA 系統(tǒng)滿足了成品油長(zhǎng)輸管道SCADA 系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)采集、工藝監(jiān)控、設(shè)備操作、報(bào)警趨勢(shì)等需求，打破了成品油管道SCADA 系統(tǒng)由國(guó)外產(chǎn)品壟斷的局面，而且本次應(yīng)用也使SCADA系統(tǒng)得到了提升，部分性能超過(guò)了原使用的外國(guó)品牌SCADA 系統(tǒng)，如SCADA 系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)最小采集周期小于0.1 s；實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面載入時(shí)間小于1 s；畫面刷新時(shí)間小于1 s； 冗余服務(wù)器切換時(shí)間小于1 s 等。

事實(shí)證明，國(guó)產(chǎn)的SCADA 軟硬件系統(tǒng)能夠完成大規(guī)模長(zhǎng)輸管道的使用需求，可以使成品油管道SCADA 監(jiān)控技術(shù)不再受制于人，從而為國(guó)家的能源安全保駕護(hù)航。