SCADA系统在长输管线中的应用———沈阳惠东控制有限公司陈晗

内容摘要：本文对大庆至铁岭密闭输油管线SCADA计算机控制系统进行了较为全面的论述，内容涉及系统的硬软件结构、功能和特点，以及开发的控制应用程序主要内容范围和方法。

一．管线系统概况
   大庆—铁岭输油管道（以下简称：庆铁线）是 70 年代初建成投产的两条并联的输油干线，直径为720mm，长度分别为 516Km和 524Km，由于投产的先后不同，习惯上称为老线和新线。它是一个较为复杂的水利系统。主要体现在以下几个方面：两条主干线，四条分支交汇管线；九座输油站，每站分新老两个系统，并在每站的进出站端通过阀门互相联通，八座增压站，七座线路阀室；庆铁线是双线并联，每站的老新系统都有联通，好像一个巨大的梯子纵贯南北。其中每一个“点”或“段”的局部变化势必影响整个系统的变化。“ 局部”的调控与保护必然会对其他部分产生干扰。这样一个复杂管网的调控，目前在国内外尚无先例。
   庆铁线投产20多年来，每年输油量都在四千万吨/年以上，给国家创造了巨大的经济效益，是全国第一的输油大动脉。由于年久失修设备老化，一九九四年以来对庆铁线的泵站进行了大规模的改造。为实现密闭输油以达到高效、低耗、节能和提高现代化管理水平的目的，决定采用先进的数据采集与监控系统SCADA系统来设计实现全线密闭输油工艺运行与控制。使全线系统达到较高的自动控制水平，确保管线安全平稳地运行。

二．系统结构和特点
   庆铁线所采用的数据采集与监控系统 (SCADA)是一套全新的系统，它综合和吸收了当今国际控制系统的最新技术和特点。有机地把继电器保护、测量系统、计算机及RTU（Remote Terminal Unit) 溶于一体，并用RTU本身具有的可编程逻辑语言功能成功地解决了站内自动化控制的技术难题，如水击超前保护、泵机组自动切换、自动转发清管器等。使得输油生产过程变得更为简捷、方便、灵活、安全可靠。
   改造后的庆铁线自动控制系统采用了集散控制体系，既调度中心的集中控制和各泵站的分散控制。站控端（泵站控制）共有三级控制方式：
   第一级：调度中心遥控；接收调度中心调度人员远程控制管线系统运行工况和设备命令，自动完成有关控制操作。
   第二级：站控；各输油站操作人员可以在控制台上监视和控制本站的系统运行工况和输油设备。自动或半自动完成有关控制操作。
   第三级：就地操作；根据就地安装的显示仪表，在现场操作按钮，可以控制泵站的有关设备。并禁止调度中心遥控和站控功能。

   系统拓扑结构是点对点方式，调度中心对八个站控端站。各站控端间没有通讯要求，由调度中心程序判断进行调度指挥。点对点方式对采集数据量大、实时响应速度快、就地控制功能强的情况下，显得实用、经济、可靠。为了保证全线安全协调运行，调度中心采用双机热备冗余技术来提高系统整体的可靠性，一旦主机发生故障，在短短十几秒内系统完全切换到备用机上运行。
   调度中心配置：基于网络的双机热备系统，两台DEC Alpha系列工作站作为主机和备用机，五台DEC奔腾系列微机作为操作工作站。软件采用基于DECOpenVMS/Hanzi操作系统的XCEL/DYNAC SCADA软件。
   通信信道由用户提供的专用微波通信线路。通信速率为2400波特率，主备双信道。
   站控端配置：采用加拿大HARRIS公司提供的先进GR90 RTU及MICONS-32调节器作为泵站的主要控制设备。GR90 RTU提供的 PLC软件作为主要控制程序编制语言。采用VAX 4000/60工作站作为当地功能主机，VMS5.X版的DYNAC作为站控端的监控软件。 GR90 RTU完成所有如电机运行状态、进出站压力及油温等 DI、AI类型数据的实时采集，并将其通过微波信道及相关通迅规约上送到调度中心及当地功能进行数据处理，如显示、计算、打印和报警等。同时也可接收来自调度中心及当地功能的操作指令，完成如开关电动阀门、起停电
机及管线自动保护等操作。MICONS-32作为泵站重要被控设备调节阀的控制器其设定值等参数由调度中心或当地功能给出，通过RTU送给 S-32，由它按照给定值，结合现场的工艺工况，自动进行压力调节、水击波控制和启泵保护。整个系统根据不同的设备，通过不同的通讯规约完成所有数据的双向传送。

三．系统主要功能
   庆铁线SCADA方案经过有关单位多次讨论通过后，由项目组成员在短时间根据操作原则及相关文件，完成了庆铁线自动控制逻辑框图及程序流程图的详细设计工作，包括检测参数的类型、数量、报表格式、屏幕显示图量、参数颜色定义、调节保护控制方案等。在此基础上编制完成了大量的应用控制程序，经投产运行表明，整个庆铁线SCADA系统设备运行安全可靠，系统及应用软件合理、实用、可靠，完全满足了现场工艺要求。
   庆铁线SCADA系统完成的主要功能有：
调度中心：
          1. 八个输油泵站的数据采集和下发对时令、操作控制令；
          2．进行电耗、油耗和炉效等数据处理和计算，并可进行统计对比；
          3．显示上百幅工艺流程图、变电所接线图、参数趋势图等，形象反映实时流程和设备运行状态；
          4．实时对有关事件进行闪烁变色报警，提醒操作人员注意；
          5．进行正常和事件报表打印；
站控端：
当地功能：
          1. 每个输油泵站的数据采集和下发操作控制令；
          2．进行电耗、油耗和炉效等数据处理和计算，并可进行统计对比；
          3．显示十几幅工艺流程图、变电所接线图、参数趋势图等，形象反映实时流程和设备运行状态；
          4．实时对有关事件进行闪烁变色报警，提醒操作人员注意；
          5．进行正常和事件报表打印；
GR90 RTU：
          1. 实时采集现场有关参数，并分别传送到调度中心和当地功能，便于操作人员监控决策参考。
          2．根据下发的指令，结合当前采集的参数值，自动完成输油泵机组的启、停和自动切换、各类电动阀门的开、关、罐前泵的自动启、停、泵站闭锁、自动压力保护、水击超前保护、清管器自动收发等控制操作；
MICON S-32： 接收调度中心或当地功能发来的压力设定值或调节阀开度值自动完成阀的开关，达到新的平衡。也可在 S-32 操作面板上手动更改压力设定值或阀开度值。

四．有关设备说明
   作为连接现场与调度中心及当地功能的关键控制设备 RTU，其硬件质量及通讯能力的强弱是直接影响整个系统运行好坏的关键。本系统选用 HARRIS 公司生产的GR90 RTU作为站控系统的主要数据采集和控制设备。
   GR90 RTU是采用当今技术水平设计并制造的新一代具有高可靠性及基于分布式体系结构的 RTU，其主处理器单元与附属的外设板处理器之间共享I/O数据。它使用MC68030作为中央处理器，智能化的外设单元使用MC68HC-A1作为其处理器。主板的固件驻留在EPROM中，包括有实时操作系统 p_SOS，设备驱动程序、初始化及中断服务程序、系统参数设置程序、数据库接口程序及外设单元的固件等。应用固件包括应用参数配置及相关程序等，系统编译完成生成下加载文件存放在NVRAM中。外设单元独立地处理输入和输出功能，并向主处理单元发送“逢变即报”的数据。主CPU模块和电源模块构成RTU的核心。加上外设I/O模板构成一个基本的站控RTU系统。按用户需求，可提供数字量输入、脉冲累计输入、事件顺序记录、模拟量输入、模拟量输出、数字量输出模块及其组合。
   在主板与外设模块间的数据通道是一条250K波特，RS_485串行通信链路简称为D20链路。采用的是通用HDLC 高级数据链路控制协议，具有良好的抗瞬态电强干扰，更好的抑噪能力。D20链路上可以连接三十二个外设单元，如采用中继器等设备可超过这个限制。每个 GR90 RTU有七个可设置不同通讯协议的串行通讯端口。可同时连接七个不同的通讯设备。
   通讯协议是所有互连设备共用的语言结构和报文格式，协议是系统操作的关键，它决定如何建立或中断主从设备之间的联系以及如何使发送和接收装置协调一致，井然有序的交换报文，检验错误。
   GR90 RTU 支持多种通讯协议。在庆铁线自动化工程控制系统应用软件的开发过程中，结合系统特性以及现场工艺需求，确定采用两种协议与主站和当地功能、MICON S32设备通讯。它们分别是：SC1801协议及Modbus协议。
   Modbus协议是一种公开使用的协议，它的某些特性是固定的，例如帧格式、帧顺序、通讯错误和异常情况处理，以及所执行的功能都不能随便改变。其它特性可选：如波特率、校验类型、停止位数、传输模式等。一般说来，用RTU和ASCII模式传送的报文意义是相同的，主要在于对报文执行的错误校验类型方面。SC 1801协议也是一种主从式通讯规约，间隔一定时间向下发送固定帧格式的信息。协议具体内容参见有关文献。
五．结束语
   庆铁线SCADA系统南五站现已实现密闭输油控制。在系统研制开发过程中，项目组全体人员在有关部门的大力协助下，先后完成逻辑图设计、应用程序流程图设计、应用程序编制及联调、工厂验收及现场调试，解决了一系列技术难题。运行实践证明，此系统设计合理、运行可靠、丰富的图形用户界面、操作简单实用、经济效益明显。庆铁线SCADA系统的建成，为复杂管线的自动化控制探索出了一条新路。
   

陈晗 沈阳惠东控制有限公司 高级工程师 从事管道自动化设计、开发工作
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