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摘要：文章介紹了松南氣田工程SCDA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、組成和配置，闌述了調(diào)控中心、站場和井口控制系統(tǒng)的構(gòu)造及主要功能，分析了SCADA系統(tǒng)的特點(diǎn).

關(guān)鍵詞：松南氣田；SCADA系統(tǒng)；RTU系統(tǒng)；DCS系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫

0前言

松南氣田位于吉林省松原市的南部，地處邊遠(yuǎn)、環(huán)境條件惡劣。氣田項(xiàng)目包括氣田井場、集氣站、集氣處理廠、外輸管道及站場、管理基地工程五部分，為中石化東北地區(qū)最主要的油氣產(chǎn)能區(qū)塊，擔(dān)負(fù)著為東北重工業(yè)城市長春生活生產(chǎn)用氣的重要任務(wù)。考慮當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，為減少工人的勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對整個氣田科學(xué)調(diào)度管理和確保安全生產(chǎn)，需要建設(shè)一個現(xiàn)代化運(yùn)營管理模式的SCADA系統(tǒng)，保證氣田供氣的穩(wěn)定和可靠性。

1控制系統(tǒng)概述

松南氣田工程控制系統(tǒng)采用SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition System）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)可以實(shí)時實(shí)現(xiàn)采集站場（井場）數(shù)據(jù)，為整個松南氣田的管理、調(diào)度提供必要的綜合數(shù)據(jù)庫平臺。又可以對站場（井場）工藝流程進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程的自控控制、進(jìn)行全面和實(shí)時監(jiān)控。

2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

松南氣田工程的控制系統(tǒng)的控制水平可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)控中心完成對整個松南氣田工藝流程的監(jiān)控、調(diào)度、管理的任務(wù)，并滿足生產(chǎn)運(yùn)行需要。該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)原則如下：

1）系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)考慮具有高度的可靠性和可用性。

2）系統(tǒng)的容量按100%可擴(kuò)展性考慮，以滿足將來工程擴(kuò)建的需要。

3）系統(tǒng)的硬件在性能上考慮模塊化設(shè)計(jì)，支持熱插拔。

4）站控系統(tǒng)、井口遠(yuǎn)程控制終端（RTU）與調(diào)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸采用支持“逢變則報(bào)”的IEC60870-5-104通信協(xié)議。

5）SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)和站控系統(tǒng)的重要設(shè)備考慮冗余熱備設(shè)置。

3控制系統(tǒng)的組成和功能

松南氣田工程稴CADA系統(tǒng)以4C （computer，control，com munication，CRT）

術(shù)為基礎(chǔ)，由調(diào)度中心、站控系統(tǒng)、現(xiàn)場測控設(shè)備及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)組成。調(diào)度中心是整個氣田的管理、指揮樞紐，站控系統(tǒng)包括：1套集氣處理站DCS系統(tǒng)、4套集氣站及外輸站控系統(tǒng)、I4套井場RTU系統(tǒng)，是SCADA系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)現(xiàn)場測控的集中檢測和控制生產(chǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場控制及操作要求，松南氣田工程SCADA系統(tǒng)采用中心控制級、站場控制級和就地控制級的三級控制模式。一級為中心控制：對全松南氣田進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度管理：二級為站場控制：在井口、集氣站、外輸站場、集氣處理廠站通過站場（井場）控制系統(tǒng)對站內(nèi)工藝流程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和聯(lián)鎖，站場控制級權(quán)限由調(diào)控中心設(shè)置確認(rèn)：三級為就地控制：對工藝單體或設(shè)備進(jìn)行手/自動就地控制。

3.1 SCADA系統(tǒng)調(diào)控中心

松南氣田調(diào)控中心通過采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行狀況，動態(tài)分析氣田的生產(chǎn)狀況、為調(diào)節(jié)控制提供參數(shù)數(shù)據(jù)。在調(diào)控中心服務(wù)器上及各操作員站上，可以組態(tài)系統(tǒng)流程圖畫面，包括各種要求的溫度、壓力、流量等參數(shù)，閥門開度控制、機(jī)泵的工作狀態(tài)、參數(shù)報(bào)警，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及故障診斷。

因此松南氣田SCADA系統(tǒng)采用技術(shù)比較成熟的HoneyWell的Experion PKS（ProcessKnowledge System）過程知識系統(tǒng)，Experion PKS系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的SCADA數(shù)據(jù)采集功能，它將實(shí)時數(shù)據(jù)庫和SCADA數(shù)據(jù)庫整合在同I對互為冗余的數(shù)據(jù)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。此外，每一臺操作站都可以組態(tài)和操作實(shí)時數(shù)據(jù)及SCADA數(shù)據(jù)。生活管理調(diào)度中心和集氣管理站調(diào)控中心在一個網(wǎng)絡(luò)平臺上，通過DSA技術(shù)能夠方便的對調(diào)控中心進(jìn)行全局訪問。

3.1.1系統(tǒng)強(qiáng)大的通信接口功能

SCADA通信接口設(shè)計(jì)既是Experion PKS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要組成部分，同時也是體現(xiàn)了控制系統(tǒng)對于第三方設(shè)備采集多年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

Experion PKS采用最新的MODBUS系統(tǒng)集成技術(shù)，通過終端服務(wù)器方式與采用Modbus RTU串口設(shè)備的第三方設(shè)備進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)采集。這些終端服務(wù)器在RS-232/485和Ethernet之間起到協(xié)議轉(zhuǎn)換的橋梁作用。

采用最新的AB Ethernet/IP系統(tǒng)集成技術(shù)，通過以太網(wǎng)交換機(jī)與采用Ethernet，/IP協(xié)議的AB PLC進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)采集，組態(tài)快捷方便，數(shù)據(jù)通訊安全穩(wěn)定。

3.1.2強(qiáng)大的自診斷技術(shù)

PKS系統(tǒng)能夠?qū)τ布浖W(wǎng)絡(luò)和其它系統(tǒng)故障都做出報(bào)警，包括服務(wù)器的故障，操作員站的故障，控制器的故障，通訊故障，SCADA采集設(shè)備的故障等。一旦檢測到故障，就會立刻產(chǎn)生報(bào)警，通知操作員。

操作員可以在操作員站上集中實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的自診斷畫面，可以對系統(tǒng)內(nèi)外設(shè)備進(jìn)行全面狀態(tài)的檢查。

3.2井場RTU系統(tǒng)

松南氣田井場設(shè)有RTU系統(tǒng)，安裝在室外。RTU系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接采用無線數(shù)傳電臺，通信接口為RS-232。采用一點(diǎn)對多點(diǎn)的輪詢通信方式與控制中心通信。

RTU硬件采用MOSCAD--M遠(yuǎn)程終端單元，此模塊化的RTU采用該行業(yè)都認(rèn)可的通用協(xié)議，其通訊端口可以擴(kuò)展或升級為多個同時運(yùn)行的通訊端口。其通信功能可以滿足基于本地和廣域網(wǎng)的安全通訊。RTU不但滿足井場工藝參數(shù)的監(jiān)控及緊急關(guān)斷功能，還適應(yīng)安裝現(xiàn)場-35℃的環(huán)境條件，滿足生產(chǎn)需求。RTU系統(tǒng)除完成對各自井口的數(shù)據(jù)采集、處理、控制和關(guān)斷外，還作為SCADA系統(tǒng)的井場的現(xiàn)場控制單元，將井場的數(shù)據(jù)傳送給調(diào)控中心，并接受、執(zhí)行調(diào)控中心的操作指令。

3.3集氣站及分輸站控系統(tǒng)

松南氣田各外輸站場和集氣站站控系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）和上位機(jī)操作站組成，為滿足安全和可靠穩(wěn)定性的要求，站控系統(tǒng)控制器采用經(jīng)過SIL2認(rèn)證的安全PLC。PLC作為SCADA系統(tǒng)集氣站及分輸站的現(xiàn)場控制器，將集氣站及分輸站的數(shù)據(jù)傳送給調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。

PLC硬件設(shè)備均選用羅克韋爾Control1ogix1756系列模塊構(gòu)造系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件采用國際上流行的冗余RSVIEW SE組態(tài)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控調(diào)度、數(shù)據(jù)通訊、值班監(jiān)控操作、調(diào)度指令下發(fā)、數(shù)據(jù)及趨勢顯示、報(bào)警、向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫提供歷史數(shù)據(jù)等。所選用的的模板是具有自診斷功能的模板，且可帶電插拔。處理器升級采用FLASH方式，而不需要更換新的處理器。站控系統(tǒng)滿足熱備冗余配置要求，對硬件的I/O的量化、地址分配設(shè)置等采用組態(tài)方式來實(shí)現(xiàn)。

通訊采用ControlNet網(wǎng)絡(luò)將控制器和IO端子柜連接在一起，I0端子柜采集外部設(shè)備的工作狀態(tài)。RSVIEW SE安裝在計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)和PLC之間的通訊連接是通過以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)的。

3.4集氣處理站DCS系統(tǒng)

集氣處理站為松南氣田的核心站場，包括：天然氣計(jì)量外輸部分、脫碳部分、脫水部分、CO2液化部分、CO2儲存外輸部分、火炬放空部分、消防部分、儀表風(fēng)部分等，工藝部分多、且控制回路和控制要求高、復(fù)雜，因此站控系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)作為作為SCADA系統(tǒng)的集氣處理站現(xiàn)場控制單元。完成對站場內(nèi)的監(jiān)控任務(wù)，實(shí)現(xiàn)六種控制調(diào)節(jié)：壓力調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、液位調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)、串級調(diào)節(jié)（溫度流量調(diào)節(jié)）、順序調(diào)節(jié)，達(dá)到工藝流程的可靠、平穩(wěn)運(yùn)行。

集氣處理站DCS系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)（PCS）、緊急關(guān)斷系統(tǒng)/火氣系統(tǒng)（ESD/FGS）組成。除完成對集氣處理站的監(jiān)視控制及生產(chǎn)管理任務(wù)外，還作為SCADA系統(tǒng)的現(xiàn)場控制單元，同時接收附近井場RTU的數(shù)據(jù)，將有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給調(diào)控中心，并接受和執(zhí)行其下達(dá)的命令。

3.4.1PCS過程系統(tǒng)

PCS過程系統(tǒng)選用采用分布式結(jié)構(gòu)的冗余C300控制器，，在開放式的冗余通訊網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置了多臺系統(tǒng)組件，這些系統(tǒng)組件分別帶有獨(dú)立的處理器，每一個處理器都能進(jìn)行組態(tài)和編程，來實(shí)現(xiàn)各自的監(jiān)控調(diào)節(jié)任務(wù)。該系統(tǒng)應(yīng)以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，能完成各種控制功能，如：」數(shù)字（離散）控制、模擬控制、順序控制、數(shù)據(jù)采集功能以及過程接口/操作員接口的功能，并能和主控制室儀表盤協(xié)調(diào)工作。

C300控制器的組態(tài)軟件為Control Budilder，支持在線修改、在線編程以及在線下裝單個回路或者多個回路，可以在正常開車的情況下進(jìn)行增刪硬件和軟件組態(tài)的操作，無須中斷程序或者切換控制器，并在1秒鐘的時間內(nèi)將修改結(jié)果傳送到操作站上。

所有C300控制器都具備自診斷功能，不僅是控制器，所有通信卡件、I0卡件均為帶CPU的卡件，均具備擴(kuò)展的自診斷等強(qiáng)大功能，所有控制器硬件系統(tǒng)的診斷結(jié)果都以狀態(tài)信息在系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)顯示畫面中顯示實(shí)時狀況。

3.4.2ESD/FGS系統(tǒng)

ESD/FGS整個系統(tǒng)和部件都是故障安全型的。選用安全管理系統(tǒng)SM（Safety Manager）。

SM系統(tǒng)的兩個控制器模塊同時工作，并非冗余架構(gòu)，也不存在切換的問題，可以在某個控制器模塊發(fā)生問題時避免切換造成的問題。高度的冗余容錯自診斷功能確保SM能在過程安全時間內(nèi)發(fā)揮作用。SM系統(tǒng)還可以完成診斷整個系統(tǒng)，這種自診斷范圍包括所有的SM的系統(tǒng)硬件，包括控制器、通訊卡、I/0卡件，系統(tǒng)機(jī)柜狀態(tài)等，且該技術(shù)已經(jīng)獲得TV認(rèn)證。

SM系統(tǒng)配置遵循IEC61508所描述的SIL3標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)SM自診斷發(fā)現(xiàn)其任一模塊發(fā)生故障時，控制器將強(qiáng)制發(fā)生故障的模塊失效，確保其輸出的準(zhǔn)確性。安全輸出模塊中SM0D功能可以確保在輸出電路短路時仍可以切斷電路。

4 SCADA系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1容錯以太網(wǎng)絡(luò)

Experion PKS系統(tǒng)的實(shí)時控制網(wǎng)絡(luò)采用容錯以太網(wǎng)FTE（Fault Tolerant Ethernet）。

FTE不但提供了容錯的特點(diǎn)，也提供了快速網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，及工業(yè)以太網(wǎng)的控制應(yīng)用的安全性。

FTE同時支持FTE節(jié)點(diǎn)（Experion PKS系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)）和普通以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（通常為集成的第三方系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)或用戶應(yīng)用運(yùn)行的平臺），支持包括控制器在內(nèi)的設(shè)備的基于100M速率的FTE容錯以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，任何指令均能在1秒鐘之內(nèi)得到執(zhí)行。同時系統(tǒng)服務(wù)器、操作員站和工程師站計(jì)算機(jī)均配置了連接FTE網(wǎng)絡(luò)的Intel Pro雙通道FTE專用網(wǎng)卡和FTE軟件，使之作為FTE節(jié)點(diǎn)連接到交換機(jī)和FTE網(wǎng)絡(luò)的控制器通訊。

FTE容錯以太網(wǎng)是真正冗余的以太網(wǎng)通訊，在同一個網(wǎng)段內(nèi)實(shí)現(xiàn)，用戶無需為兩個分開的以太網(wǎng)段增加額外的開支和維護(hù)。FTE同時具備網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級的設(shè)置，確保參與控制的數(shù)據(jù)優(yōu)先使用帶寬。

FET可以為每兩個節(jié)點(diǎn)提供4條通訊路徑，F(xiàn)TE軟件使得任意FTE節(jié)點(diǎn)如DCS操作站和控制器等之間都有4條冗余容錯的高速數(shù)據(jù)通訊鏈路，F(xiàn)TE軟件實(shí)時監(jiān)測所有FTE網(wǎng)絡(luò)的4條路徑，同時在所有操作員站上顯示所有FTE節(jié)點(diǎn)間通訊路徑的實(shí)時工作狀態(tài)，并為通訊任務(wù)選擇4條通訊路徑當(dāng)中的任一正常工作的某一通訊路徑，當(dāng)某一通訊路徑檢測出故障時，F(xiàn)TE軟件能在250ms的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)路徑的自動切換和產(chǎn)生報(bào)警并記錄該事件。

4.2可靠穩(wěn)定性

可靠穩(wěn)定性是SCADA系統(tǒng)最重要的特點(diǎn)，松南氣田工程的SCADA系統(tǒng)在方案的設(shè)置上充分考慮了系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性。

首先系統(tǒng)具有容錯能力，非關(guān)鍵元器件的故障不能影響整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行；其次關(guān)鍵設(shè)備采取冗余配置，如服務(wù)器、控制器采用雙CPU配置。

另外，模塊化設(shè)計(jì)、抗干擾和防雷擊措施、熱插拔技術(shù)和故障的自診斷等一系列措施，也保證了系統(tǒng)可靠穩(wěn)定性的提高。

整個系統(tǒng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，將SCS、DCS、RTU、ESD/F&G和SCADA數(shù)據(jù)庫無縫整合在一起，SCADA系統(tǒng)、SCS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)與ESD/F&G系統(tǒng)通過冗余的以太網(wǎng)連接，系統(tǒng)操作站作為整個系統(tǒng)唯一的操作界面，可以監(jiān)控所有的系統(tǒng)，可以對各系統(tǒng)進(jìn)行診斷、維護(hù)，為系統(tǒng)操作的可靠穩(wěn)定性提供了保障。

5結(jié)束語

松南氣田工程已經(jīng)順利投產(chǎn)，SCADA系統(tǒng)在正常生產(chǎn)的自動檢測、監(jiān)視、控制和管理中，起到不可替代的作用。同時還能改善勞動條件，節(jié)省人力，提高操作控制水平和工作效率，降低生產(chǎn)成本。隨著氣田工程的運(yùn)行，SCADA系統(tǒng)在應(yīng)用中將進(jìn)一步優(yōu)化和完善。