SCADA系統在天然氣輸氣管線中的應用

摘要：本文將以SCADA系統在安徽省天然氣蕪湖-銅陵支線工程的實際應用為案例，闡述了該系統的系統架構、通信設計、SCADA控制中心及控制邏輯處理解決方案等內容。通過該系統的應用，滿足了企業在條件有限的情況下，實現對安全生產與管理的需要。

關鍵字：SCADA RTU GPRS 雙信息中心 主/備控制中心

1、概述
安徽天然氣公司蕪湖－銅陵支線SCADA系統工程包括兩個工藝站控系統（蕪湖首站、銅陵末站），1個分輸站繁昌分輸站和五個線路截斷閥室組成，管線總長115公里。蕪湖首站具有天然氣過濾、計量和清管發送功能；銅陵末站具有天然氣過濾、計量、調壓和清管接收功能。蕪湖首站、銅陵末站設置的站控系統的管理可實現無人操作和有人值守水平，所有分輸和截斷閥室均為無人值守方式管理。
蕪湖首站、銅陵末站建設在城市邊緣，具備市電220VAC供電，而繁昌分輸站和所有截斷閥室均設在遠離城市的地區，不具備提供市電供電能力。工程設計過程中，由于考慮到工程建設和項目投資原因，系統沒有采用光纖等有線傳輸介質，同時由于管線距離長、所處地理條件差等原因，無法采用自建無線網絡等條件，給系統的通信鏈路選擇帶來一定的困難。由于分輸站控和截斷閥室均設置在野外，沒有相應的保暖和降溫措施，在控制設備的選型上必須考慮相應的環境因素。
為了滿足整個管線的高效管理，并且保證整個系統的可靠運行，工程設計上采用了以蕪湖首站和銅陵末站為SCADA中心（即雙中心結構），分輸站和截斷閥室作為無人值守的遠程控制終端，接受來自SCADA中心的控制指令和上傳實時生產工藝參數的系統結構。由于現場條件的限制，無法提供高效的有線通信介質，要實現上述SCADA系統結構存在較大的困難。
我們在結合現場條件、綜合考慮系統的特點，我們決定選擇以目前流行的GPRS/CDMA為通信介質，采用獨有的雙信息中心技術為SCADA中心，并實現首站、末站通過GPRS/CDMA鏈路形成互為備份的SCADA中心結構，采用先進的SCADA控制調度技術，實現對整個管線的高效可靠控制，使整個管線達到較高的自動化控制水平，并確保整個輸氣管線的高效穩定運行。

2、系統選型
考慮到整個系統中，有一個分輸站和五個截斷閥室需要在野外環境下工作，雖然安徽地區的環境條件較好，但也存在極端低溫度在-10℃，極端高溫在40℃左右的情況，且由于閥室和分輸站為無人職守站，站場設計為封閉區域，區域內安裝設備必須采用防爆能力（必須滿足Ex dIIBT4要求），若系統采用防爆結構，外加室外極端高溫環境下，防爆機柜（整個控制系統采用具備ExdIIBT4要求的機柜）內的實際運行溫度可能高達60℃，為了保證整個系統的可靠運行，分輸站和截斷閥室PLC/RTU必須滿足寬溫運行的條件工作，以達到整個系統的穩定運行；由于分輸站和截斷閥室不具備市電供電條件，我們選用太陽能電池作為系統的工作電源。
常規PLC產品均是按0℃～55℃設計，超出設計工作環境很容易出現死機、無法正常啟動的故障，因此在產品選擇上，我們選擇以具備寬溫工作環境的高性價比作為選型依據。對比國內外相應產品的特點和相應的性價比，我們的站控系統和截斷閥室選用了北京安控科技股份有限公司的RTU（Super32-L系列RTU）作為整個SCADA系統的控制系統，并配套RTU自有SCADA工作平臺ESpider作為SCADA中心平臺。

3、通信系統設計
基于蕪湖－銅陵輸氣管線現場的地理特點，并考慮到目前GSM網絡的覆蓋較好，我們決定選用目前技術較為成熟先進的以GSM網絡為基礎的GPRS/CDMA數據通信技術，實現整個系統的數據通信。但由于要實現整個系統的雙SCADA中心結構，若采用普通的GPRS/CDMA（DTU）技術將很難實現，一般情況下，一個DTU(無人職守的分輸站和分輸閥室)只能響應一個數據中心的指令，并在正常工作過程中只能綁定一個數據中心的IP地址或域名，給我們實現雙中心的系統結構添加一道難題。
我們通過分析DTU的工作原理和整個通信系統的實現，實際DTU對是否采用單個數據中心或多個數據中心，是通過軟件來控制的。DTU在工作過程中，會采用每隔一定的時間向數據中心發送一定的數據（心跳包），告知數據中心DTU是否在線，數據中心將DTU發送過了的數據作為在線標志告知需要與DTU進行通信的數據終端，由數據終端再DTU在線的情況下向DTU發送數據通信命令，實現實時的數據通信。
為了實現雙數據中心通信，實際只需要在軟件上做一下改動即可實現，因此我們通過和DTU廠商的溝通，通過修改DTU工作運行內核軟件即實現了該功能。
由于DTU可以工作在多種工作模式，即SCADA中心采用具備靜態公網IP的通信服務器作為數據終端、通過域名解析方式或采用通信服務商提供的APN服務，我們根據現場條件，并對3種工作方式進行了對比，我們選用了由通信服務商提供的APN服務模式，該模式具備如下特點：
? 所有站點DTU均采用通信服務商采用移動(聯通)內部分配的固定IP；
? 終端與服務器平臺之間采用端到端加密，可以避免信息傳輸中出現的泄密；
? 內部設備采用端到端通信(IP到IP)，可以簡化SCADA平臺的通信驅動，勿需動態域名解析等服務，可以實現帶寬有效利用。
4、系統結構與特點
整個工程首末站控系統及繁昌分輸站采用安控科技的Super32 RTU實現現場工藝參數的監控，所有閥室均采用安控科技低功耗RTU產品Super32一體化 RTU實現現場工藝的監控。蕪湖首站、銅陵末站設操作站1套、工程師/操作員站1套，系統結構圖如下：

為了提高整個系統的可靠性，我們在蕪湖首站和銅陵末站各設一套SCADA中心監控設備，其中銅陵末站作為主SCADA中心，在正常工作情況下對整個SCADA系統進行全面監控，實現對系統控制設備進行本地和遠程監控；當主SCADA中心控制平臺出現故障時，蕪湖首站SCADA中心作為銅陵末站的備份控制中心，全面接管主SCADA中心的工作，實現整個系統的控制功能。
蕪湖首站（備份SCADA中心）主要功能：
? 1、實現本地站控RTU數據采集和控制
? 2、遠程分輸站、閥室和銅陵末站站控RTU的生產數據采集
? 3、與主SCADA中心交換工作狀態信息
銅陵末站（主SCADA中心）主要功能：
? 1、實現本地站控RTU數據采集和控制
? 2、遠程分輸站、閥室和蕪湖首站控RTU的生產數據采集
? 3、與備份SCADA中心交換工作狀態信息
在功能上，蕪湖備份SCADA中心和銅陵主SCADA中心均具備對系統所有控制系統RTU實施遠程控制功能，當二者均在正常工作狀態下，系統不對對方的站控RTU進行遠程控制，只有當其中一方工作狀態處于“故障”情況下才啟用遠程控制功能。
SCADA中心設有操作員站和工程師站各一套，其中工程師站既可以作為工程師站和操作員站，并在操作員站條件下可以與另一臺操作員站實現互為備份功能，從而提高系統的可靠性。通過本地雙機備份和主備SCADA中心的系統架構，從而使整個系統的可靠性和可用性在當前條件下達到最高。

5、系統控制功能解決方案
作為基于GSM網絡通信的窄帶通信條件下，如何實現雙中心互為備份存在一定的難度。如何解決雙中心對遠程RTU實施控制，不產生控制邏輯沖突變得至關重要。
通過對系統的結構進行分析，并對整個系統的工作任務進行劃分，首先在閥室和分輸站采用支持雙數據中心的宏電H7710 DTU產品，在中心采用了H7920路由器作為中心網絡接入，并在整個網絡中采用了通信服務商提供的APN服務，全網通信采用內網IP方式，使整個系統的通信變得簡單可靠。在首末站站控RTU采用通過以太網直接進入本地SCADA平臺，其它RTU通過DTU進入主/備SCADA中心。
為了實現主/備控制中心的控制功能得以有效執行，我們在首末站RTU上增加一臺DTU響應對方的SCADA中心的數據采集指令。首末站SCADA中心通過本地RTU來互換SCADA平臺工作狀態信息。在正常工作狀態下，主SCADA中心（末站）通過以太網采集和控制本地站控RTU、遠程RTU、采集首站RTU的實時數據，并把自己的“心跳”信息寫入本地RTU；備SCADA中心通過以太網采集和控制本地站控RTU，其它RTU數據通過GPRS只進行采集，不做控制，同時也把自己的“心跳”信息寫入本地RTU。當主SCADA出現故障時，通過RTU傳遞的狀態信息為故障時（心跳不變化時），備SCADA中心接管主SCADA中心的全部功能，直到主SCADA中心恢復工作為止，備份SCADA中心對遠程RTU的控制權交回到主SCADA中心，正常狀態工作示意圖如下

6、結束語
該SCADA系統已經成功穩定運行多年，并作為安徽省天然氣公司支線工程的一個樣板，在后續的多個支線工程中得到推廣，效果良好。該系統以RTU為基礎，以GPRS通信為支撐，通過特殊的結構構成一個可靠、安全的SCADA運行平臺，完全可以滿足地理位置較為偏僻，不具備高通信條件下的工程應用。
但該系統也存在一定的缺陷，如主/備SCADA中心雖然實現了數據采集和控制的冗余備份，但由于通信鏈路帶寬限制，無法實現主/備SCADA系統的數據同步，容易造成故障平臺出現故障至故障恢復之間的歷史數據丟失。