防呆系统在数据采集与监控系统的应用

田家兴 梁建青 王海峰 马铁量

(中国石油西气东输管道公司压缩机处，武汉 430073)

防呆是一种预防矫正的行为约束手段，通过运用一系列的自动保护手段，即使操作者没有专业知识和相关经验，甚至不需要花费注意力，就能凭直觉而正确无误地完成操作。在工业设计上，为了避免误操作(包括无意识的动作、下意识的误动作或不小心的肢体动作)而损坏机器或造成人身伤害，可以采用防呆系统的设计，进行恰当的预防。

笔者在分析设计防呆系统的必要性与可行性的基础上，以关闭出站阀门为例，将防呆程序与脚本逻辑成功应用于中国石油西气东输站场的数据采集与监控系统(SCADA)中，降低了操作人员的误操作，并给出了合理的操作建议，以期提高管道输气的生产效率。

1 西气东输站场SCADA系统简介①

中国石油西气东输管道站场设有独立的站控自控系统，对其生产工艺进行控制管理。西气东输站控自控系统采用Allen-Bradley系列PLC系统(以下简称AB PLC)，对站场的工艺数据进行采集、监控与管理。操作员通过使用Honeywell的HS上位机操作系统对站场设备进行监控[1]。西气东输站场SCADA系统架构如图1所示。

站场设备的自动控制逻辑主要由AB PLC实现。操作员通过HS上位机对现场设备进行监控与操作，当HS上位机对现场设备下发指令后，动作信号会通过以太网下发给AB PLC，由AB PLC逻辑运算后，将动作结果通过硬线下发给现场设备，实现操作员的远程自动控制功能[2]。

图1 西气东输站场SCADA系统架构简图

2 SCADA防呆系统设计必要性与可行性分析

2.1 必要性

在中国石油西气东输管道日常生产输气运行中存在很多风险，站场操作人员必须经过大量的培训，作业操作之前必须进行风险识别，维护检修过程中要提前做好保护等工作。如果站场人员误操作，可能会造成管道天然气压力异常波动、压缩机停机及流量计损坏等，严重时甚至会造成天然气停输。对于分输不能间断的场站，停输很有可能给下游化工厂及电厂等企业造成严重的经济损失。防呆系统的应用可以有效避免操作人员的误操作，防止异常操作给生产运行带来的不必要的损失[3]。

2.2 可行性

站场操作以阀门控制为例，站场关阀控制流程首先由操作员在HS上位机上下发关阀命令，命令下发给AB PLC的阀门控制模块；在阀门控制模块中，分析阀门状态，计算控制逻辑，然后将结果进行输出到现场阀门，对阀门进行关阀操作。整个流程中，阀门控制模块只对阀门状态进行判断，根据阀门情况决定是否能进行关阀操作，并未对整个工艺情况进行分析[4]。

加入防呆系统后，当操作员在HS上位机上下发命令给AB PLC后，首先进行判断是否投用了防呆功能，若防呆系统未投用，则指令进入阀门控制模块并进行正常关阀流程。若防呆系统投用，则进入防呆条件判断逻辑，判断此时的工艺条件是否可以执行此项操作，若可以执行此操作，则逻辑跳转到阀门控制模块中；若判断当前环境下不适合此项操作，则返回给上位机HS一个数值，在上位机画面中弹出提示，警告操作员执行当前操作会造成的后果并询问操作员是否继续执行此操作。当操作员选择仍要执行此动作后，命令直接进入阀门控制模块，进行阀门动作；若当操作员看到提示后，知道进行了误操作，即可取消当前操作，关阀命令被取消，阀门保持现在的运行状态不变[5]。防呆系统的逻辑流程如图2所示。

3 SCADA系统防呆设计的应用

在现有的SCADA系统中实现防呆功能，一方面需要在AB PLC中增添防呆程序逻辑功能，实现防呆逻辑判断；另一方面需要在上位机HS系统中增加脚本逻辑，对AB PLC返回的防呆信号进行处理，并弹出窗口提示操作员相关信息。

图2 防呆系统的逻辑流程

3.1 AB PLC的防呆程序

在例程栏中新增防呆逻辑例程，命名为fangdai。在主例程MainRoutine中添加fangdai例程的跳转。在fangdai例程中，可以对站场中所有工艺相关的防呆保护逻辑进行编写。新增防呆例程跳转的界面如图3所示。

图3 新增防呆例程跳转的界面

以关闭出站阀门为例编写防呆逻辑。当上位机下发关阀命令后，首先判断防呆保护是否投用，若未投用，则直接进入关阀逻辑；当防呆保护投用后，则判断防呆条件是否满足，如果满足就给上位机返回防呆信号，上位机根据返回信息给出操作员提示，不满足则继续进行关阀逻辑[6]。关闭出站阀门的防呆判断主要有工作调压阀是否关到位、分输路中的两路流量计的流量是否小于100m3/s，若流量计流量过大，瞬间关断出站阀会造成流量波动，打坏流量计。防呆判断逻辑流程如图4所示。

根据防呆逻辑流程图对AB PLC的fangdai子例程进行逻辑编写，如图5所示，其中LXO为上位机下发的关阀命令，N7[5].0关联的是2102#阀门模块的关阀命令，discription2012为给上位机的防呆返回值。

图4 防呆判断逻辑流程

3.2 HS上位机的脚本逻辑

防呆保护逻辑编写完成后，需要在上位机对HS系统添加新的数据点并进行脚本编辑，实现操作员在进行不规范操作时，给出提示警告的功能。

对HS服务器进行设置，首先需要在Quick Builder数据库软件中建立3个新数据点，分别映射AB PLC中的关阀命令LXO、操作员确认的confirm数据点与逻辑运算生成的防呆返回值discription2102。对3个数据点进行创建并将地址与AB PLC中的数据点进行地址映射后，下装到数据库服务器中，完成数据库新增数据点的编辑[7]。

图5 AB PLC的fangdai子例程逻辑

在数据库设置完成后，要对HS上位机画面进行编辑。使用HMI Display Builder打开组态画面并进行编辑，绘制两个数据点画面并进行隐藏，然后分别映射到对应的操作员确认confirm数据点与逻辑生成的防呆返回值，图形分别命名为“fanhuizhi”与“queren”。添加脚本程序如下：

if fanhuizhi.value=0 then

if MsgBox("工作调压阀还未关到位，不建议进行关出站阀操作，是否继续关闭出站阀",vbYesNo+vbExclamation,"防呆提示")=vbYes Then

queren.value=1

end if

else

if MsgBox("当前还在分输中，不建议进行关出站阀操作，是否继续关闭出站阀",vbYesNo+vbExclamation,"防呆提示")=vbYes Then

queren.value=1

end if

end if

当fanhuizhi图形中对应的数据点discription2102的值为0时，弹出对话框提示“工作调压阀还未关到位，不建议进行关出站阀操作，是否继续关闭出站阀”，如果操作员选择“yes”则将queren图形对应的confirm值置1，继续关阀，否则不动作。当fanhuizhi图形中对应的数据点discription2012的值为1时，弹出对话框提示“当前还在分输中，不建议进行关出站阀操作，是否继续关闭出站阀”，如果操作员选择“yes”则将queren图形对应的confirm值置1，继续关阀，否则不动作。

编辑完成后保存，在Station中进行测试，测试根据返回值弹出对话框，如图6所示。

图6 防呆提示对话框

此处所列为中国石油西气东输SCADA系统中的一个关阀防呆逻辑事例，对SCADA系统中操作员重要操作依次建立防呆模型并编程组态，完成防呆系统的实现与应用。

4 结束语

中国石油西气东输管道公司通过防呆系统功能的使用，防止了操作人员由于疏忽或者认知不足造成的不合理、不规范操作，避免了不良后果。同时给出合理的操作建议，使站场操作人员进行二次判断并重新确认操作，从而减少误操作的发生。在保证安全生产的同时提高了生产效率，提高了西气东输的自动化程序和管理水平。

[1] 彭太翀,王海峰,王多才,等.关于西气东输ESD系统报错的探讨和可行性优化建议[J].工业控制计算机,2011,(11):28～30.

[2] 赵廉斌,田家兴,王海峰,等.站场无人值守功能在西气东输管道的应用[J].油气储运,2012,31(4):314～317.

[3] SY/T 5922-1994,天然气输送管道运行管理规范[S].北京:石油工业出版社,1994.

[4] 马铁量,刘洋,梁怿,等.忠武管道与西气东输二线调压系统自控方式对比分析[J].中国石油和化工标准与质量,2014,(7):146～147.

[5] 赵毅,李晓晖.PLC控制系统可靠性的研究[J].煤矿机械,2006,27(4):584～586.

[6] 程子华,刘小明.PLC原理与编程实例分析[M].北京:国防工业出版社,2010:10.

[7] 田家兴,王海峰,赵廉斌,等.HS与ViewStar两种HMI系统在西气东输的应用[J].自动化与仪器仪表,2011,(4):107～109.