区域性油气输送管网SCADA系统建设与研究

高山（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300451）

纪玉学（ABB（中国）有限公司，北京 100015）

李　勇（ABB（中国）有限公司，北京 100015）

区域性油气输送管网SCADA系统建设与研究

高山（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300451）

纪玉学（ABB（中国）有限公司，北京 100015）

李勇（ABB（中国）有限公司，北京 100015）

为确保液化天然气管网达到“站场无人操作、有人值守”和“阀室无人值守”的运营能力，采用了先进的监控和数据采集SCADA系统。本文完整分析了SCADA系统的结构和主备调控中心，输气站场设备，阀室的功能、配置、数据传输和控制原理，为构建区域油气输送管网提供参考。

液化天然气管网；监控和数据采集；自动化

当前我国油气输送管道主干线的投资周期已经基本结束，而连接主干线与企业用户、城市燃气管网的区域性输送管道的投资建设仍有较大的需求。天然气作为我国重要的清洁能源，随着城镇化进程的加快及企业用户对天然气需求量的增加，省级区域输送网络将成为满足下游企业及城市燃气用户需求的重要途径。本文以中海油福建省输气支干线管网项目为例，阐述上述区域输送网络的自动化系统的构建及运营管理。该项目为中国第一个自主引进、建设、管理的大型液化天然气项目，包括接收站、码头和输气支干线管网三个单项工程，其中输气支干线管网项目最终将建成覆盖福建省的天然气输送网络。液化天然气输气支干线管网作为该项目的一部分，采用了监控和数据采集SCADA（supervisory control and data acquisition）系统作为管道投产运营后的主要管理手段，其先进与否在很大程度上决定了管道的科技水平。

1　SCADA系统结构

SCADA系统是以计算机为基础的自动化监控系统，应用于电力、冶金、石油化工等领域的数据采集与监视控制及过程控制等，通过主机和以微处理器为基础的远程终端设备RTU (remote terminal unit) 、PLC及其他输入/输出设备的通信，实现整个工业网络的监控，从而保证系统的安全运作及优化控制。SCADA系统非常适用于长距离、远程设备对象，可实现数据采集、设备控制、测量、参数调节及各类信号报警等功能。

福建液化天然气管网SCADA系统由主备调控中心、站场控制系统和阀室控制系统构成。根据实际特征和需要，该系统控制和管理分为三级：控制中心监视、控制及调度管理；站场控制室控制；就地手动控制。在一般情况下，由调控中心远程控制，站场可以实现无人值守或者仅有操作人员处于监视状态，现场没有控制权。在某些情况下，调控中心可以授权站场，使站场操作人员具有控制权，此时调控中心处于监视状态。在某些特殊情况下，可以由现场人员直接操作控制。分层控制既划清了调控中心和站场之间的职责和权力范围，避免了控制冲突，同时又兼顾各种可能发生的情况及应该采取的措施，极大地丰富和提高了管道运行和管理的策略性和灵活性。

整个SCADA系统采用SCADA Vantage系列软件产品，各站场的控制设备采用PLC控制系统，阀室采用RTU远程终端设备。作为主要负责数据采集和控制的系统，该系统的数据流程如图1所示。数据从现场的设备层被采集，送到各站场的控制设备和数据存储设备层，再经过专用通信网络传至调控中心，实现数据的上传。调控中心的命令经过专用通信网络传至各站场，再由各站场的控制设备下达至具体的设备层，实现命令的执行。通信网络介质为光纤，冗余配置。同时，在各站场的控制层也可实现对设备层数据的采集和命令的下达。

图 1 SCADA系统数据流程示意图

该SCADA系统采用多种通信协议，符合福建液化天然气管网的实际特征。从现场设备层往上直到调控中心层，拥有许多不同的设备，各设备的接口也不尽一致，这就导致从最底层的现场设备层到站场的服务器的通信协议有多种，如PROFIBUS、Modbus、串行口等。而从站场服务器到调控中心服务器，则采用冗余的OPC通信。同时，站场的服务器和现场的PLC之间采用OPC通信。该配置既保证了各设备能正常通信，又有效地保证了一致性。

2　调控中心

2.1调控中心的功能和结构

调控中心处于三级控制的最顶层，起到对整条管道集中管理和监控的功能。调控中心接收来自各个站场和RTU阀室的上传数据，同时调度员可以根据管道的运行情况对各个站场和RTU阀室的设备进行远程控制。现场设备的数据可上传至位于秀屿的调度控制中心和位于福州的备用调控中心。SCADA系统服务器采用冗余和分层结构，使得主调度控制中心和备用调度控制中心异地配置成为可能。SCADA Vantage系统支持异地灾难恢复服务功能，在主服务器崩溃后自动授权给异地备用服务器。在正常状态下，主服务器通过内部同步协议同步备用服务器。

调控中心的结构如图2所示。其主要设备包括：实时数据服务器、历史数据服务器、工程师站及模拟仿真系统、操作员站、大屏幕系统、打印机、光纤路由器等光纤通讯设备。重要设备都采用冗余配置，如服务器、工作站、通信网络等，在当前设备出现故障时，可自动切换到热冗余的备用设备，提高了调控中心的故障容忍性和生产连续性。调控中心与各站场间采用目前在工业领域应用广泛的OPC通信协议。调控中心作为OPC服务器，各站场和阀室作为OPC的客户端，通过服务器/客户端模式实现数据的传递。

图2　天然气管道通信架构示意图

实时数据服务器和历史数据服务器是调控中心的核心设备，实质上是两个数据库：实时数据库和历史数据库。实时服务器负责实时接收和预处理来自现场的数据并提交给操作员站实时监控，例如实时趋势图和设备实时状态等。操作员通过操作员站下达的命令也通过实时服务器处理，然后下达至站场和设备层。实时服务器处理的所有数据都同步传至历史服务器作长期记录，在此存放与调控中心相关的一切数据，包括现场设备数据、下达的指令、事件和报警记录等。

实时数据和历史数据都可以通过趋势图再现。基于最初的设计定义，丢失数据可以通过回填方式代替。数据以数据库形式储存，数据库采用服务器/客户端的分布式开放架构。

工程师站是调控中心的配置站，对调控中心所有的调整都应该在这里进行，与操作员站构成了调控中心的两个对外窗口。通过工程师站可以修改实时服务器、历史服务器、通信配置等参数，但不可直接在此下达调度指令。操作员站是调控中心的操作平台，实现监控和管理功能。通过操作员站，可以实时监视现场设备，下达操控指令，自动生成日报、周报或者月报。调控中心的大屏幕系统和操作员站连接，可实时展现操作员站的界面内容。

2.2调控中心的配置

实时数据服务器和历史数据服务器均采用HP DL580G，装有SCADA Vantage服务器软件。调控中心设有存储量巨大的磁盘阵列作为历史数据存放处，HMI（human machine interface）作为应用层面，设有工程师站、操作员站和仿真操作站。工程师站配置HP Z400工作站，装有OPC通信软件、SCADA Vantage客户端软件等。操作员站配置HP Z400工作站，装有流程图画面等人机界面程序。仿真操作站配置HP DL350G工作站，装有仿真软件，通过仿真软件模拟管道的动态运行，对管道的实际运行起预测和分析作用，并可用于培训调度员。

3　输气站场的控制系统

3.1输气站场控制系统的功能和结构

各输气站场是基层的管理单元，直接面对生产过程和装置，是各个站场的大脑。各站场的控制系统构成了SCADA系统的核心支撑部件和主体，它既可只具备监视功能，由调控中心直接管理站场，也可以切换到站场独立管理、控制站场的模式。

站场控制系统按照功能可分为3个子系统：站控系统SCS（station control system）、火气系统FGS（fire & gas system）、紧急停车系统ESD（emergency shutdown device）。其中，SCS负责站场的日常生产控制，与生产相关的各仪表、设备等均连接到SCS；FGS负责处理在站场出现火焰或气体泄露等紧急事故后的报警和灭火事宜，主要是将可燃气体探测器、火焰探测器、消防控制器等设备连接到FGS；ESD是在站场发生紧急情况时为避免和消除重大的和灾难性的事故，保证人员和装置安全而采用的，按照危险程度分为三级：全站场停产并放空，压缩机组停产并放空，压缩机组停产但不放空。

按照站控系统结构可以分为两层：上位机层；下位机和现场设备层。上位机由冗余服务器、工程师站、操作员站、通信设备、打印机等设备构成；下位机层由PLC系统、站场各具有远程功能的仪表和设备构成。重要设备如服务器、PLC控制器、工程师站、操作员站等采用冗余配置，确保在运行设备出现故障时仍不影响生产。

服务器和PLC系统是站控系统的核心。服务器负责接收来自现场第三方设备和PLC的数据并预处理，然后传给操作员站实时监控并传送至调控中心。同样，操作员下达的指令或者来自调控中心的指令经由服务器直接到第三方设备或通过PLC下达至现场仪表及设备。工程师站负责修改站控系统的配置。操作员站供操作员实时监控整个站场的运行状态。通信设备负责连通站场和调控中心，在站场端也采用冗余光纤通信。站场SCADA服务器通过OPC协议和PLC系统间通信，此时，SCADA作为服务器，PLC作为客户端。SCADA服务器在和调控中心SCADA服务器通信时，站场端SCADA服务器为OPC客户端，调控中心端SCADA作为服务器。

下位机的PLC作为现场数据处理和通信的核心，处于服务器和现场设备的中间层，具有采集现场数据、预处理数据、实现自动控制逻辑、与上位机通信、执行上位机指令的功能。PLC控制器与I/O模块之间采用PROFIBUS协议。如上文所述，站控系统包括SCS PLC，FGS PLC，ESD PLC，分别承担各自的功能。SCS PLC连接现场生产相关的仪表及第三方设备部分，实现对生产的控制；FGS PLC连接现场的火焰、可燃气体、感温探测器和火灾控制器、消防泵等消防装置，实现在出现火灾和气体泄漏等情况下及时发现并处理；ESD PLC连接现场的ESD阀门等设备，在站场出现紧急情况时，紧急停车关断，保障站场人员和设备的安全。

SCS PLC、FGS PLC和ESD PLC既各自独立，又互相统一。例如，火焰探测器发现某处有火焰，FGS PLC会先进行逻辑判断并响应，进行站场警报、灭火装置启动等，如果情况严重，FGS PLC还会通知ESD PLC采取动作避免发生事故。FGS PLC和ESD PLC都根据站场的逻辑程序和因果关系预置了各种情况发生时的应对措施，实现了安全自动化管理。

站场还有一部分第三方设备不经过PLC系统，直接接入服务器，如压缩机组控制系统、发电机组控制系统等。通常这些设备都采用以太网或者串行口通信，因而可以操控这些第三方设备，实现全站场设备的自动化。

3.2输气站场控制系统的实现及配置

站控系统硬件和软件配置：数据服务器采用HP DL388G，该机器配备SCADA Vantage服务器软件，负责数据处理和存储。工程师站和操作员站都采用HP Z400工作站，工程师站装有SCADA Vantage客户端和PLC的组态软件等，供工程师根据需要组态PLC和服务器并进行故障诊断；操作员站装有SCADA Vantage操作界面，供操作员监控全站的设备和仪表，了解站内各区域的状态。SCS，ESD和FGS都采用PLC控制器，接收来自HMI层面的指令。

工程师站安装的组态软件通过以太网协议和PLC连接，对PLC进行修改配置。PLC通过OPC协议和站场SCADA服务器通信，通过SCADA Vantage软件处理实时数据，并可通过SQL数据库软件将实时数据导入历史数据库中。操作员安装SCADA Vantage客户端和通过VB6开发人机界面软件。同时，还可以通过工程师站安装的VB6开发改进HMI软件，整个软件系统围绕SCADA Vantage展开，具有很强的灵活性。

4　计量站控制系统

4.1计量站控制系统的功能结构

计量站为天然气的贸易交割提供依据和保障，关系到天然气买卖双方和管道业主等各方的实质利益，是最重要的组成部分之一。计量站的控制系统基本和输气站场的控制系统相同，具有同样的结构。计量站以计量为主，核心设备是超声波流量计，没有压缩机组，因而其结构相对于输气站场更为简单。

计量站控制系统按功能也划分为SCS、FGS、ESD系统，每个系统的结构和功能与站场控制系统一致。计量站控制系统的独特之处，即通过串口/以太网口将流量计算机和分析小屋等计量和气体分析的数据连入站场SCADA服务器。

4.2计量站控制系统的实现与配置

计量站控制系统的硬件和软件配置与站场的配置相同。

5　线路截断阀室的控制系统

截断阀室起到紧急情况下关断阀室、保障管道安全、减小影响的作用。此外，通过阀室安装的仪表可以及时有效地获得管道和气体参数。根据实际需要，管道全线的阀室装有RTU系统，与传统阀室相比，装有RTU系统的阀室不仅可以实现远程操控，还使RTU阀室具备自动控制功能，通过预先设置的逻辑程序，在出现某种情况时RTU系统自动操作，提高了干线管道的自动化水平。RTU阀室是整个管道SCADA系统的重要组成部分，它使各站场不再是孤立的单点，使管道管理层和调度员对管道的信息掌握的更全面和准确。

RTU阀室的结构和站场控制系统一样，也分为上位机层和下位机层，但结构和设备比站场系统简单得多。上位机层包括触摸屏构成的人机界面和通信设备；下位机层包括专用于远程控制的RTU系统。

RTU和通信设备采用冗余配置。RTU I/O系统接收阀室现场仪表等设备的数据，传至RTU系统预处理后，实时呈现给触摸屏HMI，同时通过安装于阀室的光纤通信设备传至调控中心（与站场邻近的RTU阀室的数据先传至站场控制系统，然后由站场控制系统传至调控中心）。调控中心指令的传递沿此路径反向传递，可以操控阀室的截断阀等设备。

操作员除了可以远程操控阀室，还可以在现场通过触摸屏上位机直观获得现场数据并操控阀室。当RTU检测到数据超过报警限值就会产生报警信号，如果根据植入的逻辑程序判断情况比较严重，就会产生动作，关断阀室，保障管道的安全。

6　结论

福建省液化天然气管网SCADA系统结构精简，功能强大，将管道沿线的各输气站场、清管站、计量站、RTU阀室和主备调控中心有机连接成一个整体，实现了天然气管道的生产运行数据向调控中心的传输，有力确保了管道的安全生产，对构建区域性油气输送管网SCADA系统具有一定的借鉴意义。

[1] 中国石油天然气管道工程有限公司. 福建LNG站线项目输气干线初步设计[Z]. 2005.

[2] CBI, 中国成达工程公司. 福建LNG站线项目接收终端工程FEED设计[Z]. 2005.

[3] 胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司. 福建管网海西天然气管网二期工程（福州 - 福鼎段）设计规格书[Z]. 2013.

[4] 大庆油田工程有限公司, 中石油管道工程有限公司珠海分公司. 福建管网海西天然气管网二期工程（漳州 - 龙岩 - 诏安段）设计规格书[Z]. 2015. [5] ABB. ABB SCADA Vantage技术手册[Z].

Construction and Study of SCADA System for Regional Oil and Gas Transportation Pipeline Network

In order to fulfill the purpose of "station unmanned operation, only duty" and "valve chamber unmanned operation" for the liquefied natural gas pipeline network, we adopt the advanced SCADA system. This paper analyzes completely the structure, the main and back-up regulation control centers, the gas transportation station equipment, the line chambers and functions, configuration, the data transmission and control principles. It provides the reference for constructing the gas pipeline network.

Liquefied natural gas pipeline network; Monitoring and data acquiring; Automation

B 文章编号：1003-0492（2016）06-0098-04 中图分类号：TP273

高山（1983-），男，辽宁锦州人，中级工程师，本科，现就职于中海石油（中国）有限公司天津分公司，主要研究方向为自动化仪表。

纪玉学（1981-），男，黑龙江人，工程师，本科，现就职于ABB（中国）有限公司，主要研究方向为自控系统及仪表。

李勇（1968-），男，河南人，工程师，硕士，现就职于ABB（中国）有限公司，主要研究方向为自控系统及仪表。