基于自主可控的长输管道站控系统方案及应用

朱瑞苗，刘博，刘斌，孟昭宇，谢敏，谢天天

(1. 中石化中原石油工程设计有限公司，河南 濮阳 457001；2. 中国石油化工股份有限公司 天然气分公司，北京100029；3. 中国石油化工股份有限公司 天然气榆济管道分公司，山东 济南 250101；4. 中石化天津天然气管道有限责任公司，天津 300450；5. 浙江中控技术股份有限公司，浙江 杭州 310012)

天然气长输管道的场站部分一般包含首站、分输站、压气站、清管站、末站等，根据场站内点数的不同，在各场站设置不同规模的长输管道站控系统(PCS)，PCS作为整条管线数据采集与监视控制系统(SCADA)的重要组成部分，技术要求一般包括以下内容：

1) 仪表与自动控制系统连续地监视和自动控制管道的运行，保证人身、管道、设备的安全。

2) 全线所有场站达到无人操作、有人值守的运行管理水平。

3) 在保证安全的前提下，确保为下游用户连续供气，同时满足环保的要求[1]。

4) 选择合理的检测控制设备、系统配置方案、输气管道应用软件，使管道以最低的运行成本和最优的工况下正常运行。

5) 在技术先进和经济合理的前提下，尽可能地提高计量系统的准确度，贸易计量系统应满足体积和热值交接的需求。

1 长输管道站控系统现状

一般而言，场站内的主要控制对象包括： 压缩机、过滤分离器、清管器收发装置、消防、自用气、配电发电机等设备。PCS的主要任务是保证管线安全、可靠、平稳、高效、经济地运行，控制主要通过可编程控制器(PLC)实现以下基本功能： 向控制中心上传数据和报警信息；接受和执行调控中心的控制命令，控制和调整设定值，并能独立工作[2]；接受控制中心的控制命令，对站内工艺设备进行启、停操作；设备运行故障自诊断，并把信息传输至控制中心。

截至目前，在长输管线处于垄断地位的进口控制系统供应商都有数十年的行业应用背景，积累了丰富的应用经验。因此，这些系统供应商所提供的自动化控制系统具有很好的针对性，控制系统软件功能模块与行业工艺流程紧密结合，能满足平台工程的特殊要求。这些系统供应商包括Emerson，AB，Quantum等，共同占据了中国大部分的控制系统市场[3]。

同时，随着越来越多的计算机网络技术应用到工业自动化控制领域，工业控制系统也受到越来越多的安全威胁，特别是“震网”病毒和“勒索”病毒事件[4]发生以来，工业控制系统的安全面临着前所未有的挑战。目前，工业控制系统安全防御技术大多采用防火墙技术，通过设置黑名单、白名单的方式阻止外来的威胁，但该方法是基于先验知识来应对已知的威胁，并不能阻止未知的威胁，另外防火墙技术也严重影响了工业控制系统对实时性的要求。因此，选用国产自主可控PLC满足长输管道场站的应用需求变得越来越迫切。

国产SCADA经过十多年的发展，在其他控制要求复杂、环境安全要求高的应用领域中也取得了很大进展，在大型炼化、石化项目中已经有较多的应用业绩[5]，系统标称的规模、可靠性和开放性也能满足控制的要求，目前已经具备了与国际主流控制系统在高端应用上同台竞争的能力[6]。本文将针对自主可控的国产PLC产品在站控方面的应用展开讨论。

2 长输管道远程监控难点

2.1 网络管理及设备信息化

长输管道系统中，场站的数量可多至数十个，地理分布分散；整个管道的场站和阀室也要根据市场情况进行改扩建，这对系统通信架构的灵活性和可扩展性提出了很高的要求，因此需要加强对场站局域网的建设及管理[7]，同时还需要提高设备的信息化水平。

信息化、智能化、智慧化是工业发展的趋势，但是要实现真正的智能化、智慧化，必须是在大数据的基础上，不断丰富底层设备信息，获取底层设备运行参数、工艺运行参数、生产报表数据和SCADA的运行参数。

2.2 基于无人值守的场站远程维护

无人值守在场站建设中是热门话题，调控中心离场站距离远，长期派驻人员成本高，但基于调控中心管理的远程维护又不便，实时性也不够，而且目前的远程维护和远程管理方式是采用远程桌面的方式进行监控和管理，由于所有的权限管理仅由远程登录密码实现管理，存在安全隐患。该应用方式导致控制系统在SCADA中缺乏针对远程运维的日志记录，因此难以进行后续管理和追溯。

基于远程场站的无人值守不仅要实现远程操作和监视，更需要根据工艺的变化执行远程组态更新和调试，以及场站组态报警、趋势设置、数据链路同步等。

3 基于国产PLC的长输管道站控远程监控方案

在保证安全生产的前提下，长输管道站控远程监控是实现长输管道信息化生产、无人值守化管理的一种生产模式[8]。

3.1 场站SCADA控制及设备信息化

无人值守站必须建立在合理的系统控制方案和完备的信息化管理基础上，场站工艺系统是核心，主要由过滤分离设备、旋风分离器、清管器收发设备、各类工艺阀门、调压设备、计量设备、检测仪表和站内工艺管道等构成。工艺系统主要设备的工作状态和运行参数需要上传至站控系统、输气管理处和调度控制中心。场站工艺控制主要包括以下内容：

1) 阀门、撬体、检测仪表的单体控制。现场的工艺设备按照控制要求，需满足三级权限控制，并且要完成单体功能控制，实现设备的单体自动化。

2) 过滤分离流程切换、计量调压流程切换等控制。根据工艺设计，输气站每块功能区的工艺流程均设计为2条支路或多条支路，以满足天然气调输、流程切换、故障支路检修时进行支路流程切换或启用多条支路进行天然气输气的需求。

3) 启停站控制。在正常工况下，可由调控中心按照生产计划任务的完成情况控制启停站。

4) 紧急停车系统(ESD)安全联锁保护控制。如果场站内发生大的紧急事故，ESD会紧急关断进出场站的控制阀，同时打开放空阀，保证人身安全。

5) SCADA需支持OPC，Modbus RTU/TCP，IEC 104等工业常用的通信接口，以满足系统对第三方系统的集成要求。

场站设备信息化集成是整个行业信息化发展的短板，无人值守场站必须在底层设备信息化的基础上，实现自动化设备统一管理及维护，在专业维护团队的辅助下，真正实现无人值守场站运行。

3.2 面向无人值守场站的系统解决方案

场站通过PLC实现压力、温度、流量等数据的采集及显示，可实现阀门远程控制及状态显示；实现了过滤分离、计量调压流程自动切换、进站压降速率等联锁保护功能；PLC可通过HART协议采集设备信息，实现了设备的信息化管理，并可通过设备管理服务器对现场智能设备远程管理及维护。

场站控制系统通过协议转换器实现与火气系统、调压撬系统、计量撬系统、低压配电柜、发电机、UPS、安全仪表系统(SIS)和放空火炬等第三方设备的通信，采用Modbus RTU协议，连接方式为RS-232或RS-485，同时实现了场站SCADA的面板控制、报警、日志、趋势及系统诊断等功能。

场站操作站提供了人性化的界面，运行人员通过操作站实现现场数据的采集和监控，并自动完成归档、存储、报表打印等功能。操作站只负责与通信服务器之间的通信，对于采集的数据采取逢变则报的方式，大幅减少了数据的传送量，从而降低了轮询周期。

专用通信前置机作为站控SCADA的通信服务器，承接着与PLC、协议转换器、上下游阀室的通信，他们之间采用Modbus TCP协议，连接方式为以太网；专用通信前置机同时对站控SCADA和调控中心SCADA提供IEC 104协议服务，通过以太网与调控中心VxHistrain数据库实现数据交互。

机组ESD的输入/输出信号等必须采用硬线连接；通过LAN完成UPS与PCS之间的普通信息交换，采用标准的冗余TCP/IP以太网，通信协议采用标准的Modbus TCP/IP协议；串口通信物理接口采用RS-232/RS-485，通信协议采用标准的Modbus RTU；阀室RTU的数据通过2条冗余的光纤链路接入上一级或下一级的场站中。

通过上述的系统配置，可实现整个场站的自动化、信息化管理，同时通过时钟同步方案、远程维护解决方案、全网诊断方案、全系统防病毒方案[9]和单站网络方案辅助，实现无人值守场站的系统架构。基于通用控制器系统GCS(general control system)平台的场站信息化结构如图1所示。

图1 基于GCS平台的场站信息化结构示意

3.2.1时钟同步方案

调控中心实时数据服务器通过GPS授时设备进行多级定时校时，调控中心和场站服务器通过实时数据服务器进行定时校时。当场站与调控中心网络出现连接故障时，场站服务器通过场站RCI服务器进行定时校时，同时为了提高精度，在场站内部网络层系统可采用IEEE 1588高精度时钟同步进行补充[10]。

3.2.2远程维护方案

调控中心远程维护站部署了RDMSClient客户端工具，场站服务器部署了RDMSServer服务器工具；远程维护站通过RDMSClient客户端访问场站RDMSServer服务器进行远程场站组态维护。通过建设专用加密隧道的方式，实现整体网络的一体化处理，其中加密隧道通过自动识别两端网络设备以及对应的PLC设备，无需人工干预即可自动连接成一条完整的加密通信链路，实现即插即用。

采用基于作业流的对等通信方式，可在场站内发起服务模式，指定远程某个接入用户具备接入及远程管理能力，并可通过统一的时钟，设定链接维护的时间，在超出维护时间后，链接自动关闭。所有的远程操作均具备自动记录功能，保证操作的可追溯性。

3.2.3全网诊断方案

调控中心通过SNMP协议实现对天津LNG场站及阀室通信设备的全网诊断功能，通过SCADA直接查看全线场站及阀室网络设备连接状态，进行故障分析。

3.2.4全系统防病毒方案

卡巴斯基防病毒软件安装在现场每台采用Windows的服务器和站控机上，并且与SCADA完全兼容，不影响SCADA软件的正常运行。OPC服务器承载着病毒库更新功能，远程维护站穿越防火墙向OPC服务器自动更新病毒库，为调控中心及场站服务器提供病毒库源，实现病毒库自动更新。

3.2.5单站网络方案

通信设备工业交换机进行Vlan划分，将每个场站的网络逻辑链路进行隔离，使每个场站构建独立的局域网，缩小了网络规模，提高了控制网络的安全性，同时减轻了控制网络的管理难度，基于GCS平台的远程监控拓扑结构如图2所示。

图2 基于GCS平台的远程监控拓扑结构示意

4 结束语

基于GCS的长输管线PCS实现了对场站运行参数的集中检测、控制、上传和下载，减少了维护人员的工作量[11]，部分实现了管道场站的“无人操作，少人值守”。基于GCS的控制系统产品充分发挥了配置灵活、开放性好、安全可靠、性能优良、扩展方便、易于调试的优点，使场站PCS的安全性和稳定性有了可靠保障。在天津LNG的实际应用中，调控中心的管理人员可以通过操作站监控画面或大屏幕清楚地了解各个场站的运行数据，使管理更加有针对性，有效地提高了长输管线的运行管理水平。