（第二屆“安控杯”SCADA/RTU技術(shù)與應用征文比賽二等獎作品）

陳  晗

1  管線(xiàn)系統概況

    大慶-鐵嶺輸油管道（以下簡(jiǎn)稱(chēng)慶鐵線(xiàn)）是70年代初建成投產(chǎn)的兩條并聯(lián)的輸油干線(xiàn)，直徑為720mm，長(cháng)度分別為516km和524km，由于投產(chǎn)的先后不同，習慣上稱(chēng)為老線(xiàn)和新線(xiàn)。它是一個(gè)較為復雜的水利系統。主要體現在以下幾個(gè)方面：兩條主干線(xiàn)，四條分支交匯管線(xiàn)；9座輸油站，每站分新老兩個(gè)系統，并在每站的進(jìn)出站端通過(guò)閥門(mén)互相聯(lián)通，8座增壓站，7座線(xiàn)路閥室；慶鐵線(xiàn)是雙線(xiàn)并聯(lián)，每站的新老系統都有聯(lián)通，好像一個(gè)巨大的梯子縱貫南北。其中每一個(gè)“點(diǎn)”或“段”的局部變化勢必影響整個(gè)系統的變化?！熬植俊钡恼{控與保護必然會(huì )對其他部分產(chǎn)生干擾。這樣一個(gè)復雜管網(wǎng)的調控，目前在國內外尚無(wú)先例。

    慶鐵線(xiàn)投產(chǎn)20多年來(lái)，每年輸油量都在四千萬(wàn)噸以上，給國家創(chuàng )造了巨大的經(jīng)濟效益，是全國第一的輸油大動(dòng)脈。由于年久失修設備老化，1994年以來(lái)對慶鐵線(xiàn)的泵站進(jìn)行了大規模的改造。為實(shí)現密閉輸油以達到高效、低耗、節能和提高現代化管理水平的目的，決定采用先進(jìn)的數據采集與監控系統SCADA系統來(lái)設計實(shí)現全線(xiàn)密閉輸油工藝運行與控制。使全線(xiàn)系統達到較高的自動(dòng)控制水平，確保管線(xiàn)安全平穩地運行。

2  系統結構和特點(diǎn)

    慶鐵線(xiàn)所采用的數據采集與監控系統（SCADA）是一套全新的系統，它綜合吸收了當今國際控制系統的最新技術(shù)和特點(diǎn)，有機地把繼電器保護、測量系統、計算機及RTU（Remote Terminal Unit）融于一體，并用RTU本身具有的可編程邏輯語(yǔ)言功能成功地解決了站內自動(dòng)化控制的技術(shù)難題，如水擊超前保護、泵機組自動(dòng)切換、自動(dòng)轉發(fā)清管器等。使得輸油生產(chǎn)過(guò)程變得更為簡(jiǎn)捷、方便、靈活、安全可靠。

    改造后的慶鐵線(xiàn)自動(dòng)控制系統采用了集散控制體系，即調度中心的集中控制和各泵站的分散控制。站控端（泵站控制）共有三級控制方式：

        (1)  調度中心遙控  接收調度中心調度人員遠程控制管線(xiàn)系統運行工況和設備命令，自動(dòng)完成有關(guān)控制操作。

        (2)  站控  各輸油站操作人員可以在控制臺上監視和控制本站的系統運行工況和輸油設備，自動(dòng)或半自動(dòng)完成有關(guān)控制操作。

        (3)  就地操作  根據就地安裝的顯示儀表，在現場(chǎng)操作按鈕，可以控制泵站的有關(guān)設備，并禁止調度中心遙控和站控功能。

        系統拓撲結構是點(diǎn)對點(diǎn)方式，調度中心對8個(gè)站控端站。各站控端間沒(méi)有通訊要求，由調度中心程序判斷進(jìn)行調度指揮。點(diǎn)對點(diǎn)方式在采集數據量大、實(shí)時(shí)響應速度快、就地控制功能強的情況下，顯得實(shí)用、經(jīng)濟、可靠。為了保證全線(xiàn)安全協(xié)調運行，調度中心采用雙機熱備冗余技術(shù)來(lái)提高系統整體的可靠性，一旦主機發(fā)生故障，在短短十幾秒內系統完全切換到備用機上運行。

        調度中心配置：基于網(wǎng)絡(luò )的雙機熱備系統，兩臺DEC Alpha系列工作站作為主機和備用機，5臺DEC奔騰系列微機作為操作工作站。采用基于DECOpenVMS/Hanzi操作系統的XCEL/DYNAC SCADA軟件。

        通信信道使用用戶(hù)提供的專(zhuān)用微波通信線(xiàn)路。通信速率為2 400波特率，主備雙信道。

        站控端配置：采用加拿大HARRIS公司提供的先進(jìn)GR90 RTU及MICONS-32調節器作為泵站的主要控制設備。GR90 RTU提供的 PLC軟件作為主要控制程序編制語(yǔ)言。采用VAX 4000/60工作站作為當地功能主機，VMS5.X版的DYNAC作為站控端的監控軟件。GR90 RTU完成所有如電機運行狀態(tài)、進(jìn)出站壓力及油溫等DI、AI類(lèi)型數據的實(shí)時(shí)采集，并將其通過(guò)微波信道及相關(guān)通迅協(xié)議上傳到調度中心及當地功能進(jìn)行數據處理，如顯示、計算、打印和報警等。同時(shí)也可接收來(lái)自調度中心及當地功能的操作指令，完成如開(kāi)關(guān)電動(dòng)閥門(mén)、起停電機及管線(xiàn)自動(dòng)保護等操作。MICONS-32作為泵站重要被控設備調節閥的控制器，其設定值等參數由調度中心或當地功能給出，通過(guò)RTU送給MICONS-32，由它按照給定值，結合現場(chǎng)的工藝工況，自動(dòng)進(jìn)行壓力調節、水擊波控制和啟泵保護。整個(gè)系統根據不同的設備，通過(guò)不同的通訊協(xié)議完成所有數據的雙向傳送。

3  系統主要功能

    慶鐵線(xiàn)SCADA方案經(jīng)過(guò)有關(guān)單位多次討論通過(guò)后，由項目組成員在短時(shí)間根據操作原則及相關(guān)文件，完成了慶鐵線(xiàn)自動(dòng)控制邏輯框圖及程序流程圖的詳細設計工作，包括檢測參數的類(lèi)型、數量、報表格式、屏幕顯示圖量、參數顏色定義、調節保護控制方案等。在此基礎上編制完成了大量的應用控制程序，經(jīng)投產(chǎn)運行表明，整個(gè)慶鐵線(xiàn)SCADA系統設備運行安全可靠，系統及應用軟件合理、實(shí)用、可靠，完全滿(mǎn)足了現場(chǎng)工藝要求。

    慶鐵線(xiàn)SCADA系統完成的主要功能有：

    調度中心： ① 8個(gè)輸油泵站的數據采集和下發(fā)對時(shí)令、操作控制令；②  進(jìn)行電耗、油耗和爐效等數據處理和計算，并可進(jìn)行統計對比；③  顯示上百幅工藝流程圖、變電所接線(xiàn)圖、參數趨勢圖等，形象反映實(shí)時(shí)流程和設備運行狀態(tài)；④  實(shí)時(shí)對有關(guān)事件進(jìn)行閃爍變色報警，提醒操作人員注意；⑤  進(jìn)行正常和事件報表打印。

    當地功能： ① 每個(gè)輸油泵站的數據采集和下發(fā)操作控制令；②  進(jìn)行電耗、油耗和爐效等數據處理和計算，并可進(jìn)行統計對比；③  顯示十幾幅工藝流程圖、變電所接線(xiàn)圖、參數趨勢圖等，形象反映實(shí)時(shí)流程和設備運行狀態(tài)；④  實(shí)時(shí)對有關(guān)事件進(jìn)行閃爍變色報警，提醒操作人員注意；⑤  進(jìn)行正常和事件報表打印。

        GR90 RTU： ① 實(shí)時(shí)采集現場(chǎng)有關(guān)參數，并分別傳送到調度中心和當地功能，便于操作人員監控決策參考；②  根據下發(fā)的指令，結合當前采集的參數值，自動(dòng)完成輸油泵機組的啟、停和自動(dòng)切換、各類(lèi)電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)、關(guān)、罐前泵的自動(dòng)啟、停、泵站閉鎖、自動(dòng)壓力保護、水擊超前保護、清管器自動(dòng)收發(fā)等控制操作。

        MICON S-32： 接收調度中心或當地功能發(fā)來(lái)的壓力設定值或調節閥開(kāi)度值自動(dòng)完成閥的開(kāi)關(guān)，達到新的平衡。也可在MICON S-32 操作面板上手動(dòng)更改壓力設定值或閥開(kāi)度值。

4  設備說(shuō)明

    作為連接現場(chǎng)與調度中心及當地功能的關(guān)鍵控制設備RTU，其硬件質(zhì)量及通訊能力的強弱是直接影響整個(gè)系統運行好壞的關(guān)鍵。

        GR90 RTU是采用當今技術(shù)水平設計并制造的新一代具有高可靠性及基于分布式體系結構的 RTU，其主處理器單元與附屬的外設板處理器之間共享I/O數據。它使用MC68030作為中央處理器，智能化的外設單元使用MC68HC-A1作為其處理器。主板的固件駐留在EPROM中，包括有實(shí)時(shí)操作系統p_SOS，設備驅動(dòng)程序、初始化及中斷服務(wù)程序、系統參數設置程序、數據庫接口程序及外設單元的固件等。應用固件包括應用參數配置及相關(guān)程序等，系統編譯完成生成下加載文件存放在NVRAM中。外設單元獨立地處理輸入和輸出功能，并向主處理單元發(fā)送“逢變即報”的數據。主CPU模塊和電源模塊構成RTU的核心。加上外設I/O模板構成一個(gè)基本的站控RTU系統。按用戶(hù)需求，可提供數字量輸入、脈沖累計輸入、事件順序記錄、模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸出模塊及其組合。

    在主板與外設模塊間的數據通道是一條250K波特，RS_485串行通信鏈路簡(jiǎn)稱(chēng)為D20鏈路。采用的是通用HDLC 高級數據鏈路控制協(xié)議，具有良好的抗瞬態(tài)電強干擾，更好的抑噪能力。D20鏈路上可以連接32個(gè)外設單元，如采用中繼器等設備可超過(guò)這個(gè)限制。每個(gè) GR90 RTU有7個(gè)可設置不同通訊協(xié)議的串行通訊端口，可同時(shí)連接7個(gè)不同的通訊設備。

    通訊協(xié)議是所有互連設備共用的語(yǔ)言結構和報文格式，協(xié)議是系統操作的關(guān)鍵，它決定如何建立或中斷主從設備之間的聯(lián)系以及如何使發(fā)送和接收裝置協(xié)調一致，井然有序的交換報文，檢驗錯誤。

        GR90 RTU 支持多種通訊協(xié)議。在慶鐵線(xiàn)自動(dòng)化工程控制系統應用軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，結合系統特性以及現場(chǎng)工藝需求，確定采用兩種協(xié)議與主站和當地功能、MICON S32設備通訊。它們分別是：SC1801協(xié)議及Modbus協(xié)議。

        Modbus協(xié)議是一種公開(kāi)使用的協(xié)議，它的某些特性是固定的，例如幀格式、幀順序、通訊錯誤和異常情況處理，以及所執行的功能都不能隨便改變。其它特性可選，如波特率、校驗類(lèi)型、停止位數、傳輸模式等。一般說(shuō)來(lái)，用RTU和ASCII模式傳送的報文意義是相同的，主要在于對報文執行的錯誤校驗類(lèi)型方面。SC 1801協(xié)議也是一種主從式通訊協(xié)議，間隔一定時(shí)間向下發(fā)送固定幀格式的信息。

5  結語(yǔ)

    慶鐵線(xiàn)SCADA系統南五站現已實(shí)現密閉輸油控制。運行實(shí)踐證明，此系統設計合理、運行可靠、圖形用戶(hù)界面豐富、操作簡(jiǎn)單實(shí)用、經(jīng)濟效益明顯。慶鐵線(xiàn)SCADA系統的建成，為復雜管線(xiàn)的自動(dòng)化控制探索出了一條新路。