1、概述

    安徽天然氣公司蕪湖－銅陵支線(xiàn)SCADA系統工程包括兩個(gè)工藝站控系統（蕪湖首站、銅陵末站），1個(gè)分輸站繁昌分輸站和五個(gè)線(xiàn)路截斷閥室組成，管線(xiàn)總長(cháng)115公里。蕪湖首站具有天然氣過(guò)濾、計量和清管發(fā)送功能；銅陵末站具有天然氣過(guò)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(shí)現無(wú)人操作和有人值守水平，所有分輸和截斷閥室均為無(wú)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(guò)程中，由于考慮到工程建設和項目投資原因，系統沒(méi)有采用光纖等有線(xiàn)傳輸介質(zhì)，同時(shí)由于管線(xiàn)距離長(cháng)、所處地理條件差等原因，無(wú)法采用自建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等條件，給系統的通信鏈路選擇帶來(lái)一定的困難。由于分輸站控和截斷閥室均設置在野外，沒(méi)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(huán)境因素。

    為了滿(mǎn)足整個(gè)管線(xiàn)的高效管理，并且保證整個(gè)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(wú)人值守的遠程控制終端，接受來(lái)自SCADA中心的控制指令和上傳實(shí)時(shí)生產(chǎn)工藝參數的系統結構。由于現場(chǎng)條件的限制，無(wú)法提供高效的有線(xiàn)通信介質(zhì)，要實(shí)現上述SCADA系統結構存在較大的困難。

    我們在結合現場(chǎng)條件、綜合考慮系統的特點(diǎn)，我們決定選擇以目前流行的GPRS/CDMA為通信介質(zhì)，采用獨有的雙信息中心技術(shù)為SCADA中心，并實(shí)現首站、末站通過(guò)GPRS/CDMA鏈路形成互為備份的SCADA中心結構，采用先進(jìn)的SCADA控制調度技術(shù)，實(shí)現對整個(gè)管線(xiàn)的高效可靠控制，使整個(gè)管線(xiàn)達到較高的自動(dòng)化控制水平，并確保整個(gè)輸氣管線(xiàn)的高效穩定運行。

    2、系統選型

    考慮到整個(gè)系統中，有一個(gè)分輸站和五個(gè)截斷閥室需要在野外環(huán)境下工作，雖然安徽地區的環(huán)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(wú)人職守站，站場(chǎng)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(mǎn)足Ex dIIBT4要求），若系統采用防爆結構，外加室外極端高溫環(huán)境下，防爆機柜（整個(gè)控制系統采用具備ExdIIBT4要求的機柜）內的實(shí)際運行溫度可能高達60℃，為了保證整個(gè)系統的可靠運行，分輸站和截斷閥室PLC/RTU必須滿(mǎn)足寬溫運行的條件工作，以達到整個(gè)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(yáng)能電池作為系統的工作電源。

    常規PLC產(chǎn)品均是按0℃～55℃設計，超出設計工作環(huán)境很容易出現死機、無(wú)法正常啟動(dòng)的故障，因此在產(chǎn)品選擇上，我們選擇以具備寬溫工作環(huán)境的高性?xún)r(jià)比作為選型依據。對比國內外相應產(chǎn)品的特點(diǎn)和相應的性?xún)r(jià)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(gè)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(xiàn)現場(chǎng)的地理特點(diǎn)，并考慮到目前GSM網(wǎng)絡(luò )的覆蓋較好，我們決定選用目前技術(shù)較為成熟先進(jìn)的以GSM網(wǎng)絡(luò )為基礎的GPRS/CDMA數據通信技術(shù)，實(shí)現整個(gè)系統的數據通信。但由于要實(shí)現整個(gè)系統的雙SCADA中心結構，若采用普通的GPRS/CDMA（DTU）技術(shù)將很難實(shí)現，一般情況下，一個(gè)DTU(無(wú)人職守的分輸站和分輸閥室)只能響應一個(gè)數據中心的指令，并在正常工作過(guò)程中只能綁定一個(gè)數據中心的IP地址或域名，給我們實(shí)現雙中心的系統結構添加一道難題。

    我們通過(guò)分析DTU的工作原理和整個(gè)通信系統的實(shí)現，實(shí)際DTU對是否采用單個(gè)數據中心或多個(gè)數據中心，是通過(guò)軟件來(lái)控制的。DTU在工作過(guò)程中，會(huì )采用每隔一定的時(shí)間向數據中心發(fā)送一定的數據（心跳包），告知數據中心DTU是否在線(xiàn)，數據中心將DTU發(fā)送過(guò)了的數據作為在線(xiàn)標志告知需要與DTU進(jìn)行通信的數據終端，由數據終端再DTU在線(xiàn)的情況下向DTU發(fā)送數據通信命令，實(shí)現實(shí)時(shí)的數據通信。

    為了實(shí)現雙數據中心通信，實(shí)際只需要在軟件上做一下改動(dòng)即可實(shí)現，因此我們通過(guò)和DTU廠(chǎng)商的溝通，通過(guò)修改DTU工作運行內核軟件即實(shí)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(tài)公網(wǎng)IP的通信服務(wù)器作為數據終端、通過(guò)域名解析方式或采用通信服務(wù)商提供的APN服務(wù)，我們根據現場(chǎng)條件，并對3種工作方式進(jìn)行了對比，我們選用了由通信服務(wù)商提供的APN服務(wù)模式，該模式具備如下特點(diǎn)：

    所有站點(diǎn)DTU均采用通信服務(wù)商采用移動(dòng)(聯(lián)通)內部分配的固定IP；
    終端與服務(wù)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(jiǎn)化SCADA平臺的通信驅動(dòng)，勿需動(dòng)態(tài)域名解析等服務(wù)，可以實(shí)現帶寬有效利用。

    4、系統結構與特點(diǎn)

    整個(gè)工程首末站控系統及繁昌分輸站采用安控科技的Super32 RTU實(shí)現現場(chǎng)工藝參數的監控，所有閥室均采用安控科技低功耗RTU產(chǎn)品Super32一體化 RTU實(shí)現現場(chǎng)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(gè)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(gè)SCADA系統進(jìn)行全面監控，實(shí)現對系統控制設備進(jìn)行本地和遠程監控；當主SCADA中心控制平臺出現故障時(shí)，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(shí)現整個(gè)系統的控制功能。

    蕪湖首站（備份SCADA中心）主要功能：

    實(shí)現本地站控RTU數據采集和控制
    遠程分輸站、閥室和銅陵末站站控RTU的生產(chǎn)數據采集
    與主SCADA中心交換工作狀態(tài)信息
    銅陵末站（主SCADA中心）主要功能：
    實(shí)現本地站控RTU數據采集和控制
    遠程分輸站、閥室和蕪湖首站控RTU的生產(chǎn)數據采集
    與備份SCADA中心交換工作狀態(tài)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(shí)施遠程控制功能，當二者均在正常工作狀態(tài)下，系統不對對方的站控RTU進(jìn)行遠程控制，只有當其中一方工作狀態(tài)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(shí)現互為備份功能，從而提高系統的可靠性。通過(guò)本地雙機備份和主備SCADA中心的系統架構，從而使整個(gè)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(wǎng)絡(luò )通信的窄帶通信條件下，如何實(shí)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(shí)施控制，不產(chǎn)生控制邏輯沖突變得至關(guān)重要。

    通過(guò)對系統的結構進(jìn)行分析，并對整個(gè)系統的工作任務(wù)進(jìn)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(chǎn)品，在中心采用了H7920路由器作為中心網(wǎng)絡(luò )接入，并在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中采用了通信服務(wù)商提供的APN服務(wù)，全網(wǎng)通信采用內網(wǎng)IP方式，使整個(gè)系統的通信變得簡(jiǎn)單可靠。在首末站站控RTU采用通過(guò)以太網(wǎng)直接進(jìn)入本地SCADA平臺，其它RTU通過(guò)DTU進(jìn)入主/備SCADA中心。

    為了實(shí)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(guò)本地RTU來(lái)互換SCADA平臺工作狀態(tài)信息。在正常工作狀態(tài)下，主SCADA中心（末站）通過(guò)以太網(wǎng)采集和控制本地站控RTU、遠程RTU、采集首站RTU的實(shí)時(shí)數據，并把自己的“心跳”信息寫(xiě)入本地RTU；備SCADA中心通過(guò)以太網(wǎng)采集和控制本地站控RTU，其它RTU數據通過(guò)GPRS只進(jìn)行采集，不做控制，同時(shí)也把自己的“心跳”信息寫(xiě)入本地RTU。當主SCADA出現故障時(shí)，通過(guò)RTU傳遞的狀態(tài)信息為故障時(shí)（心跳不變化時(shí)），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(tài)工作示意圖如下：

                  

    注：雙向箭頭代表采集與控制，單向為數據采集

    6、結束語(yǔ)

    該SCADA系統已經(jīng)成功穩定運行多年，并作為安徽省天然氣公司支線(xiàn)工程的一個(gè)樣板，在后續的多個(gè)支線(xiàn)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(guò)特殊的結構構成一個(gè)可靠、安全的SCADA運行平臺，完全可以滿(mǎn)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(shí)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(wú)法實(shí)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。

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第十一期