項目概況

    西南成品油管線(xiàn)始于廣東茂名，終至云南昆明，途徑廣東，廣西，貴州,云南四省區，全長(cháng)2000公里。全線(xiàn)設 21 個(gè)站場(chǎng)，8個(gè)遠控切斷閥和2 個(gè)調度控制中心。它是一條長(cháng)距離、多品種、多分輸點(diǎn)、單管密閉順序輸送成品油的輸油管道,所有泵站和管路構成一個(gè)統一的水力系統。管道輸送介質(zhì)包括0#柴油、97#汽油、93#汽油三種油品，管道運行管理及控制要求采用先進(jìn)可靠的SCADA系統，對全線(xiàn)各個(gè)站場(chǎng)、關(guān)鍵設備進(jìn)行遠距離數據采集、傳輸和記錄、處理，對管道進(jìn)行監控、統一調度和控制，并具有報警、聯(lián)鎖保護、緊急關(guān)斷等安全保護功能。

    成品油管道的站場(chǎng)分為首站、中間分輸泵站、中間泵站、中間分輸站、末站、集輸站等。其中，調度控制中心及SCADA系統是輸油管道的神經(jīng)中樞，通常由全線(xiàn)中心控制、站場(chǎng)控制和就地控制三級組成。

    目前，整條管線(xiàn)通過(guò)EPKS（中心控制SCADA和站控Process系統兩部分）系統集中監控、統一調度，實(shí)現中心控制、站控和就地控制相結合的控制方式。站控和就地控制相結合的控制方案是通過(guò)設置于站場(chǎng)EPKS (Process功能部分)系統實(shí)現了基礎設備的數據采集和控制，并且通過(guò)分布式系統結構 (Distributed System Architecture) ，數據共享給調度控制中心，從而實(shí)現了全局數據庫信息的調用，不需重復組態(tài)，簡(jiǎn)單方便。同時(shí)，相鄰的站場(chǎng)也具備了數據的互訪(fǎng)功能。強大的開(kāi)放性功能組件選擇DNP3協(xié)議實(shí)現了站控系統服務(wù)器和8個(gè)遠控切斷閥室-RTU的數據采集和監督控制，從而完成整條管線(xiàn)的數據采集和控制。

    本文將 EPKS和成品油管線(xiàn)監視和控制過(guò)程工藝相結合，具體闡述了管線(xiàn)操作應用功能的實(shí)現方法，包括設備基本操作、初始投油、停輸再啟、全線(xiàn)停輸、水擊保護和批次計劃等設計過(guò)程，同時(shí)也重點(diǎn)講解了設計中所選用的重要參數管理。
分布式網(wǎng)絡(luò )系統結構的選取

             

                    圖表 1分布式系統網(wǎng)絡(luò )結構（DSA）

    分布式系統網(wǎng)絡(luò )結構(Distributed System Architecture) ，簡(jiǎn)稱(chēng)為DSA，實(shí)現了全局數據庫信息的調用，分別位于各個(gè)服務(wù)器的SQL數據庫通過(guò)一定的授權形成了全局共享結構，通過(guò)嚴格的數據訪(fǎng)問(wèn)權限和用戶(hù)驗證模式的設置，保證了系統的高度安全性。其中在SQL服務(wù)器的數據多發(fā)布、多分發(fā)和訂閱，采用多種數據的復制模型，達到了數據優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化的高效數據庫。

    以上提到了有關(guān)系統數據庫和網(wǎng)絡(luò )結構的特點(diǎn)，確保DSA網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化中SQL數據庫數據的高效傳輸，特別需要注意如下事項：
采用多播的方式。多播的傳輸方式將同一數據包分別發(fā)送給不同進(jìn)行請求的服務(wù)器，能夠大大降低網(wǎng)絡(luò )中的數據流，并通過(guò)指定的地址（225.7.4.103）和端口（2911）進(jìn)行有效傳輸。EPKS系統使用多播方式提供服務(wù)器的狀態(tài)和連接狀態(tài)的偵聽(tīng)?！?】因此DSA在廣域網(wǎng)中必須在相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )通訊設備中進(jìn)行配置。一般路由器等網(wǎng)絡(luò )設備此端口是關(guān)閉的，必須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )傳輸的端口開(kāi)通和配置。但是， 針對本網(wǎng)絡(luò )中調度中心服務(wù)器請求各站場(chǎng)的服務(wù)器數據的星形網(wǎng)絡(luò )的需求，必須關(guān)閉多播。

    本管線(xiàn)整個(gè)廣域網(wǎng)絡(luò )采用光纖傳輸，每個(gè)站場(chǎng)內部構成一個(gè)獨立的局域網(wǎng)，采用百兆網(wǎng)絡(luò )，由相關(guān)的控制器、操作站、服務(wù)器、其他第三方通訊設備、交換機和路由器組成。網(wǎng)絡(luò )結構層冗余容錯以太網(wǎng)FTE（Fault Tolerance Ethernet）的劃分和組態(tài)，以及實(shí)現了路由器和交換機的冗余切換機制。其中僅在服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中設置網(wǎng)關(guān)，使調度中心網(wǎng)絡(luò )僅對站場(chǎng)服務(wù)器層進(jìn)行數據交換，與控制層相隔離，達到更高的安全性。

    其中DSA相關(guān)的配置注意事項如下：

    由于DSA網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)眾多，數據量大，調度中心數據調用時(shí)采用放在服務(wù)器內置緩存中進(jìn)行數據的傳輸，所以在規劃時(shí)數據變量不能采用相同的名字，21個(gè)站場(chǎng)變量名字前分別按站場(chǎng)添加相應的數字1至21進(jìn)行區別，保證各個(gè)站控制點(diǎn)名的唯一性。
分布式網(wǎng)絡(luò )（DSA）采用系統專(zhuān)用管理級賬戶(hù)（mngr），要求在所有系統專(zhuān)用管理級帳戶(hù)時(shí)采用相同的密碼，便于統一安全認證管理。

    每個(gè)站控有一對冗余服務(wù)器和冗余控制器，位于調度控制中心的為一對冗余服務(wù)器。管線(xiàn)站控服務(wù)器為21個(gè)數據發(fā)布者，向中控和相鄰站場(chǎng)數據庫提供控制和操作數據。其中8個(gè)遠程閥室的數據通過(guò)DNP3協(xié)議直接遞交給相鄰的一個(gè)站場(chǎng)，然后傳遞給調度控制中心服務(wù)器。站間服務(wù)器也進(jìn)行數據通訊，也通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò )結構實(shí)現，并且可以任意選取站間信息、事件和報警信息的顯示。

    設計及實(shí)現重點(diǎn)和難點(diǎn)
    報警事件信息的區域管理和設計
    報警管理對于如此龐大的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )而言，需要采用統一的分級分區管理模式，調度控制中心的調度員只負責對工藝報警進(jìn)行管理，站場(chǎng)操作員兼有操作和巡檢的功能，因此需要對系統報警進(jìn)行確認，以便及時(shí)發(fā)現問(wèn)題上報處理。對于每個(gè)站場(chǎng)進(jìn)行分區域處理，如控制器、卡件等分配在系統區，其他工藝邏輯組態(tài)分配在操作區。然后在操作方式上無(wú)論選擇操作員模式還是操作站模式都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的設置實(shí)現，Experion PKS 系統在報警組態(tài)上實(shí)現了控制層和操作層的統一結合。其中這樣的區域管理也便于操作級別上的管理和設置。設計中如下表：

           

                        圖表 2報警區域劃分設計表

    域控管理和電子簽名體制

    本項目中設計服務(wù)器、操作站約有50個(gè)節點(diǎn)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )設計中采用主備域控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )管理的方式，對域內訪(fǎng)問(wèn)的用戶(hù)進(jìn)行限制和管理。其優(yōu)點(diǎn)如下：

    對于各個(gè)級別如管理員、工程師、監管員、操作員，如果采用域帳戶(hù)時(shí)，進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)登陸必須經(jīng)過(guò)域控制器的校驗，提高了各個(gè)級別安全性。

    對于系統中預制的用戶(hù)只需要進(jìn)行一個(gè)權限的修改變可訪(fǎng)問(wèn)設定的共享文件夾。如HMI Abstract/Data Mapping/Report/
對于Control Builder 等組態(tài)軟件用域控用戶(hù)進(jìn)行管理，有效的進(jìn)行記錄，便于工作的整理和變更記錄輸出，并具備嚴格的電子簽名記錄。

    對于與其它第三方應用軟件進(jìn)行通訊的設置中，如OPC，有利于對DCOM 等端口的進(jìn)行用戶(hù)安全設置和管理。

                  

                        圖表 3權限等級劃分表

    權限劃分及實(shí)現

    控制設備操作等級分為就地、站場(chǎng)、中控三個(gè)級別，就地和站場(chǎng)的切換是由現場(chǎng)執行機構的現場(chǎng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換的，因此需要考慮到軟的操作級別切換即站場(chǎng)和中控的操作切換權限的設計。正常情況下，由中控對全線(xiàn)管線(xiàn)進(jìn)行操作控制，以下情況下站場(chǎng)可以進(jìn)行搶奪操作：

    中控和站控的失去通訊
    站控處于維護階段或是其它緊急狀況

    實(shí)現方法：

    在HMI設計中進(jìn)行權限限制，如泵、閥門(mén)等設備的操作面板。在Control Builder控制器算法組態(tài)中設置切換和搶奪兩個(gè)變量，經(jīng)過(guò)運算后在每一類(lèi)設備的操作面板中判斷權限后然后再進(jìn)行相應的操作命令。

    而主備調控中心主要組態(tài)中設置切換變量，進(jìn)行提示。操作員以操作員模式的不同身份進(jìn)行登陸確認進(jìn)行操作和控制。

               

                         圖表 4權限判斷邏輯標志圖

    過(guò)程數據（Process ）組態(tài)的單體啟動(dòng)、組啟動(dòng)、站啟動(dòng)的邏輯設計

    對于每個(gè)站場(chǎng)，都是一個(gè)過(guò)程數據控制系統。設計規劃中充分利用各基本模塊的功能，操作命令的基本調用，特別是在全線(xiàn)邏輯中的循環(huán)調用。要充分發(fā)揮控制器設計的簡(jiǎn)單和穩定性高的特點(diǎn)，將大部分程序設計在此中實(shí)現完成。如分別設置單體啟動(dòng)的邏輯標志，在組啟動(dòng)中調用所選用的單體邏輯，在站啟動(dòng)中調用組啟動(dòng)中的組邏輯，從而簡(jiǎn)化了邏輯實(shí)現的過(guò)程。

               

                         圖表 5程序調用邏輯順序圖

    各個(gè)站場(chǎng)數據的相互訪(fǎng)問(wèn)邏輯判斷和操作

    對于全線(xiàn)啟輸邏輯控制、全線(xiàn)停輸操作、水擊保護邏輯等程序需要綜合各個(gè)站場(chǎng)的過(guò)程數據，進(jìn)行邏輯運算后發(fā)出相應的指令到相應的站場(chǎng)執行，因此必須在調度控制中心EPKS SCADA系統的服務(wù)器上進(jìn)行數據綜合運算，其提供兩種運算方式，分別是Server Scripts 和Points Scripts兩種，分別由自動(dòng)或者手動(dòng)腳本引擎（Scripts Engine）進(jìn)行管理，在以上兩類(lèi)腳本的使用過(guò)程中，我們在設計時(shí)需要注意以下兩點(diǎn)：

    Server Scripts為周期性?huà)呙杼幚矸绞?，對引擎中的腳本的數量有嚴格限制；
    Points Scripts為事件觸發(fā)式處理方式，對引擎中的腳本的數量沒(méi)有太多的限制，能夠有效的優(yōu)化程序的運行，降低系統負荷。

    根據管線(xiàn)的以上操作和控制屬于觸發(fā)式方式，因此選擇Points Scripts進(jìn)行各個(gè)站場(chǎng)數據的相互訪(fǎng)問(wèn)邏輯判斷和操作才是合理的。在整個(gè)管線(xiàn)的啟停操作和水擊邏輯聯(lián)鎖保護中，涉及到各個(gè)數據庫數據的邏輯判斷和控制操作，其中具體的控制邏輯執行過(guò)程由遠程站場(chǎng)的控制器（C200）實(shí)現。這里僅闡述各個(gè)數據的相互調用，采用EPKS中的專(zhuān)用軟件包Quick Builder 實(shí)現，關(guān)于所有數據的監測采用變化然后判斷的機制。實(shí)現過(guò)程簡(jiǎn)述如下：

    首先在Quick Builder中建立中間變量，根據原始數據運算判斷結果賦予中間變量，中間變量發(fā)生變化后，使用Server VB Script中的腳本引擎，對中間變量的變化進(jìn)行判斷，然后執行各個(gè)站場(chǎng)相應的命令控制操作。所有這些以嵌入數據庫的VB Script為依據。

    使用Quick Builder軟件包的專(zhuān)用算法如PV 傳遞和邏輯運算簡(jiǎn)化判斷邏輯。
    此部分實(shí)現了管線(xiàn)操作中的全線(xiàn)啟停和水擊保護部分的邏輯，一下對邏輯中關(guān)鍵的標志參數進(jìn)行說(shuō)明：

    3.5.1全線(xiàn)啟輸操作說(shuō)明：
    首站只需執行本站啟動(dòng)命令即可，以下對中間站全線(xiàn)啟輸操作說(shuō)明：
    需要同時(shí)具備以下四個(gè)條件同時(shí)為真：
    收到全線(xiàn)啟動(dòng)輸油命令
    上站起動(dòng)成功標志
    本站壓力上升到一個(gè)門(mén)檻值
    本站確認需要啟動(dòng)

    3.5.2全線(xiàn)停輸操作說(shuō)明：
    需要同時(shí)具備以下兩個(gè)條件同時(shí)為真：

    本站收到停輸命令
    上游站停輸完成
    或：
    下游站已停輸
    下游站非正常停輸條件標志滿(mǎn)足

    3.5.3水擊保護邏輯說(shuō)明：
    SCADA系統在水擊發(fā)生時(shí)能夠有效的對管道進(jìn)行操作，阻斷壓力的傳播。主要包括各段管道水擊條件的判斷，并執行非正常停輸操作。需要同時(shí)具備以下各個(gè)條件為真，且延時(shí)固定時(shí)間后仍為真，則需要進(jìn)行緊急停輸，水擊發(fā)生時(shí)，對各個(gè)條件形成日志和事件報警，將異常停輸標志和停輸的水擊條件同時(shí)作為停相關(guān)站場(chǎng)的停輸條件。

    本站進(jìn)站泄壓閥開(kāi)始泄壓三分鐘后壓力仍然達到水擊保護值。
    本站出站泄壓閥開(kāi)始泄壓三分鐘后壓力仍然達到水擊保護值
    中間截斷閥室突然關(guān)閉（壓力、流量、閥位反饋等多個(gè)標志量同時(shí)滿(mǎn)足）

    油品置換、均勻分輸和庫區計量的信息交互和操作

    在當前的工業(yè)控制系統應用中，控制系統的廠(chǎng)家經(jīng)常要與各個(gè)廠(chǎng)家油品計量的專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行操作信息的交互和操作，因此在這個(gè)過(guò)程中的工藝過(guò)程接口的安全和原理操作設計尤為重要，但是這個(gè)過(guò)程接口往往稱(chēng)為不同的專(zhuān)業(yè)負責，關(guān)于此部分設計不夠詳細，劃分不夠清晰，造成設計和實(shí)現的盲點(diǎn)。例如，成品油管道中油品計量是非常重要的一部分，在均勻分輸過(guò)程中，某種油品計量達一定的數量后，由流量計算機付出指令給控制系統，對相應的油品切換閥門(mén)進(jìn)行操作。其中批次計劃的信息可以由批次計劃表給出，有序安排油品輸送和油品下載計劃。因此在設計和實(shí)現時(shí)要注意以下事項：

    對于信息交互的方式，設計中一般操作控制的數據點(diǎn)采用硬接線(xiàn)的方式，保證信號的可靠性。對于部分如質(zhì)量、流量、密度等信息采用串行通訊的方式進(jìn)行數據傳輸和交換。

    目前通用的為MODBUS RTU協(xié)議，由于多廠(chǎng)家的校驗方式、啟停止位、數據起始地址的差異，包括各個(gè)廠(chǎng)家產(chǎn)品的相互干擾，有時(shí)現場(chǎng)二次表傳輸時(shí)將雷擊引入室內，因此在設計時(shí)最好將各個(gè)設備儀表進(jìn)行隔離，并考慮到抗干擾措施和防雷措施，避免后續工作各個(gè)設備的相互影響和損壞。

    HMI與控制的有效結合，簡(jiǎn)化組態(tài)

    管線(xiàn)中的HMI畫(huà)面一般都要求根據設備開(kāi)啟的狀態(tài)和設備流動(dòng)情況變化實(shí)現管線(xiàn)流程的狀態(tài)顏色變化，便于操作員的監視過(guò)程，具體實(shí)現時(shí)一方面要考慮盡可能減小對畫(huà)面調用速度的影響，同時(shí)簡(jiǎn)化實(shí)現管線(xiàn)變色判斷的方式，一般有方法如下：
使用VB Script在General 頁(yè)面中定義Function 實(shí)現，有限制，大量使用會(huì )降低靜態(tài)畫(huà)面的更新速率。因此在選用時(shí)要考慮系統畫(huà)面的更新時(shí)間，合理使用控制層的運算過(guò)程點(diǎn)。

    使用Breakpoints對管線(xiàn)進(jìn)行條件判斷，進(jìn)行變色條件的判斷和處理。

    其它管道應用部分功能開(kāi)放性端口：OPC協(xié)議

    作為OPC服務(wù)器，同時(shí)為管線(xiàn)的其它應用功能如仿真、批次跟蹤、泄漏檢測等功能提供數據。但是考慮到優(yōu)化系統服務(wù)器在工業(yè)控制中的高效性能，因此對于OPC客戶(hù)端的訪(fǎng)問(wèn)數量必須要有嚴格的優(yōu)化。OPC數據傳輸對單點(diǎn)信息傳輸包的數據包括了控制點(diǎn)的所有參數，因此對刷新頻率和組中項的個(gè)數進(jìn)行嚴格的限制，才能保證系統的高效運算和處理能力。

    結束語(yǔ)

    EPKS 系統 Process部分在石油化工等行業(yè)發(fā)揮著(zhù)廣泛的作用，通過(guò)以上簡(jiǎn)述和項目的實(shí)現過(guò)程，我們認識到EPKS系統SCADA結合Process部分以它獨特的技術(shù)方案應用在長(cháng)距離成品油管道，它集成使用了傳統工控系統各個(gè)方面的功能，有效了實(shí)現了成品油管道的運行和管理，在管道生產(chǎn)和實(shí)踐運行中也逐漸證明了它應用的良好效果，希望能夠給以后的設計提供有效的參考，進(jìn)一步挖掘它的應用特點(diǎn)，更好的為生產(chǎn)服務(wù)。