SCADA系统在天然气输气管线中的应用

摘要：本文将以SCADA系统在安徽省天然气芜湖-铜陵支线工程的实际应用为案例，阐述了该系统的系统架构、通信设计、SCADA控制中心及控制逻辑处理解决方案等内容。通过该系统的应用，满足了企业在条件有限的情况下，实现对安全生产与管理的需要。

关键字：SCADA RTU GPRS 双信息中心 主/备控制中心

1、概述
安徽天然气公司芜湖－铜陵支线SCADA系统工程包括两个工艺站控系统（芜湖首站、铜陵末站），1个分输站繁昌分输站和五个线路截断阀室组成，管线总长115公里。芜湖首站具有天然气过滤、计量和清管发送功能；铜陵末站具有天然气过滤、计量、调压和清管接收功能。芜湖首站、铜陵末站设置的站控系统的管理可实现无人操作和有人值守水平，所有分输和截断阀室均为无人值守方式管理。
芜湖首站、铜陵末站建设在城市边缘，具备市电220VAC供电，而繁昌分输站和所有截断阀室均设在远离城市的地区，不具备提供市电供电能力。工程设计过程中，由于考虑到工程建设和项目投资原因，系统没有采用光纤等有线传输介质，同时由于管线距离长、所处地理条件差等原因，无法采用自建无线网络等条件，给系统的通信链路选择带来一定的困难。由于分输站控和截断阀室均设置在野外，没有相应的保暖和降温措施，在控制设备的选型上必须考虑相应的环境因素。
为了满足整个管线的高效管理，并且保证整个系统的可靠运行，工程设计上采用了以芜湖首站和铜陵末站为SCADA中心（即双中心结构），分输站和截断阀室作为无人值守的远程控制终端，接受来自SCADA中心的控制指令和上传实时生产工艺参数的系统结构。由于现场条件的限制，无法提供高效的有线通信介质，要实现上述SCADA系统结构存在较大的困难。
我们在结合现场条件、综合考虑系统的特点，我们决定选择以目前流行的GPRS/CDMA为通信介质，采用独有的双信息中心技术为SCADA中心，并实现首站、末站通过GPRS/CDMA链路形成互为备份的SCADA中心结构，采用先进的SCADA控制调度技术，实现对整个管线的高效可靠控制，使整个管线达到较高的自动化控制水平，并确保整个输气管线的高效稳定运行。

2、系统选型
考虑到整个系统中，有一个分输站和五个截断阀室需要在野外环境下工作，虽然安徽地区的环境条件较好，但也存在极端低温度在-10℃，极端高温在40℃左右的情况，且由于阀室和分输站为无人职守站，站场设计为封闭区域，区域内安装设备必须采用防爆能力（必须满足Ex dIIBT4要求），若系统采用防爆结构，外加室外极端高温环境下，防爆机柜（整个控制系统采用具备ExdIIBT4要求的机柜）内的实际运行温度可能高达60℃，为了保证整个系统的可靠运行，分输站和截断阀室PLC/RTU必须满足宽温运行的条件工作，以达到整个系统的稳定运行；由于分输站和截断阀室不具备市电供电条件，我们选用太阳能电池作为系统的工作电源。
常规PLC产品均是按0℃～55℃设计，超出设计工作环境很容易出现死机、无法正常启动的故障，因此在产品选择上，我们选择以具备宽温工作环境的高性价比作为选型依据。对比国内外相应产品的特点和相应的性价比，我们的站控系统和截断阀室选用了北京安控科技股份有限公司的RTU（Super32-L系列RTU）作为整个SCADA系统的控制系统，并配套RTU自有SCADA工作平台ESpider作为SCADA中心平台。

3、通信系统设计
基于芜湖－铜陵输气管线现场的地理特点，并考虑到目前GSM网络的覆盖较好，我们决定选用目前技术较为成熟先进的以GSM网络为基础的GPRS/CDMA数据通信技术，实现整个系统的数据通信。但由于要实现整个系统的双SCADA中心结构，若采用普通的GPRS/CDMA（DTU）技术将很难实现，一般情况下，一个DTU(无人职守的分输站和分输阀室)只能响应一个数据中心的指令，并在正常工作过程中只能绑定一个数据中心的IP地址或域名，给我们实现双中心的系统结构添加一道难题。
我们通过分析DTU的工作原理和整个通信系统的实现，实际DTU对是否采用单个数据中心或多个数据中心，是通过软件来控制的。DTU在工作过程中，会采用每隔一定的时间向数据中心发送一定的数据（心跳包），告知数据中心DTU是否在线，数据中心将DTU发送过了的数据作为在线标志告知需要与DTU进行通信的数据终端，由数据终端再DTU在线的情况下向DTU发送数据通信命令，实现实时的数据通信。
为了实现双数据中心通信，实际只需要在软件上做一下改动即可实现，因此我们通过和DTU厂商的沟通，通过修改DTU工作运行内核软件即实现了该功能。
由于DTU可以工作在多种工作模式，即SCADA中心采用具备静态公网IP的通信服务器作为数据终端、通过域名解析方式或采用通信服务商提供的APN服务，我们根据现场条件，并对3种工作方式进行了对比，我们选用了由通信服务商提供的APN服务模式，该模式具备如下特点：
 所有站点DTU均采用通信服务商采用移动(联通)内部分配的固定IP；
 终端与服务器平台之间采用端到端加密，可以避免信息传输中出现的泄密；
 内部设备采用端到端通信(IP到IP)，可以简化SCADA平台的通信驱动，勿需动态域名解析等服务，可以实现带宽有效利用。
4、系统结构与特点
整个工程首末站控系统及繁昌分输站采用安控科技的Super32 RTU实现现场工艺参数的监控，所有阀室均采用安控科技低功耗RTU产品Super32一体化 RTU实现现场工艺的监控。芜湖首站、铜陵末站设操作站1套、工程师/操作员站1套，系统结构图如下：

为了提高整个系统的可靠性，我们在芜湖首站和铜陵末站各设一套SCADA中心监控设备，其中铜陵末站作为主SCADA中心，在正常工作情况下对整个SCADA系统进行全面监控，实现对系统控制设备进行本地和远程监控；当主SCADA中心控制平台出现故障时，芜湖首站SCADA中心作为铜陵末站的备份控制中心，全面接管主SCADA中心的工作，实现整个系统的控制功能。
芜湖首站（备份SCADA中心）主要功能：
 1、实现本地站控RTU数据采集和控制
 2、远程分输站、阀室和铜陵末站站控RTU的生产数据采集
 3、与主SCADA中心交换工作状态信息
铜陵末站（主SCADA中心）主要功能：
 1、实现本地站控RTU数据采集和控制
 2、远程分输站、阀室和芜湖首站控RTU的生产数据采集
 3、与备份SCADA中心交换工作状态信息
在功能上，芜湖备份SCADA中心和铜陵主SCADA中心均具备对系统所有控制系统RTU实施远程控制功能，当二者均在正常工作状态下，系统不对对方的站控RTU进行远程控制，只有当其中一方工作状态处于“故障”情况下才启用远程控制功能。
SCADA中心设有操作员站和工程师站各一套，其中工程师站既可以作为工程师站和操作员站，并在操作员站条件下可以与另一台操作员站实现互为备份功能，从而提高系统的可靠性。通过本地双机备份和主备SCADA中心的系统架构，从而使整个系统的可靠性和可用性在当前条件下达到最高。

5、系统控制功能解决方案
作为基于GSM网络通信的窄带通信条件下，如何实现双中心互为备份存在一定的难度。如何解决双中心对远程RTU实施控制，不产生控制逻辑冲突变得至关重要。
通过对系统的结构进行分析，并对整个系统的工作任务进行划分，首先在阀室和分输站采用支持双数据中心的宏电H7710 DTU产品，在中心采用了H7920路由器作为中心网络接入，并在整个网络中采用了通信服务商提供的APN服务，全网通信采用内网IP方式，使整个系统的通信变得简单可靠。在首末站站控RTU采用通过以太网直接进入本地SCADA平台，其它RTU通过DTU进入主/备SCADA中心。
为了实现主/备控制中心的控制功能得以有效执行，我们在首末站RTU上增加一台DTU响应对方的SCADA中心的数据采集指令。首末站SCADA中心通过本地RTU来互换SCADA平台工作状态信息。在正常工作状态下，主SCADA中心（末站）通过以太网采集和控制本地站控RTU、远程RTU、采集首站RTU的实时数据，并把自己的“心跳”信息写入本地RTU；备SCADA中心通过以太网采集和控制本地站控RTU，其它RTU数据通过GPRS只进行采集，不做控制，同时也把自己的“心跳”信息写入本地RTU。当主SCADA出现故障时，通过RTU传递的状态信息为故障时（心跳不变化时），备SCADA中心接管主SCADA中心的全部功能，直到主SCADA中心恢复工作为止，备份SCADA中心对远程RTU的控制权交回到主SCADA中心，正常状态工作示意图如下

6、结束语
该SCADA系统已经成功稳定运行多年，并作为安徽省天然气公司支线工程的一个样板，在后续的多个支线工程中得到推广，效果良好。该系统以RTU为基础，以GPRS通信为支撑，通过特殊的结构构成一个可靠、安全的SCADA运行平台，完全可以满足地理位置较为偏僻，不具备高通信条件下的工程应用。
但该系统也存在一定的缺陷，如主/备SCADA中心虽然实现了数据采集和控制的冗余备份，但由于通信链路带宽限制，无法实现主/备SCADA系统的数据同步，容易造成故障平台出现故障至故障恢复之间的历史数据丢失。