馬保合，陳 陽，劉 帥，孫宇明，廖貴枝

(1.中國石化中原油田分公司天然氣產(chǎn)銷廠，河南濮陽 457001 2.中國石化山東省天然氣管道有限責任公司，山東濟南 250101)

1 SCADA控制系統(tǒng)簡介

隨著科技發(fā)展，天然氣管道輸送和生產(chǎn)運行自動化程度越來越高，要保障長輸管道及輸氣站安全平穩(wěn)輸送，就需要穩(wěn)定性極高的自動化控制系統(tǒng)。

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以對管道運行全過程進行動態(tài)監(jiān)視、控制，對線路及設(shè)備狀態(tài)進行診斷并采取相應的保護措施。輸氣場的SCADA控制系統(tǒng)由上位機、PLC、通訊服務器、串口服務器、ESD系統(tǒng)及通信系統(tǒng)組成(如圖1所示),主要實現(xiàn)輸氣站內(nèi)工藝數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制，向調(diào)度中心傳送實時數(shù)據(jù)，接受調(diào)度中心下達的工作數(shù)據(jù)等任務[1]。PLC通過與現(xiàn)場設(shè)備或儀表相結(jié)合，感知設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)，將這些狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過特定數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到上位機系統(tǒng)中;通訊服務器通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議和電纜信號提供設(shè)備儀表與上位機的連接，并提供調(diào)控中心遠程訪問本地信息。第三方串口設(shè)備采用RS485或RS232接口進行數(shù)據(jù)傳輸。上位機系統(tǒng)包括調(diào)控中心工作站和輸氣站工作站，在接受PLC傳輸?shù)臄?shù)字信號后，以聲音、圖形、圖象等方式顯示給用戶，以達到監(jiān)視的目的，同時接受操作人員的指示，將控制信號發(fā)送到PLC中，達到控制現(xiàn)場設(shè)備儀表的目的。ESD緊急停車系統(tǒng)對生產(chǎn)中的超壓、火災、泄漏事件進行檢測并處理，可以自動連鎖觸發(fā)全站停輸，也可手動觸發(fā)使全站停輸及放空，確保人員安全、防止事故擴大。

2 SCADA控制系統(tǒng)在實際生產(chǎn)運行的現(xiàn)狀

以投產(chǎn)3年的的某輸氣站為例，其上位機采用德國西技萊克的ViewStar站控軟件,PLC為美國AB公司生產(chǎn)。整個系統(tǒng)的運行，是通過上位機ViewStar軟件與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時讀寫。該輸氣場站SCADA控制系統(tǒng)在生產(chǎn)運行中主要存在上位機與現(xiàn)場儀表和第三方設(shè)備通訊狀態(tài)故障、數(shù)據(jù)不一致、數(shù)據(jù)刷新慢、ESD誤觸發(fā)問題。針對各種故障問題，必須采取有效的處理措施，及時排除故障，保證系統(tǒng)的可靠運行。

3 SCADA控制系統(tǒng)運行故障分類及故障分析

3.1 上位機、現(xiàn)場儀表與第三方設(shè)備通訊中斷和閃斷

通訊的中斷和閃斷是實際生產(chǎn)中發(fā)生頻率最高的，原因也較復雜，具體分析見表1。

以上分析是在多次排查解決的過程中總結(jié)而來，由表1看出，此類問題大部分是設(shè)備儀表硬件故障和傳輸線纜問題造成的。

圖1 輸氣站SCADA控制系統(tǒng)組成

表1 上位機與現(xiàn)場儀表和第三方數(shù)據(jù)通訊中斷和閃斷故障分析

序號故障分類故障分析1現(xiàn)場設(shè)備儀表無顯示、亂碼①現(xiàn)場設(shè)備儀表無顯示,分析為設(shè)備儀表本體故障、儀表進水導致短路燒毀24V線端子保險②現(xiàn)場設(shè)備儀表顯示亂碼,分析為信號電纜存在破皮漏電導致供電電壓不足或是儀表模塊故障2第三方設(shè)備的通訊信號中斷①設(shè)備本體和通訊模塊發(fā)生故障損壞,會造成傳輸信號中斷②通訊接線不牢固松脫,會造成通訊信號中斷③通訊線纜一般都敷設(shè)在防靜電地板下,如果有鼠患,也可能將通訊線纜破壞而導致信號中斷④設(shè)備無電停機或者是供電空開跳閘,導致設(shè)備無電,則通訊模塊沒有數(shù)據(jù)輸出⑤進串口服務器前的浪涌保護器燒毀或分配器燒毀⑥多個設(shè)備數(shù)據(jù)同時不刷新,多是冗余串口服務器的其中一臺故障停機3第三方設(shè)備通訊閃斷包括火氣系統(tǒng)通訊信號、固定式可燃氣體報警儀通訊信號、恒電位儀通訊信號和者旋進旋渦流量計的信號通訊閃斷。此類問題通常是雷擊或大電流造成第三方設(shè)備的通訊模塊故障、線路虛接、RCI(通訊服務器)配置問題造成

3.2 上位機的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)不符

輸氣站現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)自動錄取到全生命周期管理系統(tǒng)[2]，個別關(guān)鍵點參數(shù)參與ESD連鎖關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)準確性至關(guān)重要。數(shù)據(jù)不符的問題及分析見表2，在投產(chǎn)初期出現(xiàn)較多，在后期生產(chǎn)運行中出現(xiàn)少，主要是個別設(shè)備儀表出現(xiàn)，而且存在突發(fā)性。

從表2分析來看，閥門及設(shè)備故障主要是在投產(chǎn)初期出現(xiàn)多，現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳不全面，而且波動較大，數(shù)據(jù)不符的問題不容易被發(fā)現(xiàn)，只有在不同工況下多次對比才能查清楚。計量儀表校驗出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致，主要是校驗后導致儀表恢復到了原量程，或者是儀表本體輸出故障，由于AI模塊通道故障導致的情況幾率低。

表2 上位機的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)不符故障分析

3.3 上位機下達命令后設(shè)備無動作

輸氣站遠程控制閥分兩類：全開全關(guān)閥門是下發(fā)DO信號(數(shù)字量輸出)，通過控制繼電器吸合下達指令，帶開度調(diào)節(jié)閥是下發(fā)AO信號(模擬量輸出)，通過4～20 mA電流信號控制現(xiàn)場電動頭工作。主要故障為上位機發(fā)出開關(guān)閥指令時，現(xiàn)場閥門無反應。此類問題主要是現(xiàn)場設(shè)備和控制電子元件故障導致?，F(xiàn)場閥門存在卡阻，限位不正確，閥門有偏差報警未處理時都會造成無動作。電子元件繼電器故障，不能吸合，DO、AO模塊故障，不能正常輸出指令時，閥門也無反應。

3.4 上位機的第三方設(shè)備數(shù)據(jù)刷新較慢

第三方設(shè)備的232/485數(shù)據(jù)信號通過分配器到串口服務器轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)協(xié)議，通過通訊服務器上傳到上位機，中間的任何一臺設(shè)備出故障均會造成數(shù)據(jù)刷新慢，重點放在硬件檢查上。分析原因有4個方面：①上位機與RCI的時間不同步，RCI長時間不間斷工作，硬件老化，工作性能下降；RCI內(nèi)部配置不高；②第三方設(shè)備(比如流量計算機、恒電位儀、UPS)后期不斷地增加，數(shù)據(jù)采集量增大，工作負擔加重；③網(wǎng)絡(luò)中有網(wǎng)線虛接或斷開的地方，這些使得RCI不能及時采集各種第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)，即發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，從而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性；④流量計算機斷電后，導致相鄰的流量計算機上傳到上位機的速度變慢。分析為相鄰兩臺流量計算機的上傳信號共用1個485分配器，如果停用其中一臺，就會造成電流分流，電流降低，導致另一臺數(shù)據(jù)傳輸變慢。

3.5 ESD緊急切斷系統(tǒng)誤觸發(fā)故障

輸氣站的一級ESD觸發(fā)后可以自動關(guān)斷進出站閥門，自動打開放空閥進行全站放空泄壓[3]。現(xiàn)輸氣站的ESD控制閥門的電磁閥均為24 V供電，均為失電動作，在實際運行中主要由于供ESD控制閥門的24 V直流電失電造成ESD觸發(fā)，全站停輸并放空，造成供氣中斷和經(jīng)濟損失。從往年觸發(fā)記錄觀察，失電主要原因為上級供電漏電保護器跳閘，ESD控制線纜斷路也可ESD誤觸發(fā)。

4 SCADA控制系統(tǒng)故障排查及處理措施

4.1 “上位機與現(xiàn)場儀表和第三方數(shù)據(jù)通訊中斷和閃斷”排查及處理措施

現(xiàn)場儀表無顯示或亂碼時，首先會在上位機上產(chǎn)生報警和描述，根據(jù)報警信息核對相應的儀表[4]，打開現(xiàn)場儀表后蓋測量電壓和輸出電流，確認無電壓或電流不正常，無電壓則依次順線路檢查容易損壞的保險端子，保險損壞時更換即可。電流不正常則更換儀表即可，更換儀表后依舊亂碼則是線路存在漏電故障，找出故障點或者更換線纜。

對于第三方設(shè)備通訊中斷的故障，要先查看是否為設(shè)備停機或斷電造成的通訊中斷，查找設(shè)備本身停機原因，以重新恢復通訊。排除設(shè)備問題后，檢查是否為設(shè)備通訊模塊故障，需要在PLC機柜的進柜接線端子處，用調(diào)試筆記本接到來自第三設(shè)備的信號線，通過在電腦上運行modsacan軟件來檢測是否能夠接收到第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)。如果接收不到，則需查看來自第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)線路是否有斷路或設(shè)備本身存在故障。如果可以收到，則按照信號走向：第三方設(shè)備通訊線纜→普通端子→浪涌保護器端→信號分配器→主備串口服務器，逐步查看設(shè)備是否燒毀或不工作，對故障設(shè)備進行維修或更換即可。當多個設(shè)備同時通訊中斷時，可先排查冗余串口服務器是否有一臺故障。

第三方設(shè)備通訊閃斷故障突然出現(xiàn)時，應首先檢查第三方設(shè)備的通訊模塊，參考通訊中斷的檢測方法，如果通訊模塊傳輸信號有丟失，就更換設(shè)備通訊模塊。有的設(shè)備維修更換內(nèi)部配件后出現(xiàn)通訊閃斷，則可以升級設(shè)備通訊模塊來解決。如果通訊模塊正常，按照線路走向查找有無虛接的問題，確認第三方設(shè)備信號傳輸正常，線路也沒有問題，則可以通過更改通訊服務器的配置，增加通訊閃斷的判斷時間來解決。

4.2 “上位機的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)不符”排查及處理措施

現(xiàn)場閥門狀態(tài)與儀表不符合：以某輸氣站的電動球閥“開到位”為例，電動球閥現(xiàn)場確認已經(jīng)“開到位”，但是站控顯示一直在“中間態(tài)”或者是“關(guān)到位”。首先查看PLC機柜對應的DI通道燈是否亮起，來判斷“開到位”信號是否傳輸?shù)絇LC和DI模塊對應的通道。如果PLC對應的通道燈未亮起，則證明數(shù)據(jù)沒有反饋到，就需要檢查現(xiàn)場到PLC之間的線路問題。

第三方設(shè)備數(shù)據(jù)與上位機不符合：此類問題多是系統(tǒng)組態(tài)時沒有和廠家溝通好造成的，比如在某站的上位機顯示的UPS的剩余電池容量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場的UPS顯示的剩余電池容量不符合，大了10倍，為1 440 Ah。經(jīng)modsacan掃數(shù)確認數(shù)據(jù)采集與上位機顯示的數(shù)據(jù)一致， UPS傳輸?shù)臄?shù)值為正常值，數(shù)據(jù)精確到個位，經(jīng)和廠家溝通，上位機打開編輯界面找到這個點的詳細信息，把值縮小10倍數(shù)據(jù)，比之前的精確到了小數(shù)點后一位。

溫變與壓變的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場不一致：儀表檢定后數(shù)據(jù)不一致，可通過查看PLC邏輯程序，量程設(shè)置是否與儀表一致，如不一致，只要更改PLC程序內(nèi)儀表量程或者用手操器將現(xiàn)場儀表的量程進行更改，將兩者量程統(tǒng)一即可。如果使用中站控數(shù)據(jù)與現(xiàn)場突然不一致，用萬用表測試現(xiàn)場儀表的電流是否正常，如果不正常則是儀表故障，如果電流正常，則接著向上排查，進入PLC，檢查AI(模擬量輸入)模塊對應的通道是否正常，如不正常，更換通道。

4.3 “上位機下達命令后設(shè)備無動作”排查及處理措施

以最常見的遠程開關(guān)閥為例，當閥門產(chǎn)生偏差報警(當閥門卡死或閥門機械限位偏差大導致無法開關(guān)到位，就無法按正常的邏輯來消除開關(guān)閥的命令，為了保護閥門和執(zhí)行機構(gòu)，就會產(chǎn)生偏差報警來取消開關(guān)閥命令。并且在沒有解決偏差報警時，無法對閥門發(fā)出任何命令)，命令下達后設(shè)備不會動作，設(shè)備在上位機人為發(fā)出維護命令時也無法動作。檢查現(xiàn)場閥門正常，無偏差報警時應采取以下步驟：第一步排查閥門本身是否在“遠控”狀態(tài)下，如不是，應調(diào)至“遠控”；第二步查看PLC機柜的對應通道，找到本身對應的模塊和通道，下發(fā)命令后看對應的通道燈是否亮起，看對應的繼電器是否能夠吸合；第三步，如上述都正常，發(fā)出開閥命令后，再去現(xiàn)場用萬用表測量對應端子是否有電壓，排查開閥命令信號線路并檢查接線端子上的保險是否完好[5]。

4.4 “上位機的數(shù)據(jù)刷新較慢”排查及處理措施

上位機通過RCI與很多第三方設(shè)備進行通訊，包括PLC、UPS、低壓配電盤、流量計算機、火災系統(tǒng)、可燃氣體報警儀和燃氣發(fā)電機等。當上位機的數(shù)據(jù)刷新較慢時，可按照以下方法進行處理：在站控機上用校時軟件將其時鐘與RCI同步，在站控機操作的系統(tǒng)配圖界面，找到相應的圖標，通過“輪詢”選項讓站控數(shù)據(jù)進行一次刷新，原先不變的數(shù)據(jù)都會發(fā)生變化。上述方法不能解決時，可以對兩臺RCI進行切換，將原先為備用的切換到主用，并可重復上述步驟，看看數(shù)據(jù)顯示是否恢復正常。如果仍然恢復不了，可將站控機工程停掉，然后再重啟工程?；蛘邔⒄究貦C工程停掉，把兩臺RCI分別重啟，之后再重啟工程，也可以將站控電腦重啟，觀察數(shù)據(jù)顯示是否恢復正常[6]。經(jīng)過以上工作一般都可以恢復站控機數(shù)據(jù)的更新，如果上述工作都不起作用，則需查看網(wǎng)絡(luò)連接有沒有虛接的或斷線的，交換機是否工作正常等。確認網(wǎng)絡(luò)連接無問題后，可對RCI進行更換或硬件升級，提高其工作性能。

4.5 “ESD緊急切斷系統(tǒng)誤動作”排查及處理措施

供ESD控制閥的電磁閥24 V直流電的是上級漏電保護開關(guān)，為了避免漏電保護器跳閘，需將同級用電設(shè)備進行分類，將PLC機柜的照明、風扇接至生活用電，將輔操臺插座分類使用，打印機、充電器都接至生活用電插座，將輔操臺及其同級用電設(shè)備全部可靠接地。

圖2 常閉觸點診斷回路等效電路

對于ESD控制線纜因斷路而觸發(fā)ESD動作的問題，在AB系統(tǒng)下將ESD控制線纜增加電阻回路診斷功能[7]，即使線纜斷路或短路，也不會誤觸發(fā)ESD。就是將ESD按鈕的開關(guān)觸點并聯(lián)一個10 kΩ的電阻后再串聯(lián)一個1 kΩ的電阻，即(INC)常閉按鈕(如圖2所示)，正常狀態(tài)下觸點閉合，回路電阻為1 kΩ，斷開此觸點后回路電阻為11 kΩ。通過電阻的大小變化來報警，自動判斷出斷路的故障，防止ESD誤觸發(fā)故障。

5 結(jié)論

通過對當前輸氣場站SCADA控制系統(tǒng)的功能進行介紹，對實際運行中存在的故障進行分類并分析，針對故障的處理進行了全面的論述。當SCADA控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，應根據(jù)故障產(chǎn)生的部位和相應的報警信息，從故障點開始逐步檢查分析。通過以上論述的故障分析及處理方法，能快速查找故障原因并給予解決和優(yōu)化，使設(shè)備運行更加穩(wěn)定，降低事故的發(fā)生概率，保障輸氣場站的平穩(wěn)供氣。