王 文

（國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)公司北方管道有限責(zé)任公司長(zhǎng)沙輸油氣分公司，湖南長(zhǎng)沙 410006）

當(dāng)前，我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道基本采用先進(jìn)的SCADA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全線自動(dòng)化控制。本研究是圍繞管道自動(dòng)化系統(tǒng)選用性能及可靠性都很高的美國(guó)A-B公司的ControlLogix 系列PLC，實(shí)現(xiàn)了對(duì)站場(chǎng)設(shè)備的控制及保護(hù)，完成工藝要求。本文從系統(tǒng)構(gòu)成方面介紹了以AB PLC 為核心的SCADA 站控系統(tǒng)的組成。

1 油氣管道SCADA系統(tǒng)組成

長(zhǎng)輸管道SCADA 系統(tǒng)以4C（Computer，Control，Communication，CRT）技術(shù)為基礎(chǔ)，主要由調(diào)控中心的中控系統(tǒng)（DCC）、輸油氣場(chǎng)站的站控系統(tǒng)（SCS）、通信系統(tǒng)（COMM）三部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)的“四遙”功能。

2 站控系統(tǒng)SCS

站控系統(tǒng)由站控計(jì)算機(jī)、控制器（PLC 或RTU）及流量計(jì)算機(jī)等第三方智能設(shè)備組成。站控系統(tǒng)組成：硬件包括過(guò)程控制PLC 系統(tǒng)、安全儀表PLC 系統(tǒng)、操作員/工程師工作站、交換機(jī)、路由器、廣域網(wǎng)通信設(shè)備、單獨(dú)控制系統(tǒng)（壓縮機(jī)控制系統(tǒng)、爐控系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)）等。軟件包括操作系統(tǒng)、站控系統(tǒng)軟件、單獨(dú)控制系統(tǒng)后臺(tái)軟件。輸油氣站場(chǎng)內(nèi)的各種工藝設(shè)備、工藝參數(shù)的采集、監(jiān)視、控制、保護(hù)等全部由站控系統(tǒng)完成，可以說(shuō)站控系統(tǒng)是整個(gè)SCADA 系統(tǒng)邏輯控制的主要承載體，如圖1所示。

圖1 典型站場(chǎng)站控系統(tǒng)配置圖

站控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下主要功能：

1）采集站內(nèi)溫度、壓力、差壓、液位及閥位等信號(hào)。

2）經(jīng)通信接口與第三方的監(jiān)控系統(tǒng)或智能設(shè)備交換信息。

3）監(jiān)控各種工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

4）對(duì)電力設(shè)備、陰極保護(hù)、可燃?xì)怏w的監(jiān)視和報(bào)警。

5）壓力、流量的調(diào)節(jié)與控制。

6）邏輯控制與聯(lián)鎖保護(hù)。

7）緊急停車(chē)（ESD）。

8）為調(diào)度控制中心和后備控制中心提供有關(guān)數(shù)據(jù)。

9）接受并執(zhí)行調(diào)度控制中心下達(dá)的命令等。

3 站控系統(tǒng)的PLC

PLC 是Programmable Logic Controller的縮寫(xiě)，中文全稱為可編程邏輯控制器。它是一種專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，采用可編程序的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)以及算術(shù)運(yùn) 算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入和輸出部件控制各 種類(lèi)型的生產(chǎn)過(guò)程及生產(chǎn)設(shè)備。本文討論的是 AB（Allen Bradley）公司的ControlLogix 系列PLC，如圖2所示。

圖2 1AB PLC框架組成圖

4 基于PLC的站控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工的總體思路

4.1 工藝設(shè)計(jì)

（1）通過(guò)發(fā)布初步設(shè)計(jì)，確定總的工藝和設(shè)備控制原則和自動(dòng)化水平。

（2）SCADA 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書(shū)。

（3）工藝及儀表控 制流程圖（P&ID）。

（4）監(jiān)控I/O 點(diǎn)表。

（5）工藝及設(shè)備的操作原理，作為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)編程的原則和基礎(chǔ)。

（6）根據(jù)工藝操作原理編制的邏輯圖，作為編程的指導(dǎo)文件。

4.2 實(shí)驗(yàn)室編程與測(cè)試（含F(xiàn)AT和SAT）

（1）完成卡件排列表的編制、機(jī)柜集成圖的繪制。

（2）PLC 數(shù)據(jù)庫(kù)的分配及程序編制。

（3）上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)及畫(huà)面的繪制。

（4）成基礎(chǔ)測(cè)試內(nèi)容、I/O 通道100%測(cè)試、控制邏輯模擬測(cè)試、全線保護(hù)/操作邏輯測(cè)試。

（5）進(jìn)行PID 調(diào)試系統(tǒng)參數(shù)的整定，完成系統(tǒng)操作手冊(cè)的編制，配合工藝和設(shè)備的投產(chǎn)。

5 重要設(shè)計(jì)內(nèi)容

5.1 工藝管道及儀表流程圖（P&ID）

可以獲得與SCADA 系統(tǒng)相關(guān)的如下信息：

（1）主要的工藝顯示參數(shù)數(shù)量，如壓力、溫度、液位等。

（2）主要的受控設(shè)備數(shù)量，如電動(dòng)閥、調(diào)節(jié)閥、泵機(jī)組等。

（3）主要工藝參數(shù)及受控設(shè)備的信號(hào)走向。

（4）調(diào)節(jié)閥PID 調(diào)節(jié)參數(shù)。

（5）控制回路的聯(lián)鎖，如壓力保護(hù)停泵等。

5.2 工藝操作原理

可以獲得與站控系統(tǒng)相關(guān)的如下信息：

（1）管道系統(tǒng)總體控制目標(biāo)和水平。

（2）各站場(chǎng)與調(diào)度控制中心之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。

（3）SCADA 控制功能的劃分。

（4）各站場(chǎng)系統(tǒng)控制功能概述。

（5）管道系統(tǒng)的安全保護(hù)。

（6）各主要設(shè)備檢測(cè)參數(shù)和控制要求，如：輸油泵機(jī)組、遠(yuǎn)控閥門(mén)、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)等。

（7）各站場(chǎng)主要工藝保護(hù)參數(shù)、站保護(hù)聯(lián)鎖功能、主要工藝操作、受控設(shè)備聯(lián)鎖操作等。

（8）管線全線運(yùn)行操作，應(yīng)急工況的處理（水擊超前保護(hù)、水擊決策表等）。

6 系統(tǒng)集成與測(cè)試

6.1 卡件排列表根據(jù)監(jiān)控I/O點(diǎn)表

遵循以下原則進(jìn)行排列：

（1）根據(jù)每個(gè)機(jī)架的槽數(shù)進(jìn)行排列，如A4、A7、A17機(jī)架等；根據(jù)每個(gè)機(jī)架的槽數(shù)進(jìn)行排列如機(jī)架等。

（2）每種I/O 類(lèi)型的總點(diǎn)數(shù)應(yīng)留有20%～30%的余量。

（3）對(duì)I/O 總點(diǎn)數(shù)及擴(kuò)展機(jī)架數(shù)量的限制（AB規(guī)定為擴(kuò)展機(jī)架 3、對(duì)I/O 總點(diǎn)數(shù)及擴(kuò)展機(jī)架數(shù)量的限制（AB 規(guī)定為擴(kuò)展機(jī)架不超過(guò)64個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)機(jī)架所有DI 或DO 算一個(gè)節(jié)點(diǎn)，AI、AO 等各站一個(gè)節(jié)點(diǎn)、MSG 指令也占一個(gè)節(jié)點(diǎn)）。

（4）以太網(wǎng)通訊模塊應(yīng)與處理器模塊共同排列在同一機(jī)架上。

（5）同一設(shè)備的反饋點(diǎn)或命令點(diǎn)應(yīng)連續(xù)。

6.2 機(jī)柜集成

主要針對(duì)PLC 機(jī)柜柜內(nèi)的接線進(jìn)行布置，包括以下一些資料：

（1）機(jī)柜布置圖，該圖紙包括對(duì)機(jī)柜正面以及背面的機(jī)架、空開(kāi)、端子、防浪涌、繼電器等設(shè)備進(jìn)行布線的方式。

（1）模板接線原理圖，該圖一般需查詢PLC 產(chǎn)品的說(shuō)明書(shū)。

（2）端子接線圖，該圖紙為每一個(gè)I/O 點(diǎn)的機(jī)柜內(nèi)接線方式。

（3）回路供電端子接線圖，該圖主要針對(duì)I/O 回路供電進(jìn)行規(guī)劃和分布。

6.3 PLC數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

一份完整的PLC 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)該包括數(shù)據(jù)點(diǎn)的歸類(lèi)、編程位號(hào)、所在電纜號(hào)、功能描述、信號(hào)類(lèi)型、I/O 類(lèi)型、量程、單位、報(bào)警值設(shè)定、所在的I/O 通道情況、與上位機(jī)通信的地址位和其他信息的備注。

6.4 工廠測(cè)試驗(yàn)收（FAT）

主要工作內(nèi)容有：

（1）硬件/軟件設(shè)備檢查。

（2）上位機(jī)基本功能測(cè)試（系統(tǒng)啟停、用戶權(quán)限、歷史數(shù)據(jù)處理、時(shí)鐘同步、冗余切換等）。

（3）人機(jī)界面驗(yàn)收（畫(huà)面完整性及功能測(cè)試）。

（4）PLC 機(jī)柜內(nèi)設(shè)備檢查及冗余切換測(cè)試。

（5）程序結(jié)構(gòu)檢查。

（6）I/O 通道100%連通性測(cè)試（包括DI、DO、AI、AO、RTD 等 為FAT 主要工作內(nèi)容）。

（7）對(duì)模塊化編程后的程序模塊進(jìn)行模擬測(cè)試。

（8）對(duì)水擊超前保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行模擬聯(lián)調(diào)。

（9）對(duì)全線控制邏輯（如全線啟/停輸?shù)龋┻M(jìn)行模擬聯(lián)調(diào)。

（10）完成FAT 記錄報(bào)告并由相關(guān)方面進(jìn)行簽字確認(rèn)（設(shè)計(jì)、建設(shè)及施工三方簽字）。

6.5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)收（SAT）

主要工作內(nèi)容有：

（1）PLC 機(jī)柜及柜內(nèi)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收。

（2）PLC 程序結(jié)構(gòu)驗(yàn)收。

（3）數(shù)字量輸入回路測(cè)試（液位/流量/壓力開(kāi)關(guān)、可燃?xì)怏w報(bào)警等）。

（4）數(shù)字量輸出回路測(cè)試（聲光報(bào)警等）。

（5）模擬量輸入回路測(cè)試（壓力、溫度、液位、流量、泵保護(hù)參數(shù)等，同時(shí)需與PLC 核對(duì)量程）。

（6）單體受控設(shè)備測(cè)試（風(fēng)機(jī)、污油泵、電動(dòng)閥、調(diào)節(jié)閥、泵機(jī)組等受控設(shè)備）。

（7）站控邏輯測(cè)試（包括泵切換、泵順序啟停、收發(fā)球、壓力保護(hù)停泵等）。

（8）PID 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定（在正式投產(chǎn)后進(jìn)行整定）。

（9）全線控制邏輯測(cè)試（全線啟停輸?shù)龋?/p>

（10）全線水擊超前保護(hù)測(cè)試（事故甩泵、泵全停、干線閥門(mén)誤關(guān)等）。

（10）全線ESD 保護(hù)測(cè)試（進(jìn)站ESD、進(jìn)站壓力超高等）。

（12）完成SAT 記錄報(bào)告并由相關(guān)方面進(jìn)行簽字確認(rèn)（設(shè)計(jì)、監(jiān)理、建設(shè)、施工及運(yùn)行五方簽字）。

7 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)輸油氣管道SCADA 的站控系統(tǒng)由以AB PLC控制器為核心，實(shí)現(xiàn)了輸油氣站場(chǎng)內(nèi)的各種工藝設(shè)備、工藝參數(shù)的采集、監(jiān)視、控制，可以說(shuō)以PLC 為核心的站控系統(tǒng)是整個(gè)SCADA 系統(tǒng)邏輯控制的主要承載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制。