长输天然气管线系统优化设计

长输天然气管线系统优化设计

毕仁军

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新疆

摘要：SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，通过调度中心的计算机调节和控制整个管道的输配运行。通过油气输送站场的站控系统、阀室的远程终端系统以及通信系统的配合，实现了长距离管道输气的自动化。调度中心能够通过中控计算机的调节和控制，及时、实时地进行调峰、切断、管存，保证长距离输送管道各个系统的输送量达到需求计划，满足各个区域用户的需要，并保障管网输配安全。

关键词：长输天然气；管线系统；优化设计

引言

天然气长输管线系统由首站、分输站、中间压气站、清管站、末站等站控系统和阀室组成。天然气长输管线SCADA系统利用计算机技术、通信网络技术以及自动化控制技术完成对天然气管道全线各站的监视、控制、调度、管理，实现对整个天然气管网流量、压力和温度的监测以及启停泵控制、阀门调节等逻辑控制功能，从而形成可靠的计算机网络分布式控制系统。

1数据监控平台子系统

1.1功能架构该子系统的中心平台

以KingHistorian为基础搭建核心数据库系统，同时实现与其他系统（包括：地理信息系统、物联网表平台、数据中台等）进行数据交互，提供良好的数据开放性[2]。平台分为五层架构，分别为现场层、业务层、数据层、应用支撑层和应用层。数据层完成业务层及现场层的数据整合，形成数据中心，统一对外提供数据访问接口，为应用层提供数据支持；应用支撑层为应用层功能开发提供软件平台和技术保障，应用层为基于业务需求开发的各种功能模块。

1.2技术架构

1）通讯网络子系统通过有线和无线的方式将场站系统相关生产数据传送到调度中心，同时场站的RTU、PLC等控制器硬件设备接收调度中心下发的调度控制指令，进行燃气输配数据的现场采集、控制和调节[1]。

2）IO服务器及软件（KingIOServer）配置冗余，当一台服务宕机时，系统自动切换到冗余机，从而保证系统正常运行，数据连续，不影响正常生产调度。

3）通过IO软件将门站、调压站、储配站等生产数据进行采集，接入到组态服务器（KingSCADA）和工业库（KingHistorian），分别对数据进行处理、存储和分析展示。系统配置断点续传，当网络或服务器出现故障时，采集程序自动生成缓存文件进行存储，待故障解决之后，将缓存文件数据进行上传，以确保数据完整性[3]。

2　系统结构

2.1　调度中心

调度中心SCADA一方面通过采集、处理、存储数据，为全线天然气系统提供统一的监控、管理和调度平台，实现对全线各基本过程控制系统PLC、安全仪表系统SIS、阀室RTU的集成；另一方面将实时数据、系统配置及控制指令传送至场站各操作员工作站。调度中心设备主要包括SCADA软件、实时/历史服务器、OPC服务器、WEB服务器、操作员站、工程师站以及网络核心交换机。基于天然气长输管线SCADA系统数据传输距离远、数据量大、通信实时性要求高及企业对数据传输安全性的要求，系统网络架构采用双网段、双网络设备冗余设计，保证网络通信的可靠安全。主信道采用光纤通信方式，备用信道采用采用VPN私网传输方式，主备信道可自动切换。

2.2　站控系统

站控系统是SCADA系统的远程监控站点和数据源，主要由基本过程控制系统（BPCS）、安全仪表控制系统（SIS）、操作员站、通信设备等构成。随着天然气管线下游用户的不断增加，用气量逐年上升，站控工艺日趋完善，对站控系统设备的稳定性及网络可靠性要求逐渐提高。在和利时站控系统架构设计中，基本过程控制系统采用LK系列大型PLC，安全仪表系统采用LKS系列安全型PLC，和利时全系列PLC可实现背板、CPU、电源、总线、网络等冗余，保证现场设备可靠稳定运行。

2.3　阀室

RTURTU安装在天然气管线截断阀室，通过以太网接口与网络交换机相连，将数据传送到相邻站控系统，通过站控系统将数据上传到调度中心，并接收调度中心或站控系统下发的指令。RTU对控制器的通信能力要求较高，且工作在野外及山区环境，需要满足宽温及多潮湿多盐雾的恶劣环境要求。必须充分考虑现场控制器的通信健壮性、可靠性、易维护性。和利时LK系列RTU集成双以太网接口和双串口。双以太网接口与站控系统及调度中心通过冗余网络进行通信；双串口既可以连接就地控制触摸屏又可以连接现场其他仪器仪表。LK系列RTU产品采用工业级元器件进行研发设计，工作温度达-40~+70℃，可工作在酷暑、严寒等应用现场，并且出厂时所有板卡涂敷三防漆，达到防潮湿、防盐雾、防霉菌的效果。

3网络安全设计

1）网络安全主要风险当前SCADA系统网络安全主要风险表现在：①缺乏行之有效的工控系统网络策略及管理程序，缺乏物理安全防护、访问控制策略；②TCP/IP和OPC广泛使用，对工控网络安全性、可靠性带来挑战；③通用工程师站、操作员站采用Windows平台，未安装补丁系统；④通用工程师站、操作员站、服务器等，有病毒入侵、扩散；⑤网络内部各层次和系统间相互干扰，攻击事件无法追踪；⑥站控系统制造商、网络安全产品制造商、用户合作意识不够等诸多方面。

2）项目网络安全设计为保证SCADA系统网络安全，确定了“横向分区，纵向分层”的设计原则。即纵向采用三层网络结构，从上到下依次为管理网（MNET）、系统网（SNET）、控制网（CNET），横向将整个SCADA系统网络按不同地域的长输管线划分为若干个独立域及1个管理域，通过域的合理划分，使得各装置间相互隔离，确保每条长输管线独立开停车，又可通过管理域实现对整个SCADA系统集中管理的要求。现场站控系统采用光纤总线智能IO系统。该系统将传统安装在机柜内的IO模块经过标准化、模块化、低功耗、高度集成、防尘防水及防爆的设计，不仅实现了IO模块、供电电源、网络通讯以及信号通道的冗余配置，还适配燃气站场复杂的工况环境，改造成一种智能IO模块。

根据现场实际情况，智能IO模块可以灵活地或分散、或集中地布置在燃气场站爆炸II区内的任一位置。站控系统控制器与电源、网络等模块仍旧布置在机柜内。控制器与现场智能IO模块之间的连接采用高可靠性、高速的无源光纤网络设计，通过无源光缆和分光器连接并传输信号，光纤网络同样冗余配置，最终实现了整套站控系统的集成。

光纤具有传输距离远，不被电信号干扰，本质安全，通讯数据带宽大，通讯实时性好等特点，保证了系统通讯的可靠性。智能IO模块支持一个信号通道接入不同类型仪表信号，使用组态软件即可定义通道信号类型，通道的通用性使接线变得简单，降低了现场接线操作风险。因此，智能IO模块的应用将传统站控系统定制化工程转换成了大量的标准化工程。

其无需集线柜或交叉布线，使电缆用量更少，校接线工作量更少，系统潜在的故障点更少，大幅度提高了项目实施的速度和效率，极大简化工程项目组态设计过程并缩短项目工期。光纤总线智能IO系统使用现场总线光信号代替模拟电信号，光纤代替铜电缆传输，解决了现场电磁干扰、共模干扰等不良影响。在节约大量电缆料工费的同时，还减少了机柜配置，节约机柜间面积。

调度中心是油气长输管线SCADA系统的中枢，它将对管道进行连续的监控和管理。以保证其可靠性、稳定性、安全性。本方案所设计的SCADA系统将确保数据采集、储存的完整性、及时性、准确性、安全性和可靠性。

SCADA系统功能如下：实时数据和历史数据的采集、归档、管理以及趋势图显示；工艺流程图动态显示；下达调度和操作命令；报警显示和管理；事件记录查询和打印；生成并打印生产统计报表；双屏显示功能；安全保护、紧急切断；输油过程优化；网络监视及管理；通信通道监视及管理；通信通道故障时主备信道的自动切换；远程WEB访问；北斗时钟同步功能；与上级计算机系统通信等。

结束语

采用HolliSCADA软件配套LK系列控制器硬件搭建天然气长输管线SCADA系统，实现了调度中心对现场站控系统、阀室RTU等现场设备的监视控制，保证现场关键设备的稳定运行。HolliSCADA支持实测100万点的控制规模，全面覆盖长输管线大容量数据实际应用需求。LK系列控制器硬件支持融合的全以太网方案，实现了监控网络、远程传输网络以及I/O与控制器之间三个层级全以太网控制架构，提高了现场设备的可靠性与可用性，充分满足现场应用需求。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.油气田及管道工程仪表控制系统设计规范:GB/T50823-2013[S].北京:中国计划出版社,2013.

[2]汪方方,王洪原,方洪祥,等.大型实时历史数据库在长输管线SCADA中的应用[J].中国仪器仪表,2019(12):40-44.