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（第二屆“安控杯”SCADA/RTU技術與應用征文比賽二等獎作品）

陳  晗

1  管線系統概況

    大慶-鐵嶺輸油管道（以下簡稱慶鐵線）是70年代初建成投產的兩條并聯的輸油干線，直徑為720mm，長度分別為516km和524km，由于投產的先后不同，習慣上稱為老線和新線。它是一個較為復雜的水利系統。主要體現在以下幾個方面：兩條主干線，四條分支交匯管線；9座輸油站，每站分新老兩個系統，并在每站的進出站端通過閥門互相聯通，8座增壓站，7座線路閥室；慶鐵線是雙線并聯，每站的新老系統都有聯通，好像一個巨大的梯子縱貫南北。其中每一個“點”或“段”的局部變化勢必影響整個系統的變化。“局部”的調控與保護必然會對其他部分產生干擾。這樣一個復雜管網的調控，目前在國內外尚無先例。

    慶鐵線投產20多年來，每年輸油量都在四千萬噸以上，給國家創造了巨大的經濟效益，是全國第一的輸油大動脈。由于年久失修設備老化，1994年以來對慶鐵線的泵站進行了大規模的改造。為實現密閉輸油以達到高效、低耗、節能和提高現代化管理水平的目的，決定采用先進的數據采集與監控系統SCADA系統來設計實現全線密閉輸油工藝運行與控制。使全線系統達到較高的自動控制水平，確保管線安全平穩地運行。

2  系統結構和特點

    慶鐵線所采用的數據采集與監控系統（SCADA）是一套全新的系統，它綜合吸收了當今國際控制系統的最新技術和特點，有機地把繼電器保護、測量系統、計算機及RTU（Remote Terminal Unit）融于一體，并用RTU本身具有的可編程邏輯語言功能成功地解決了站內自動化控制的技術難題，如水擊超前保護、泵機組自動切換、自動轉發清管器等。使得輸油生產過程變得更為簡捷、方便、靈活、安全可靠。

    改造后的慶鐵線自動控制系統采用了集散控制體系，即調度中心的集中控制和各泵站的分散控制。站控端（泵站控制）共有三級控制方式：

        (1)  調度中心遙控  接收調度中心調度人員遠程控制管線系統運行工況和設備命令，自動完成有關控制操作。

        (2)  站控  各輸油站操作人員可以在控制臺上監視和控制本站的系統運行工況和輸油設備，自動或半自動完成有關控制操作。

        (3)  就地操作  根據就地安裝的顯示儀表，在現場操作按鈕，可以控制泵站的有關設備，并禁止調度中心遙控和站控功能。

        系統拓撲結構是點對點方式，調度中心對8個站控端站。各站控端間沒有通訊要求，由調度中心程序判斷進行調度指揮。點對點方式在采集數據量大、實時響應速度快、就地控制功能強的情況下，顯得實用、經濟、可靠。為了保證全線安全協調運行，調度中心采用雙機熱備冗余技術來提高系統整體的可靠性，一旦主機發生故障，在短短十幾秒內系統完全切換到備用機上運行。

        調度中心配置：基于網絡的雙機熱備系統，兩臺DEC Alpha系列工作站作為主機和備用機，5臺DEC奔騰系列微機作為操作工作站。采用基于DECOpenVMS/Hanzi操作系統的XCEL/DYNAC SCADA軟件。

        通信信道使用用戶提供的專用微波通信線路。通信速率為2 400波特率，主備雙信道。

        站控端配置：采用加拿大HARRIS公司提供的先進GR90 RTU及MICONS-32調節器作為泵站的主要控制設備。GR90 RTU提供的 PLC軟件作為主要控制程序編制語言。采用VAX 4000/60工作站作為當地功能主機，VMS5.X版的DYNAC作為站控端的監控軟件。GR90 RTU完成所有如電機運行狀態、進出站壓力及油溫等DI、AI類型數據的實時采集，并將其通過微波信道及相關通迅協議上傳到調度中心及當地功能進行數據處理，如顯示、計算、打印和報警等。同時也可接收來自調度中心及當地功能的操作指令，完成如開關電動閥門、起停電機及管線自動保護等操作。MICONS-32作為泵站重要被控設備調節閥的控制器，其設定值等參數由調度中心或當地功能給出，通過RTU送給MICONS-32，由它按照給定值，結合現場的工藝工況，自動進行壓力調節、水擊波控制和啟泵保護。整個系統根據不同的設備，通過不同的通訊協議完成所有數據的雙向傳送。

3  系統主要功能

    慶鐵線SCADA方案經過有關單位多次討論通過后，由項目組成員在短時間根據操作原則及相關文件，完成了慶鐵線自動控制邏輯框圖及程序流程圖的詳細設計工作，包括檢測參數的類型、數量、報表格式、屏幕顯示圖量、參數顏色定義、調節保護控制方案等。在此基礎上編制完成了大量的應用控制程序，經投產運行表明，整個慶鐵線SCADA系統設備運行安全可靠，系統及應用軟件合理、實用、可靠，完全滿足了現場工藝要求。

    慶鐵線SCADA系統完成的主要功能有：

    調度中心： ① 8個輸油泵站的數據采集和下發對時令、操作控制令；②  進行電耗、油耗和爐效等數據處理和計算，并可進行統計對比；③  顯示上百幅工藝流程圖、變電所接線圖、參數趨勢圖等，形象反映實時流程和設備運行狀態；④  實時對有關事件進行閃爍變色報警，提醒操作人員注意；⑤  進行正常和事件報表打印。

    當地功能： ① 每個輸油泵站的數據采集和下發操作控制令；②  進行電耗、油耗和爐效等數據處理和計算，并可進行統計對比；③  顯示十幾幅工藝流程圖、變電所接線圖、參數趨勢圖等，形象反映實時流程和設備運行狀態；④  實時對有關事件進行閃爍變色報警，提醒操作人員注意；⑤  進行正常和事件報表打印。

        GR90 RTU： ① 實時采集現場有關參數，并分別傳送到調度中心和當地功能，便于操作人員監控決策參考；②  根據下發的指令，結合當前采集的參數值，自動完成輸油泵機組的啟、停和自動切換、各類電動閥門的開、關、罐前泵的自動啟、停、泵站閉鎖、自動壓力保護、水擊超前保護、清管器自動收發等控制操作。

        MICON S-32： 接收調度中心或當地功能發來的壓力設定值或調節閥開度值自動完成閥的開關，達到新的平衡。也可在MICON S-32 操作面板上手動更改壓力設定值或閥開度值。

4  設備說明

    作為連接現場與調度中心及當地功能的關鍵控制設備RTU，其硬件質量及通訊能力的強弱是直接影響整個系統運行好壞的關鍵。

        GR90 RTU是采用當今技術水平設計并制造的新一代具有高可靠性及基于分布式體系結構的 RTU，其主處理器單元與附屬的外設板處理器之間共享I/O數據。它使用MC68030作為中央處理器，智能化的外設單元使用MC68HC-A1作為其處理器。主板的固件駐留在EPROM中，包括有實時操作系統p_SOS，設備驅動程序、初始化及中斷服務程序、系統參數設置程序、數據庫接口程序及外設單元的固件等。應用固件包括應用參數配置及相關程序等，系統編譯完成生成下加載文件存放在NVRAM中。外設單元獨立地處理輸入和輸出功能，并向主處理單元發送“逢變即報”的數據。主CPU模塊和電源模塊構成RTU的核心。加上外設I/O模板構成一個基本的站控RTU系統。按用戶需求，可提供數字量輸入、脈沖累計輸入、事件順序記錄、模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸出模塊及其組合。

    在主板與外設模塊間的數據通道是一條250K波特，RS_485串行通信鏈路簡稱為D20鏈路。采用的是通用HDLC 高級數據鏈路控制協議，具有良好的抗瞬態電強干擾，更好的抑噪能力。D20鏈路上可以連接32個外設單元，如采用中繼器等設備可超過這個限制。每個 GR90 RTU有7個可設置不同通訊協議的串行通訊端口，可同時連接7個不同的通訊設備。

    通訊協議是所有互連設備共用的語言結構和報文格式，協議是系統操作的關鍵，它決定如何建立或中斷主從設備之間的聯系以及如何使發送和接收裝置協調一致，井然有序的交換報文，檢驗錯誤。

        GR90 RTU 支持多種通訊協議。在慶鐵線自動化工程控制系統應用軟件的開發過程中，結合系統特性以及現場工藝需求，確定采用兩種協議與主站和當地功能、MICON S32設備通訊。它們分別是：SC1801協議及Modbus協議。

        Modbus協議是一種公開使用的協議，它的某些特性是固定的，例如幀格式、幀順序、通訊錯誤和異常情況處理，以及所執行的功能都不能隨便改變。其它特性可選，如波特率、校驗類型、停止位數、傳輸模式等。一般說來，用RTU和ASCII模式傳送的報文意義是相同的，主要在于對報文執行的錯誤校驗類型方面。SC 1801協議也是一種主從式通訊協議，間隔一定時間向下發送固定幀格式的信息。

5  結語

    慶鐵線SCADA系統南五站現已實現密閉輸油控制。運行實踐證明，此系統設計合理、運行可靠、圖形用戶界面豐富、操作簡單實用、經濟效益明顯。慶鐵線SCADA系統的建成，為復雜管線的自動化控制探索出了一條新路。