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STRENGTHEN ENTERPRISES WITH SCIENCE AND TECHNOLOGY
把握大勢 · 以科技強企業摘要：文章介紹了松南氣田工程SCDA系統的設計原則、組成和配置，闌述了調控中心、站場和井口控制系統的構造及主要功能，分析了SCADA系統的特點.
關鍵詞：松南氣田；SCADA系統；RTU系統；DCS系統；數據庫
0前言
松南氣田位于吉林省松原市的南部，地處邊遠、環境條件惡劣。氣田項目包括氣田井場、集氣站、集氣處理廠、外輸管道及站場、管理基地工程五部分，為中石化東北地區最主要的油氣產能區塊，擔負著為東北重工業城市長春生活生產用氣的重要任務。考慮當地的自然條件，為減少工人的勞動強度，實現對整個氣田科學調度管理和確保安全生產，需要建設一個現代化運營管理模式的SCADA系統，保證氣田供氣的穩定和可靠性。
1控制系統概述
松南氣田工程控制系統采用SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition System）系統，即數據采集系統。SCADA系統可以實時實現采集站場（井場）數據，為整個松南氣田的管理、調度提供必要的綜合數據庫平臺。又可以對站場（井場）工藝流程進行本地或遠程的自控控制、進行全面和實時監控。
2控制系統的設計原則
松南氣田工程的控制系統的控制水平可以實現在調控中心完成對整個松南氣田工藝流程的監控、調度、管理的任務，并滿足生產運行需要。該系統的主要設計原則如下：
1）系統的硬件和軟件設計考慮具有高度的可靠性和可用性。
2）系統的容量按100%可擴展性考慮，以滿足將來工程擴建的需要。
3）系統的硬件在性能上考慮模塊化設計，支持熱插拔。
4）站控系統、井口遠程控制終端（RTU）與調控中心之間的數據傳輸采用支持“逢變則報”的IEC60870-5-104通信協議。
5）SCADA系統、DCS系統和站控系統的重要設備考慮冗余熱備設置。
3控制系統的組成和功能
松南氣田工程稴CADA系統以4C （computer，control，com munication，CRT）
術為基礎，由調度中心、站控系統、現場測控設備及數據通信網絡組成。調度中心是整個氣田的管理、指揮樞紐，站控系統包括：1套集氣處理站DCS系統、4套集氣站及外輸站控系統、I4套井場RTU系統，是SCADA系統的控制核心，負責現場測控的集中檢測和控制生產。
根據現場控制及操作要求，松南氣田工程SCADA系統采用中心控制級、站場控制級和就地控制級的三級控制模式。一級為中心控制：對全松南氣田進行遠程監控，實現統一調度管理：二級為站場控制：在井口、集氣站、外輸站場、集氣處理廠站通過站場（井場）控制系統對站內工藝流程進行數據采集、監控和聯鎖，站場控制級權限由調控中心設置確認：三級為就地控制：對工藝單體或設備進行手/自動就地控制。
3.1 SCADA系統調控中心
松南氣田調控中心通過采集的現場數據及設備運行狀況，動態分析氣田的生產狀況、為調節控制提供參數數據。在調控中心服務器上及各操作員站上，可以組態系統流程圖畫面，包括各種要求的溫度、壓力、流量等參數，閥門開度控制、機泵的工作狀態、參數報警，并實現數據存儲及故障診斷。
因此松南氣田SCADA系統采用技術比較成熟的HoneyWell的Experion PKS（ProcessKnowledge System）過程知識系統，Experion PKS系統擁有強大的SCADA數據采集功能，它將實時數據庫和SCADA數據庫整合在同I對互為冗余的數據服務器上，實現數據的統一性。此外，每一臺操作站都可以組態和操作實時數據及SCADA數據。生活管理調度中心和集氣管理站調控中心在一個網絡平臺上，通過DSA技術能夠方便的對調控中心進行全局訪問。
3.1.1系統強大的通信接口功能
SCADA通信接口設計既是Experion PKS系統設計的必要組成部分，同時也是體現了控制系統對于第三方設備采集多年的專業經驗。
Experion PKS采用最新的MODBUS系統集成技術，通過終端服務器方式與采用Modbus RTU串口設備的第三方設備進行通訊和數據采集。這些終端服務器在RS-232/485和Ethernet之間起到協議轉換的橋梁作用。
采用最新的AB Ethernet/IP系統集成技術，通過以太網交換機與采用Ethernet，/IP協議的AB PLC進行通訊和數據采集，組態快捷方便，數據通訊安全穩定。
3.1.2強大的自診斷技術
PKS系統能夠對硬件，軟件，網絡和其它系統故障都做出報警，包括服務器的故障，操作員站的故障，控制器的故障，通訊故障，SCADA采集設備的故障等。一旦檢測到故障，就會立刻產生報警，通知操作員。
操作員可以在操作員站上集中實時監控系統的自診斷畫面，可以對系統內外設備進行全面狀態的檢查。
3.2井場RTU系統
松南氣田井場設有RTU系統，安裝在室外。RTU系統網絡連接采用無線數傳電臺，通信接口為RS-232。采用一點對多點的輪詢通信方式與控制中心通信。
RTU硬件采用MOSCAD--M遠程終端單元，此模塊化的RTU采用該行業都認可的通用協議，其通訊端口可以擴展或升級為多個同時運行的通訊端口。其通信功能可以滿足基于本地和廣域網的安全通訊。RTU不但滿足井場工藝參數的監控及緊急關斷功能，還適應安裝現場-35℃的環境條件，滿足生產需求。RTU系統除完成對各自井口的數據采集、處理、控制和關斷外，還作為SCADA系統的井場的現場控制單元，將井場的數據傳送給調控中心，并接受、執行調控中心的操作指令。
3.3集氣站及分輸站控系統
松南氣田各外輸站場和集氣站站控系統由可編程控制器（PLC）和上位機操作站組成，為滿足安全和可靠穩定性的要求，站控系統控制器采用經過SIL2認證的安全PLC。PLC作為SCADA系統集氣站及分輸站的現場控制器，將集氣站及分輸站的數據傳送給調控中心SCADA系統，實現遠程監控操作。
PLC硬件設備均選用羅克韋爾Control1ogix1756系列模塊構造系統，系統軟件采用國際上流行的冗余RSVIEW SE組態軟件，能夠實現監控調度、數據通訊、值班監控操作、調度指令下發、數據及趨勢顯示、報警、向網絡數據庫提供歷史數據等。所選用的的模板是具有自診斷功能的模板，且可帶電插拔。處理器升級采用FLASH方式，而不需要更換新的處理器。站控系統滿足熱備冗余配置要求，對硬件的I/O的量化、地址分配設置等采用組態方式來實現。
通訊采用ControlNet網絡將控制器和IO端子柜連接在一起，I0端子柜采集外部設備的工作狀態。RSVIEW SE安裝在計算機上，計算機和PLC之間的通訊連接是通過以太網來實現的。
3.4集氣處理站DCS系統
集氣處理站為松南氣田的核心站場，包括：天然氣計量外輸部分、脫碳部分、脫水部分、CO2液化部分、CO2儲存外輸部分、火炬放空部分、消防部分、儀表風部分等，工藝部分多、且控制回路和控制要求高、復雜，因此站控系統采用DCS系統作為作為SCADA系統的集氣處理站現場控制單元。完成對站場內的監控任務，實現六種控制調節：壓力調節、溫度調節、液位調節、流量調節、串級調節（溫度流量調節）、順序調節，達到工藝流程的可靠、平穩運行。
集氣處理站DCS系統由過程控制系統（PCS）、緊急關斷系統/火氣系統（ESD/FGS）組成。除完成對集氣處理站的監視控制及生產管理任務外，還作為SCADA系統的現場控制單元，同時接收附近井場RTU的數據，將有關數據傳送給調控中心，并接受和執行其下達的命令。
3.4.1PCS過程系統
PCS過程系統選用采用分布式結構的冗余C300控制器，，在開放式的冗余通訊網絡上設置了多臺系統組件，這些系統組件分別帶有獨立的處理器，每一個處理器都能進行組態和編程，來實現各自的監控調節任務。該系統應以微處理機為基礎，能完成各種控制功能，如：」數字（離散）控制、模擬控制、順序控制、數據采集功能以及過程接口/操作員接口的功能，并能和主控制室儀表盤協調工作。
C300控制器的組態軟件為Control Budilder，支持在線修改、在線編程以及在線下裝單個回路或者多個回路，可以在正常開車的情況下進行增刪硬件和軟件組態的操作，無須中斷程序或者切換控制器，并在1秒鐘的時間內將修改結果傳送到操作站上。
所有C300控制器都具備自診斷功能，不僅是控制器，所有通信卡件、I0卡件均為帶CPU的卡件，均具備擴展的自診斷等強大功能，所有控制器硬件系統的診斷結果都以狀態信息在系統狀態標準顯示畫面中顯示實時狀況。
3.4.2ESD/FGS系統
ESD/FGS整個系統和部件都是故障安全型的。選用安全管理系統SM（Safety Manager）。
SM系統的兩個控制器模塊同時工作，并非冗余架構，也不存在切換的問題，可以在某個控制器模塊發生問題時避免切換造成的問題。高度的冗余容錯自診斷功能確保SM能在過程安全時間內發揮作用。SM系統還可以完成診斷整個系統，這種自診斷范圍包括所有的SM的系統硬件，包括控制器、通訊卡、I/0卡件，系統機柜狀態等，且該技術已經獲得TV認證。
SM系統配置遵循IEC61508所描述的SIL3標準。當SM自診斷發現其任一模塊發生故障時，控制器將強制發生故障的模塊失效，確保其輸出的準確性。安全輸出模塊中SM0D功能可以確保在輸出電路短路時仍可以切斷電路。
4 SCADA系統的特點
4.1容錯以太網絡
Experion PKS系統的實時控制網絡采用容錯以太網FTE（Fault Tolerant Ethernet）。
FTE不但提供了容錯的特點，也提供了快速網絡的應用，及工業以太網的控制應用的安全性。
FTE同時支持FTE節點（Experion PKS系統節點）和普通以太網節點（通常為集成的第三方系統節點或用戶應用運行的平臺），支持包括控制器在內的設備的基于100M速率的FTE容錯以太網控制網絡，任何指令均能在1秒鐘之內得到執行。同時系統服務器、操作員站和工程師站計算機均配置了連接FTE網絡的Intel Pro雙通道FTE專用網卡和FTE軟件，使之作為FTE節點連接到交換機和FTE網絡的控制器通訊。
FTE容錯以太網是真正冗余的以太網通訊，在同一個網段內實現，用戶無需為兩個分開的以太網段增加額外的開支和維護。FTE同時具備網絡優先級的設置，確保參與控制的數據優先使用帶寬。
FET可以為每兩個節點提供4條通訊路徑，FTE軟件使得任意FTE節點如DCS操作站和控制器等之間都有4條冗余容錯的高速數據通訊鏈路，FTE軟件實時監測所有FTE網絡的4條路徑，同時在所有操作員站上顯示所有FTE節點間通訊路徑的實時工作狀態，并為通訊任務選擇4條通訊路徑當中的任一正常工作的某一通訊路徑，當某一通訊路徑檢測出故障時，FTE軟件能在250ms的時間內實現路徑的自動切換和產生報警并記錄該事件。
4.2可靠穩定性
可靠穩定性是SCADA系統最重要的特點，松南氣田工程的SCADA系統在方案的設置上充分考慮了系統的可靠穩定性。
首先系統具有容錯能力，非關鍵元器件的故障不能影響整個系統的正常運行；其次關鍵設備采取冗余配置，如服務器、控制器采用雙CPU配置。
另外，模塊化設計、抗干擾和防雷擊措施、熱插拔技術和故障的自診斷等一系列措施，也保證了系統可靠穩定性的提高。
整個系統具有統一的數據庫，將SCS、DCS、RTU、ESD/F&G和SCADA數據庫無縫整合在一起，SCADA系統、SCS系統、DCS系統與ESD/F&G系統通過冗余的以太網連接，系統操作站作為整個系統唯一的操作界面，可以監控所有的系統，可以對各系統進行診斷、維護，為系統操作的可靠穩定性提供了保障。
5結束語
松南氣田工程已經順利投產，SCADA系統在正常生產的自動檢測、監視、控制和管理中，起到不可替代的作用。同時還能改善勞動條件，節省人力，提高操作控制水平和工作效率，降低生產成本。隨著氣田工程的運行，SCADA系統在應用中將進一步優化和完善。
