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构架原油长输管道SCADA/OPS系统的探讨

北极星电力网技术频道    作者:陈文芳常贵宁谢孝宏   2008/5/27 18:03:43   

 关键词:  cad SCADA

[关键词]:SCADA/OPS,构架,硬件,软件,安全[摘要]:结合国内石油集输行业的特点,对长输管道(站库)的SCADA系统进行了探讨,首先对SCADA/OPS系统进行简要分析,包括控制器的硬件构成、常规的通信方式和其特点比较等。然后对系统功能的中心站功能、现场站功能和系统辅助功能等进行了阐述。最后在系统安全上,主要对INTERNET和INTRANET接入进行了重点分析包括和风险评估等。

摘要:结合国内石油集输行业的特点,对长输管道(站库)的SCADA系统进行了探讨,首先对SCADA/OPS系统进行简要分析,包括控制器的硬件构成、常规的通信方式和其特点比较等。然后对系统功能的中心站功能、现场站功能和系统辅助功能等进行了阐述。最后在系统安全上,主要对INTERNET和INTRANET接入进行了重点分析包括和风险评估等。
关键词:SCADA/OPS,构架,硬件,软件,安全
TheStudyoftheCrudeOil-pipelineSCADA/OPSSystemFrame
Abstract:Accordingtothedomesticpetroleumgather-transportcharacteristics,discussesthepreparatoryframeoftheoil-pipeline-stationSCADAsystem.MainlyincludesSCADA/OPSissystematicandthebriefanalysis,includingbyPLC/RTU/LEDandsoonforcontrollerhardwareconstitutionandframecomposition,conventionalmailingaddressanditscharacteristiccomparison;Thesystemfunctionmainlyincludesthecontrolcenterfunction,thelocalcontrolsthesystemfunction,thesystemassistancefunction,aswellaspresentdomesticsystembasicfunctionapplicationsituation;Inthesystematicsecurity,mainlyturnedontoINTERNETandINTRANEThascarriedonthekeyanalysisincludingwiththeriskassessmentandsoon.
Keyword:SCADA/OPS,Frame,Hardware,Software,Safety.
前言
SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系统,即数据采集与监督控制系统。该系统是以计算机技术、网络技术和现代控制理论为基础的生产过程控制与调度自动化系统。系统通过对现场运行设备和工况的监督和控制,以实现数据采集、设备控制、状态检测、参数调节以及各类信号报警、历史数据查询等多项功能。

1、原油长输管道的特点
长距离输油管道通常是指距离长、管径大、输量高的原油管道,输送压力高、流量和温度相对平稳,主要是由输油站(Oil-Stations)和管路(Oil-Pipeline)两部分组成。输油站分为首站、若干中间加压站、若干中间加热站及末站,其任务是供给原油一定的动能和热能,将原油安全、经济地输送支目的地;管路上每隔一定距离设有为减少事故危害、便于抢修,可紧急关闭的若干截断阀室以及阴极保护站等。在地理位置上,跨度较大、站库及管道分散;在功能上,设备操作相对简单,站库间具有相似性,调节时间要求低;在安全性上,可靠性较高,要求有故障检测功能等。

2、构架SCADA/OPS系统及分析
SCADA/OPS(SupervisoryControlAndDataAcquisitionforOilPipelineandStations)原油长输管道的数据采集与监督控制系统,该系统由设在控制中心的主机/服务器、设在各站的远程控制终端(RTU)或智能控制设备(LED)或可编程逻辑控制(PLC)和高性能的通信系统构成分布式控制系统。控制中心的计算机通过数据传输系统对各泵站、计量站、加热站或远控阀室的RTU/LED/PLC设备定期进行查询,连续采集各站的操作数据和状态信息,并向这些设备发出操作或调整设定值的指令,从而实现对整条长输管道的统一监视、控制和调度管理。各站控系统的RTU/LED/PLC等控制器与现场传感器、变送器和执行器或泵机组、加热炉的操作站直接连接,具有扫描、信息预处理及监控等功能,并能在与中心计算机通信一旦中断时独立工作。
通过构架SCADA/OPS系统不只是简单地完成流程切换、安全参数监视,更重要是将长输管道视为有机整体来进行管理、监督和调度,从而可以开发出系统优化运行程序、GIS系统、泄漏检测系统、管道模型、安全风险动态评估等一系列系统应用软件,以保证原油管道的经济、可靠、安全运行。
2.1硬件
管道工业所采用的现代SCADA系统的配置形式如图1所示。它一般由远程终端装置RTU和PLC、控制中心计算机系统、数据传输及网络系统、应用软件等组成[1]。


图1SCADA/OPS构架图示
SCADA/OPS系统控制中心的服务器按冗余(双机)方式配置,互为热备用。主机可以与控制中心的操作站和各站场的RTU/LED/PLC进行通信。控制中心的操作人员能够在控制台通过显示终端及输入终端,向现场控制器发出操作指令,实现对原油站库(管道)设备的遥控。该系统的外围设备,如磁盘、打印机、通信控制器等均采用热备用方式,一旦在线主机(服务器)发生故障时,备用主机在安全策略的管理下自动地切换到运行状态,而将故障主机或设备设置为备用或故障状态。
该系统还设立多台以微处理机为核心的调度监视终端、浏览终端、工程师终端和安全管理终端等,用来进行程序编制、修改系统功能和不同层次的管理要求。中心站服务器可以与现场站上近百台RTU/LED/PLC控制器进行通信并对其进行控制。
根据目前SCADA系统的应用和经验总结,长输管道的控制层次通常分为三级:控制中心级、站控级和设备控制级,该结构充分体现了集中管理、分散控制的现代系统控制原则,特别适用于原油长输管道这种分散性大、跨地域广、功能相似系统的运行管理和控制。控制中心站通过服务器对全线进行集中参数据采集、监视、控制和调度管理,站控级通过本站的RTU/LED/PLC控制器来实现对输油站进行控制与监视,设备控制级是对泵机组、加热炉、阀门等工艺设备进行本地控制。
在SCADA/OPS系统选型上,硬件设备选型上概括起来有四种形式:PC 板卡、PLC、DCS、RTU及IED设备。从功能上来说,这四种模式都有完成数据采集与控制的能力,但它们各有不同的适用范围。在目前应用的系统中,几乎没有单纯的控制设备构成SCADA/OPS系统,而是多类型的设备的不同现场具体要求的组合。就PLC和RTU设备而言,在同一系统中,还有可能采用不同的产品的设备。这主要是由于电子技术的不断深入发展,控制设备的专业性越来越强,功能越来越强大,在不同的应用现场只需增加相关的控制就可以“无缝”构成SCADA/OPS系统。
2.2通信[1]
网络建设的构架及选型直接关系到系统的安全性和稳定性。SCADA/OPS系统的数据传输系统由通信控制器(CCM)及相关通信设备与线路组成。在长输管道的系统应用中,安全性相对较高,控制时间上要求相对较低,允许一定时间中断和周期性的维护。在网络的选择上,冗余是必须的,如何选择具体的网络结构的介质,需要与具体考察。目前主流的SCADA系统通信方式如下:
微波该方式应用较为广泛,有成熟的设计、施工及运行经验。它的主要优点是投资少、通信容量大,可靠性高、建站灵活等。缺点是受雷雨影响较大,并交纳一定的无线电管理费用。根据原油输送站库间距相对均匀特点,微波通常是首选通讯方式。目前主流设备的载波频率为5.8G,具有容量大,方向性强,抗干扰能力强等特点。
光纤由于光纤通信的载波介质是光而不是电,故不受外界电磁干扰,传输速率高,通信容量大,保密性好;光纤的抗腐蚀能力强、重量轻。缺点是光纤施工必须走线杆或深埋,成本较高,而且工业级光纤通信设备价格较高。由于光纤的可靠性最佳,在现场允许的情况下,光纤通讯也是重点选择之一。
卫星甚小天线地球站卫星通信系统即VSAT(VerySmallApertureTerminal)系统是一种可以传输话音、数据、图像等信息的通信系统。它包括通信卫星、主地面站和甚小口径终端。卫星通讯的优点之一是投资与通信距离无关,特别适用系统跨地广、距离长、范围大的情况。缺点是该方式资源有限,对高可靠性系统可做备用通信方式。由于国内卫星通信资源的匮乏,该方式国外应用较多。
高频无线电为了提高通信系统的可靠性和灵活性,为SCADA系统和重要的调度通信提供备用通信手段,为巡线、抢修提供移动通信手段,常采用高频无线电通信。常采用的无线电系统有VHF和UHF两种,频带范围分别为30-300MHz和300-1000MHz。它用于短距离通信是比较经济的。缺点是受其它高频无线电影响较大,不能做稳定的通信方式。
GRPS通用分组无线系统是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。GPRS能更有效的利用无线网络信息资源,特别适合突发性、频繁的小流量数据传输。它具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。缺点是通信量有限,系统滞后时间较长,主要用于现场数据的动态采集,在控制上应用相对较少。
专线按照提供方式的不同,专线业务可分为由运营商提供的基于网络的专线和与运营商网络无关的基于终端的VPN业务。基于网络的专线以点到点的互连专线和上网专线为主,其中VPN业务主要面向的是少数跨国大企业集团,如基于Internet的各种隧道方式的专线,也获得了广泛应用。主要有TDM专线、点到点Ethernet专线、点到多点汇聚型Ethernet专线、波长专线、SAN专线、VPN业务等。该方式运营费用较高,一般作为系统通信的备用链路。
2.3软件
软件是硬件设备的灵魂。SCADA/OPS系统平台主要由各种功能模块组成。从软件开发流程上来讨论,主要分为系统内核和功能模块。系统内核主要是精简的架构设计,具有很强的实用性和可靠性。系统内核由四个子系统(通信子系统、数据子系统、显示子系统、控制子系统)等构成,他们之间通过统一的接口进行联络。功能模块主是针对用户的应用要求,系统提供基础数据和一些独立的动态连接库,能动态装入或卸出,可灵活组合,特别适合与系统扩展和用户定制。
SCADA/OPS系统提供常用的功能模块,用户应用这些模块就能快速构件出一个比较完善的工程。常用模块包括:通讯设备驱动功能模块;通信协议解释模块;专业图形元件功能模块;可视化人机界面功能模块;实时数据库功能模块;自动控制功能模块等。如人机界面模块设计是系统的基础功能块之一。它一般采用专用的人机界面设计工具,兼容Windows的操作风格,对象化的图形元件设计,灵活的鼠标拖拉功能及各种有效的编辑方案,都经过了仔细考虑和精心设计,并满足用户的定制功能和图元库的导入导出等,使用户应用户应用该软件轻松自如,效率较高。
SCADA/OPS系统的功能性和灵活性在很大程度上取决于所采用软件的性能。计算机软件一般可分为三个主要部分:计算机操作系统软件、SCADA系统软件、功能应用软件。
计算机操作系统软件
常用的主要有Dos、Windows和Unix(或Linux)三种普遍使用的操作系统,操作系统是为了方便用户,管理和控制计算机软硬件资源的系统软件(或程序集合)。操作系统的主要功能是作业管理、文件管理、存储管理、设备管理和进程管理。
SCADA系统软件
SCADA/OPS系统为实时系统,需有专门开发软件才能在实时环境中工作,这些软件一般由工程集成商或用户选定。目前流行的SCADA系统开发软件主要有:Wonderware、IFIX、组态王、MCGS、三维力控等,SCADA/OPS系统的系统软件一般包括:远程终端查询软件、数据采集软件、传指令软件、建立及管理实时数据库软件、HMI显示、记录报警、报告生成软件及运行调度决策指导软件等。一般来说,具备SCADA系统的软件都带有一定功能的实时数据库,实时数据库系统在应用中是一个关键的系统平台软件。只有选择优秀的实时数据库系统,才可以与应用系统密切配合,提高应用系统的运行效率,达到应用系统运行的预期效果。一般来说,选择一个实时数据库系统考虑下列因素:系统可靠性;系统功能;系统性能;系统开销;运行平台;系统结构;系统开放性;系统安全性;使用方便性等。实时数据库系统一般都带有配套的应用软件工具,如流程图画面组态软件、数据报表生成软件、浏览器访问数据软件和多种数据访问接口。这些配套的应用软件工具将加快实时数据库系统的二次开发速度,配套软件工具是否丰富往往成为人们选择实时数据系统的一个重要标准[3],实时数据库结构如图2所示。


图2实时数据库系统体系结构
功能应用软件
功能应用软件主是基于动态数据采集的二次开发专业性软件,这些专业性应用软件是以SCADA/OPS为平台,以站库和原油管道的安全生产和经济运行为管理目的。他们主要包括:长输管道动态仿真软件(数字模型)、泄漏检测与定位软件、水击动态分析及保护软件、系统优化运行管理软件、安全风险动态分析软件等。结合原油长输管道的现场要求和目前的实际应用情况,功能应用软件主要包括有:长输管道动态仿真软件,包括管理地理信息GIS系统,水力模型仿真,热力模型仿真,能量模型仿真等;泄漏检测与定位软件,包括目前流行的压力波检测系统,流量检测,超声波检测以及模型法检测等;水击动态分析及保护软件基于生产流程的切换而造成的水击预测及硬件保护等;系统优化运行管理软件,基于不同生产要求,不同季节、地温、气温、输油量、最低管输量等综合因素下,结合仿真模型的应用,指导生产操作人员合理调度;输油能耗综合分析软件,主要输油泵效率动态分析,加热炉效率动态分析,输油系统综合分析等;安全风险动态分析软件,包括防腐层状态检测与评价、输油泵机组振动检测[4]、站库“数字化”安全管理等。
软件应用涉及系统的操作控制层、管理层和决策层等三个层次,充分利用信息技术,实现生产管理的网上共享,业务处理自动化、数据共享信息化,保证系统的安全可靠运行,创造最大的经济效益。
2.4系统基本功能[1]
控制中心功能
监控沿线各站的工作状态及设备运行情况,采集各站主要运行数据和状态信息。主要有:
①检测量:
进出站油温、油压;首站、末站和计量站流量,在线密度、含水、含气检测。
输油泵机组(包括原动机和辅机)的有关数据,主要有泵前后轴振动检测、电机定子转子温度检测、三相电压电流功率因素等;
油罐液位、油温及储油量;
加热设备进出口油温、油压、及流量,燃料油压力及流量;
泵站出站压力调节阀的开度及阀前后压差;
站母线电压、电流、能耗等;
②报警信号:
原油进站压力过低,出站压力过高;油罐液位(高低超限);停电;输油泵机组运行故障;加热设备进出口油压差值过大;出站调节阀故障;输油泵轴承温度过高,振动量超标;安全阀、泄压阀动作等。
③状态量:
输油泵机组、加热设备、出站调节阀及重点流程阀的运行状态。
监视过程是以扫描的方式进行,即按一定顺序依次对各站的RTU/LED/PLC进行查询。若发现某站的运行状态异常或运行参数超限,则通过屏幕报警及打印输出。
④控制量:
根据操作人员的要求或控制软件的要求向RTU发出操作指令,对各站场进行遥控。主要有:
输油泵的程序启停;
流程阀的开启、关闭;
加热设备的启停及调节;
出站压力的控制;
出炉或换热器的原油温度控制等。
⑤连锁保护:
全线压力超高/超低连锁保护;
全线水击保护;
全线泄漏检测与停输保护等;
根据操作人员的要求,在中心服务器上动态提供有关管道系统运行状态的图形及历史比较和趋势显示;按规定时间间隔记录和打印各站的主要运行参数及运行状况报告;记录管道系统所发生的重大事件的报警、操作指令等;运行有关的应用软件,对水击、检漏、清管、批量跟踪等工况进行监测、控制。
现场站控系统功能
①过程变量巡回检测和数据处理;
②向控制中心报告数据和报警;
③提供运行状态、工艺流程、动态数据的画面、图像显示、报警、存储、记录、打印;
④除执行控制中心的指令外,还可以独立进行工作,实现站内保护和PID等其它控制,实现流程切换;
⑤进行自诊断程序,并把结果报告控制中心,提供给操作人员操作记录和运行报告;
系统辅助功能
①系统通信状态及数据交换情况。
②系统操作安全性的策略分析及网络安全动态监视等。
③模块化的自动控制和执行过程的相互连锁保护。
④形成各种生产管理的算法,如库存量的动态计量及流量计的计算等
⑤形成和归档各种系统的事件日志和系统日志,生成各类归档文件的信息(如现场过程处理的相关参数,各类的报警信息,各类事件的提示信息等)
⑥在工作过程中紧急条件下的信号指示和管理权限的注册,SCADA系统控制权限的管理,并纳入归档管理。
目前国内系统基本功能的应用情况
目前我国主要输油管道实现了以只需在控制中心发一个计算机键盘指令就可以完成全线自动顺序启动或自动顺序停运的高度自动化输油管道自动化水平(或自动化程度)一般有以下几种:
①自动监测自动采集和监测主要工艺运行和关键设备状态(单纯数据采集、不具备控制功能),一般性新建站库都满足该要求。
②单体设备遥控操作自动监测全线工艺运行参数、设备状态与运行参数;能够完成工艺运行参数自动调节和设备自动保护停运;从控制中心发一个计算机命令只能完成对单台设备(或阀门等)的启停或开关操作(单体设备遥控操作)。该方式中控室任务较重,通信量较大,可靠性较差,一般不采用。
③单站自动顺序逻辑控制工艺运行参数、设备状态与运行参数,能够完成运行参数自动调节和设备定值自动保护及其它自动逻辑保护,即:键盘指令可以完成一台主体设备及其与之相关的所有辅助设备或配套设备的自动顺序逻辑启动或停运。如:输油泵机组的启停以及进、出口阀门的开关等;或键盘指令完成一个输油流程的自动切换,如:自动倒罐和自动倒输油泵等控制。
④在控制中心监控终端上发出操作命令,全线自动顺序逻辑控制,完成全线各站场所需投入运行的全部设备(包括工艺流程阀门)的自动顺序启动或对正在运行的全部设备的自动顺序停运或紧急停运。
2.5系统安全管理[2]
由于允许收集与分析现场数据和设备控制,SCADA系统提供了一个十分有效的操作环境,同样暴露出了安全风险。最初的SCADA系统在设计时,它追求的是功能及性能的最大化,几乎没有考虑到安全性。正是如此,系统性能、可靠性、扩展性和分布式的安全控制操作,对于SCADA系统来说是十分健壮的,而在安全性上它又是十分脆弱的。结合原油长输管道的SCADA/OPS系统的实际情况,安全管理主要分为系统内部操作和系统网络两大类,如图3所示。


图3:安全管理分类
SCADA/OPS系统安全管理主要是指系统通信的稳定性和健壮性,它是整个系统正常运行的基石,要求保证通信是正常而健康的。SCADA/OPS网络安全,主要是针对互联网(INTERNET)或企业内部网(INTRANET)上网络攻击和病毒防范。从图1来看,只涉及两层网络,在更多的应用中,网络是多层面,交错而多接点,如图4所示:


图4系统网络示意图
首先确定网络所有链接点,包括内部网络和外部网络,尽可能减少没有必要的链接点(这里主要指可操作的监控站),为了满足多层次管理人员浏览和查看的要求,通过专用防火墙,可以无限制。在不同层的网络链接处,根据应用要求,建立风险评价机制,对相应的数据和流量进行动态监视,并建立日志。对所有具体操作权力的用户设立安全操作记录,不同层次的权力严格区分,并建立监督机制。控制层网络技术应当严格保密,包括技术文章的介绍,控制层与管理层数据的流量和数据包建立安全监视机制,如两层间建立映射数据的方法来保证控制层数据的安全等。对外部数据的交换,如计量交接、报表生成等,对数据进行动态分析与对比分析。在防火墙的设置上,最好采用自定义配置方式,通用型设置在保密上是没有意义的。建立科学、合理、有效的技术和管理机制,防范于未然,是保证整个系统安全运作的基础。

3结束语
随着近年来全球油价的暴涨,各个国家越来越重视战略性资源的安全管理与控制,SCCADA/OPS系统只是从理论上进行初步探讨。我国原油长输(站库)自动化相关技术基础差、研究性课题少。结合近年来国际国内长输管道的建设与发展,如何应用先进、成熟的自行化技术、网络技术和计算机技术来提高我国石油管道的管理水平,以安全、可靠、经济是建设为目的,是石油集输行业工程技术人员任重而道远的责任。

参考文献
[1]杨筱蘅张国忠:输油管道设计与管理[M]山东:石油大学出版社1996年,第209-216页。
[2]DominiqueKilman&JasonStamp.FrameworkforSCADASecurityPolicy[J],SandiaNationalLaboratories,2003(7),29-37
[3]张志檩:实时数据库原理及应用[M]北京:中国石化出版社,2001年,第6-16页。
[4]韩捷张瑞林:旋转机械故障机理及诊断技术北京:机械工业出版社,1996年,第75-79页。

来源:中国工控网
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