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油气管线SCADA系统设计论文
油气管线SCADA系统设计
摘要：
SCADA系统是基于计算机、通讯和控制技术发展起来的，是实现管道数字化的基础。
主要作用是：
自动采集有关管道运行的工艺参数，调节与管道安全运行密切相关的变量，在站控室和控制中心监控现场设备的运行，提供企业其它应用系统所需的各种数据。
本文通过研究SCADA系统的现状、发展趋势，阐述了SCADA系统功能、技术要求以及系统基本配置。
对SCADA系统中心控制级和站场控制级系统基本配置分别从软件和硬件方面进行详细研究。
通过对目前常用的管道SCADA系统的分析，重点研究了输油输气管道SCADA系统的设计。
结合SCADA系统的发展趋势，介绍了SCADA系统中RTU应用及基于WEB的SCADA系统的研究。
关键词:
SCADA系统；数据采集与控制系统；数据通讯
TheDesignofOilandGasPipelineonSCADASystem
Abstract：
Withthedevelopmentofthecomputer,communicationsandcontroltechnology,SCADAsystembecomesthebasisofpipelinedigitization．Itsmainfunctionsare：
acqurinngautomaticallythetechnicalparametersconcerningthepipelineoperating，regulatingthevariablescloselyrelatedtopipelinesafetyrunning，monitoringtheoperationstatesofthefieldequipmentatthestationcontrolroomandcontrolcenter,andofferingthenecessarydataforotherenterpriseapplicationsystems．
ThispaperstudiestheSCADAsystemofcurrentsituation,developmenttrend,andintroducestheSCADAsystemfunction,technicalrequirementsandbasicsystem.FortheSCADAsystemcentercontrollevelandstationcontrollevelbasicsystemrespectivelyfromthehardwareandsoftwareareintroducedindetail.BasedonthecurrentlyusedpipelineSCADAsystemanalysis,focusontheoilandgaspipelineSCADAsystemdesign.CombinedwiththecharacteristicsofSCADAsystem,thearticlediscussestheSCADAsystembasedontheWEBandRTU.
Keywords:
SCADAsystem；DataAcquisitionandControlSystem；DataCommunication
1绪论
1.1课题研究背景
SCADA是SupervisoryControlAndDataAcquisition的缩写，即数据采集与监视控制系统。
它是一种以监督为基础的计算机控制系统。
它能收集远处现场的操作信息，并通过通讯线路将远方信息传送到控制中心进行显示和报告，控制中心的操作员监视这些信息，并能向远方的设备发布监督性质的命令。
SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。
SCADA系统发展到今天已经经历了三代。
第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。
这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。
第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。
在这一阶段，SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。
第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。
90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。
这一阶段是我国SCADA/EMS系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中。
这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期，国家计划未来三年内投资2700亿元改造城乡电网可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度。
第四代SCADA/EMS系统的基础条件已经或即将具备，预计将与21世纪初诞生。
该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA/EMS系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。
SCADA系统在电气化铁道远动系统的应用技术上已经取得突破性进展，应用上也有迅猛的发展。
由于电气化铁道与电力系统有着不同的特点，在SCADA系统的发展上与电力系统的道路并不完全一样。
在电气化铁道远动系统上已经成熟的产品有由我所自行研制开发的HY200微机远动系统以及由西南交通大学开发的DWY微机远动系统等。
这些系统性能可靠、功能强大，在保证电气化铁道供电安全，提高供电质量上起到了重要的作用，对SCADA系统在铁道电气化上的应用功不可没。
SCADA系统在石油管道工程中占有重要的地位，如用在系统管理石油管道的顺序控制输送、设备监控、数据同步传输记录，监控管道沿线及各站控系统运行状况等。
各站场的站控系统作为管道自动控制系统的现场控制单元，除完成对所处站场的监控任务外，同时负责将有关信息传送给调度控制中心并接受和执行其下达的命令，并将所有的数据记录储存。
除此之外的基本功能，SCADA管道系统还具备泄露检测、系统模拟、水击提前保护等新功能。
使用SCADA系统的主要目的是对地域分布非常分散的设施提供连续监测，并从中央控制室对这些边远设施进行操作控制由于管道长及大多数情况下穿越地形复杂的区域，所以采用SCADA系统通常在经济上是合算的，这是因为采用它可以提高总的操作效率，并可降低因依靠人力一天24小时管理边缘设备而产生的开支。
操作报警的及时报告可以避免管道油品的流逝及监督控制使各远端设备工作在较佳状态，节约能源。
其它的经济利益可以来自精确和及时地获取输送计量监测数据，用以自动产生用户货物清单、管理报告等。
通过提供对系统的一些关键参数如压力、流量、油罐液位等的连续监测，SCADA系统可保护管道的完好，进而也保护了管道穿越地区的环境。
这一点对于穿越敏感生态区的管道来说尤其重要。
管道数据通过在管道上安装仪表来测量，仪表通过导线直接与泵站或压缩机站控制室的控制器连接。
压力或流量控制器根据就地控制或借助SCADA系统远程控制的设定值对工艺参数（压力或流量）做出反应。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1国外研究现状
国外的SCADA系统已经比较成熟，具有较高的自动化水平。
比较著名的SCADA
系统软件开发公司有Wonderware、Siemens、Intellution等。
20世纪80年代中期，Wrondeare公司为SCADA环境提供一个灵活的、可维护的和安全的软件平台InTouch。
InTouch的最大特点是不需开发冗长的代码，只需图画的动态连接即可运行。
InTouch组态软件提供了面向对象的图形开发、动画链接、分布式报警、分布式历史数据存储等功能并支持ActiveX、ODBC、DDE及NETDDE等开放技术。
这些功能及技术集成在一个单一的、开放的和灵活的软件架构中，它能够连接到当今使用的自动控制系统、远程终端（RTU）、智能电子设备（IED）、可编程逻辑控制器（PLC）、数据库或者企业系统。
Siemens公司的视窗控制中心WinCC（WindowsControlCenter）是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术应用系统。
它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模版高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有很高的实用性。
除了这些功能外，WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案，可以通过ODBC和SQL等方式归档数据访问，以及通过OLE和ActiveX控件的对象和文档的链接，这使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。
捷克科技大学控制工程专业搭建了基于SIMATICPCS7的控制系统平台，该平台通过WinCC实现物理模型计算机仿真并通过WinCC的可视化视窗界面显示实时数据、存储及打印报表。
Intellution公司的IFIX集控制、人机界面、图形、数据库、网络技术于一身，包括动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等组件，提供友好的用户界面，用户几乎不用编码就可以生成自己所需的应用软件。
IFIX基于多种工业标准之上，提供了前所未有的系统易用性和扩展性，极大地方便了系统集成。
IFIX的全局技术使得对一点的修改可以在整个应用内发生作用，减少开发时间。
全局技术包括全局变量，全局颜色变化表，以及全局VBA子程序等。
同时，IFIX提供了强大而灵活的多重冗余功能，保证系统的不间断监控，包括备份SCADA服务器、LAN冗余以及利用网络状态服务器和IFIX诊断显示程序监视、控制网络运行状态等。
斯洛文尼亚的马里波尔大学电子工程及计算机科学专业利用IFIXSCADA系统的实时特性，作为对换热器热工性能测试的重要工具，完成对换热器缺陷分析探测技术的应用。
1.2.2国内研究现状
国内SCADA系统的仍处在发展时期。
由于各个应用领域对SCADA的要求不同，
所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。
在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟，它作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，现已经成为电力调度系统不可缺少的部分。
SCADA系统对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平方面有着不可替代的作用。
西南交通大学研究了J2EE平台技术和基于J2EE平台的开源框架技术在电力SCADA系统中的应用，根据基于J2EE多层体系结构B/S设计思想，结合Struts和Hibernate等开源技术，设计了基于客户层、中间层及数据层三层结构的电力SCADA系统。
华中科技大学对现有的基于Windows系列平台变电站、电站监控系统HG2002进行研究，分析变电站自动化系统的结构和功能，论证了电力组态软件跨平台运行的可行性，设计并开发了基于UNIX系统的图形绘制模块及人机交互模块。
SCADA在铁道电气化远动系统上的应用较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电、提高铁路运输的调度管理水平方面起到了很大的作用。
在铁道电气化SCADA系统的发展过程中，随着计算机的发展，同时我国也从国外引进了大量的SCADA产品与设备，这些都带动了铁道电气化远动系统向更高的目标发展。
西南交通大学通过使用基于Windows2000Server、IIS及SQLServer2000的网络系统工具，构建了试验被控端系统的基本Web平台，实现了电气化铁道SCADA系统被控端的Web方式。
该大学还根据目前几种常用的动态Web开发技术，结合铁路电气化SCADA复视系统现状，提出以.NET作为软件开发平台，以ASP.NET作为开发技术的分布式铁路电气化SCADA复视系统。
SCADA在油田及石油管道工程中占有重要的地位，系统管理石油管道的顺序控制输送、设备监控、数据同步传输记录，监控管道沿线及各站控系统运行状况。
除此基本功能之外，现在的SCADA管道系统还具备泄露检测，系统模拟，水击提前保护等新功能。
中国海洋大学以Honeywell公司的SCAN3000作为调度系统上位机软件平台，以AB公司RTUSLC500系列PLC为现场测控系统控制核心配MDS公司无线电台，形成以陆海监控中心、中心平台站、卫星平台站及通信系统为基础的滩海油田SCADA系统。
上海市北煤气公司建成以监控中心信息管理系统网络、监控与数据采集系统网络、储配站高中压调压站的场站监控系统网三层网络为基础的市北煤气管网调度系统，其场站采用AB、SIEMENS等公司的PLC作为现场控制设备，以CDMA20001X网络作为调度系统通信网络，并采用Wonderware公司Intouch工控平台作为上位机监控系统调度平台，该系统落成后承担上海市北片地区的供气任务。
山东大学以济南港华燃气公司天然气管网安全监控系统作为研究对象，分别通过对调度控制中心运行计算环境结构、组态软件技术、大型关系数据库技术的综合研究，开发了以C/S、B/S混合三层计算结构的燃气管网SCADA系统。
HOMS5.0热力运行管理系统）是北京硕人时代公司推出的网络化热力行业专用监控管理软件，该软件构建于先进的．NET技术平台，全面支持XML技术，纯粹的B／S结构，基于Internet和无线网络技术，支持从工作站到掌上电脑等本地、远程和无线终端设备连接，具有高度稳定、可靠性同时具有极大的系统伸缩性，支持海量数据存贮及数据分析和发掘刚。
大连理工大学采用OOP技术，设计并开发了基于VisualBasic平台的过程控制级、操作监控级、信息管理级的三层体系机构，构建了分布集中式SCADA系统，完成了对一次网、二次网全部热力站的监测、控制及管理任务。
1.2.3SCADA系统发展趋势
随着行业应用的不断拓展与加深以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的
要求，可概括为以下几点：
（1）SCADA系统与其它系统的集成
SCADA系统大量的实时数据，同时MIS等系统中都需要用到实时数据，所以SCADA系统如何与其它非实时系统的集成成为SCADA研究的重要课题；现在SCADA系统已经成功地实现与企业MIS系统的集成，SCADA系统与电能量计量系统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为SCADA系统的一个发展方向。
（2）专家系统、分析应用软件的开发与应用
利用分析应用软件模拟SCADA系统的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管理决策软件，由专家系统根据不同的实际情况分析出最优化的运行方式，以达到合理、经济地进行系统调度、提高运输效率的目的。
（3）面向对象技术、Internet技术的应用
面向对象（ObjectOriented,OO）方法是一种非常实用的软件开发方法，现在已经成为计算机科学研究的一个重要领域，并逐渐成为软件开发的主要方法。
面向对象方法以客观世界中的对象为中心，其分析和设计思想符合人们的思维方式，分析和设计的结果客观世界的实际比较接近，容易被人们所接受。
面向对象技术包括面向对象分析（Object-OrientedAnalysis,OOA）及面向对象设计（Object.OrientedDesign,OOD）。
基于COM/DCOM技术开发的OPCClient/Server就是利用面向对象技术，应用于SCADA系统服务器数据库与分析应用软件的数据接口软件。
随着Internet技术的发展，浏览器界面已经成为计算机桌面的基本平台，将浏览器技术运用于SCADA系统，将浏览器界面作为调度自动化系统的人机界面，对扩大实时系统的应用范围，减少维护工作量非常有利。
2油气管线SCADA系统的概述
2.1油气管线SCADA的基本组成和功能
2.1.1SCADA的基本组成
1）远程终端设备（RTU）
2）通讯系统
3）主站计算机（包括硬件和软件）。
2.1.2油气管线SCADA系统功能
1）连续扫描所有的边远设施；
2）保存SCADA系统数据库；
3）生成彩色VDU数据及图表显示；
4）提供所有的模拟信号高、低极限报警；
5）提供所有的油罐液位数据输入，高、低极限报警；
6）在VDU上显示状态及报警，用声音报警并在报警打印机上打印报警；
7）传递控制信号，由管线操作人员通过控制键盘向边远地区传送泵站、末端设施的控制功能；
8）在控制室的打印机上打印所有操作人员启动的控制、通信报警；
9）询问所有的油罐液位传感器及传输诸如液位、温度和总体积等数据；
10）提供三种模式（PID）模拟控制回路及所有干线泵的逻辑顺序控制；
11）打印管线数据如流量、吸入排除压力、监测输送体积总量的时、日、月报告；
12）将系统操作数据格式化以便传送到会计、计划计算机系统；
13）根据每一管段的进出流量计量（自动进行温度、压力补偿）提供泄露探测监视和报告；
14）与油品界面追踪作业相结合，提供日、周管道计划能力；
15）在系统计划扩建阶段，提供泵站和末站动力优化的报告；
16）在系统计划扩建阶段，提供自动化仪表校正基础；
17）在系统计划扩建阶段，提供动态泄露探测、瞬时模拟的报告。
2.2油气管线SCADA系统的调度控制中心
2.2.1中心控制级（控制中心）主要功能
调度控制中心是油气管道自动控制系统的调度指挥中心，正常情况下操作人员在调控中心通过计算机系统，即可完成对管道全线的监控和运行管理等任务。
其主要功能（不限于此）：
（1）数据采集与管理功能
1）接收各站控系统采集的数据。
对数据进行计算和处理，提供对整个系统的网络数据库管理。
2）数据的统计计算和分析。
具有数据储存查询等功能，供管理人员进行分析，统一监控管理全线输送的运行情况。
（2）控制功能
1）全线输油、气系统的启动与停输控制。
2）各站的启动与停输控制，可向站控系统发送指令，由站控系统自身完成。
（3）显示功能
1）显示整个输油、气管网的动态工艺流程、各站的动态工艺流程，在流程图上实时显示运行参数及设备状态。
2）运行参数显示。
包括实时历史趋势图、棒图、运行报表等。
3）操作指导、调度指令等显示。
显示其它自定义画面。
（4）报警管理功能
提供全方位的报警功能。
可在多种画面中以直观方式通知调度人员系统发生异常，不同级别的报警可在所有操作员站上接收，报警没有确认时保持闪光。
报警内容主要有：
参数越限报警，硬件设备故障报警，系统自诊断报警，电源故障报警，通信故障报警等。
（5）打印功能：
1）随机报警打印。
2）定时或随时报表打印，如班报、日报、月报、年报等。
3）图形拷贝。
（6）事故追忆功能
对事故发生前后的运行情况和各类报警进行记录，以便分析事故的原因。
（7）其它功能
1）系统自诊断、自恢复功能（包括通信通道故障时主备信道的自动切换）。
2）控制权限及访问权限的限定。
3）系统时钟同步。
4）石油、天然气的输量预测和计划。
5）输油气过程优化。
6）网络监视及管理。
7）贸易结算管理。
8）支持远程WEB访问。
2.3油气管线SCADA的站控系统
SCADA主站系统主要包括计算机硬件和计算机软件构成。
站场控制级（站控系统）主要功能：
沿线各工艺站场的站控系统作为管道SCADA系统的现场控制单元，除完成对所处站场的监控任务外，同时负责将有关信息传送给调度控制中心，并接受和执行其下达的命令。
其主要功能（不限于此）：
（1）数据采集与传输功能
1）采集站内工艺运行参数，将其传输至控制中心系统。
2）PLC系统支持以太网（通讯速率10M/100MBPS自适应）。
（2）控制功能
1）执行控制中心下发的指令。
2）全站的启动、停止控制。
3）站内所有电动阀门远控及就地手动控制。
（3）显示功能
1）各站动态流程图显示（包括实时运行参数及设备状态）。
2）运行参数的动态显示，参数的实时、历史趋势图显示。
3）报警画面显示。
（4）打印功能
1）报表打印。
2）故障记录打印。
（5）其它功能
1）站内数据管理。
2）自诊断自恢复。
3）经通信接口与第三方的系统或智能设备交换信息。
4）数据通信管理。
2.3.1系统硬件构成
庞大的主站系统一般包括如下硬件内容：
通讯前置系统，主要负责解析各种不同的规约，完成通讯接口数据处理，包括数据转发。
包括前置计算机、串口池或者MODEM池，机架，防雷措施和网络接口。
根据系统的规模可能有一个，两个甚至多个前置计算机。
串口池是多个串口构成的集合，有两种方式，一种是插在计算机上的多串口卡，一种是以太网接口的多串口服务器。
MODEM池是多个MODEM的集合，可以采用多个MODEM或者采用DSP技术的集成式MODEM（一个接口可以提供30个MODEM）。
各种数据网关把各种不同的协议进行解析，转换成统一的数据存储于实时数据库中。
某种意义上前置系统是一种特殊的网关设备。
实时数据库系统，主要包括运行实时数据库的服务器。
工程师工作站，负责系统的组态、画面制作和系统的各种维护。
生产调度工作站，是监控系统的主要用户，显示画面，画面浏览，实现各种报警等。
各种监控工作站，主要用于特别庞大的系统，几个人已经无法监控的情况，这时会根据需要，设立各种的监控工作站，每个工作站有人员工作。
历史数据库服务器，是SCADA系统保存历史数据的服务器。
WEB服务器，是现在SCADA主站系统的一个流行趋势，只要用户装有浏览器软件，得到相应的授权，就可以访问相应的他关心的数据。
上层应用工作站，主要用于实时数据和历史数据的挖掘工作。
在管道管理中包括管网压力损耗分析，管网经济性分析，管网漏失分析等。
在采油工程上，包括示功图显示，示功图分析，泵况分析，功图计产等等。
支撑硬件：
因为SCADA系统要求365D×24H连续工作，电源系统要求比较苛刻，除了双回供电，还要求有保证系统供电的UPS系统，甚至柴油发电机。
用于系统输出的打印机系统
安装机柜和布线
空调系统，为了系统可靠工作和人员的舒适性，需要空调系统，可能要求24小时工作。
2.3.2系统软件构成
SCADA系统主站的软件分为3种：
操作系统软件、SCADA系统软件、应用软件，如表2-1，表2-2和2-3。
表2-1计算机操作系统
系统生成
诊断
程序编制
文件管理
存储管理
汇编语言
语言编译程序
表2-2SCADA系统软件
1.数据采集/控制
2.数据库管理-数据库文件
3.人机接口-显示、报警、图形
扫描
（1）数据库更新
命令-选择/执行
传输规程
（2）模拟
报警确认/抑制
错误检测
极限检验
报表
状态/报警，越限状态
变化率
趋势显示
数/模控制
故障死区
历史数据
控制故障
工程单位换算
显示编码程序
通信监视
滤波
报表编码程序
脉冲累加器同步
（3）数据库编辑
操作员暂存储器
计算机故障切换
表2-3应用软件
流量计量总数/净数计算
管道终端
升级会员 