油气长输管道SCADA完整系统.docx

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油气长输管道SCADA完整系统

11 油气长输管道SCADA系统

迄今为止，管道运输在世界上已有130多年的历史。

我国虽然是世界上最早利用管道运输的国家之一，但

其发展却比较缓慢。

1949年以前，我国的管道运输几乎是空白。

经过几十年的发展，初步形成了东北、华北、

华东输油管网及西南输气管网、西北一带油气管网已初具规模。

全国石油、天然气产量的90%通过长输管道源

源不断地输向炼油厂、化工厂及海运码头。

作为油气长输管道自动化系统同样经历了循序渐进的发展过程。

早期主要采用就地通用指示仪表为主，主要设备的控制（如阀门的开、关；输油泵的启、停等）均由手动控制，

输油工人通过巡视记录主要参数（如温度、压力、流量等）。

70年代末，由于当时国内的自动化控制设备与国

外相比处于严重落后的地步，国内企业纷纷通过技术转让、合资合作、集团经营等形式改善设备。

如在长输

管道上广泛应用1151、2088等压力变送器、瑞士SAAB雷达液位计等，流量计量方法已由原始的计量仪表检测、

手工计算产生报告发展成为由流量计产生信号远传至流量计算机或RTU、DCS、PLC等站级控制系统进行流量累

计计算并自动生成相应报告。

80年代末，计算机硬件、软件、特别是网络、通信的发展，管道运输行业均配

置了先进的SCADA系统，如“东营-黄岛输油管道”是我国第一条实现全线自动化技术的输油管道，该管道是

与加拿大努法公司联合设计的，代表了当时世界先进水平。

此后，进入90年代后，通过对世界先进技术的消

化和吸收，运用国内自己的技术力量先后设计和编制了以站控为主的花土沟-格尔木输油管道；轮南-库尔勒

输油管道；鄯善-乌鲁木齐输气管道；陕甘宁气田-西安输气管道；陕甘宁气田-北京输气管道；陕甘宁气田-

银川输气管道等。

11.1 油气长输管道SCADA系统概述

11.1.1 SCADA系统概述

近20年来，随着4C（Computer, Control, Communication,CRT）技术的发展，先进的监控和数据采集系统

（SupervisoryControl and Data Acquisition），简称SCADA系统，广泛用于电网、水网、输油气管网、智能

建筑等领域，通过主机和以微处理器为基础的远程终端装置RTU、PLC（或其它输入/输出设备的通信收集数据，

实现整个工业网络的监控，从而保证系统的安全运作及优化控制。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

监控和数据采集（SCADA）系统的主要组成部分是：

远程终端设备（RTU）、主站计算机（包括硬件和软件）、操

作人员数据显示和控制盘及有关的外围设备。

目前SCADA系统突出的特点是具有集散控制功能和自我诊断、冗

余、备用计算机。

SCADA系统已由集中控制、集中管理发展成集散控制、集中管理的方式。

主机更多地用作数

据采集与分析，常常不必以实时的方式运行。

而由“智能”远程终端装置（RTU）配上先进的软件在现场进行

集散式控制。

图11-1和图11-2分别为传统和新型SCADA系统。

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

图11-1 传统SCADA系统

149

图11-2 新型SCADA系统

SCADA系统的基本部分是远距离终端设备（RTU）。

它是系统中的关键性装置，是对运行着的生产现场进行

监控的最通用的设备，具有对现场工况进行最佳控制的能力，目前正朝着分散型智能方向发展。

这是实现管

道自动监控的首要突破点，是一项重要的硬件开发任务。

残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

SCADA系统是用工业上普遍接受的标准所制约的组件块组合起来的，其组合构成因工程而异，因对工程控

制功能的要求而异，因对计算机系统的建立方式而异。

这个系统是不能够购买定型的，对任何一条管道都存

在一个新开发的过程，包括它的硬件组成及软件系列。

这项工作应在国内成立一个专业性的SCADA技术研究开

发机构来进行。

这是一项重要的系统软硬件开发业务。

酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

建立SCADA系统的整套计算机系统，所用的微型计算机是一种大规模集成电路技术，功能齐全，使用方便，

易于扩展。

用一台小型计算机作为主机，配备多台以微处理机为基础的远程终端装置，即组成具有远距离数

据采集和显示的、人机对话的、远程控制及数据处理功能的SCADA系统。

彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

计算机硬件组成之后，与之配套使用的系列软件开发，即成为该管道独具特点的SCADA系统所必需；系列

软件的主要部分包括：

基本SCADA软件、支持软件和应用软件。

而具体管道的应用软件又可以包罗万象，用来

体现该管道所特有的复杂要求。

謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

SCADA系统的构成有检测装置、数据采集与就地控制装置（RTU）、中央主控站、通信系统及软件。

SCADA

系统的控制过程是由设在控制中心的主控计算机对远程终端装置RTU进行定时询问，把分散在各个站的情况通

过通信线路传送给中央主控计算机进行全线的统一管理和监视控制。

而各个站的监视控制一般由RTU或可编程

序控制器来独立完成，泵站可以无人值守，从而形成可靠的计算机网络式分布控制系统。

厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

SCADA系统的控制功能：

监测流量、压力和温度；启／停泵；开、关调节阀；执行逻辑／顺序控制；泄漏

检测及清管控制等。

一些较先进的SCADA系统还具有偶然事故分析；费用风险管理；流体质量／组分跟踪；合

同监督，销售时机分析以及仪器校正等功能。

茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

管道自动监控系统所能达到的水平，基本为站内无人值守，全线经SCADA系统进行远距离集中监视与控制。

管道全线通常按三级设计：

第一级：

控制中心集中监视与控制；第二级：

站控；第三级：

就地手动控制。

在

一般情况下，使用第一级控制（站内无人值守），这是SCADA系统设计的目的控制级。

但是，当通信（如微波

通信。

光纤通信等）出现故障或控制中心主计算机发生故障时，可使用第二级控制，这是一种后备手段，当

发生紧急事故或设备检修时，可使用第三级控制。

鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。

11.1.2 SCADA系统的构成方式

输油管道所采用的现代SCADA系统的配置形式，如图11-3所示。

SCADA系统的指挥中枢——主机或中央处

理机（CPU）通常是按冗余（双机）配置形式提供的。

利用已编制成的程序，主机可与从控制中心的操作员控

制台到安装在现场的RTU（或PC，下同）的所有系统组成设备进行通信。

控制中心的操作人员能够在安装有一

台或几台彩色CRT和键盘的控制台上，监视该系统运行的实时数据信息，并向RTU发出操作命令，实现远方控

150

制。

该系统的外部设备，如彩色CRT显示终端、打印机等，均可为两台主机共享。

一旦在线（联机）监控的主

机发生故障，外部设备即可自动地切换到备用的主机上。

籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。

图11-3 输油管道现代SCADA系统配置图

系统中还安装有一台或几台以微处理机为核心的工程师/程序员终端，配有CRT、键盘和打印机，用以完

成“多重任务”，如程序编制、修改和工程计算、管理等。

它与备用主机共用文件。

預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。

现在，一台主机能与上百台或更多的RTU通信并对其进行控制。

现代的SCADA系统，则采用以微处理机为

基础的通信控制器，通过调制解调器（MODE）及通信媒质（如电话线、微波线路、光纤或卫星线路）来控制

系统的通信。

主机监控RTU的数量，取决于控制中心主计算机处理、存储能力的大小。

渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

SCADA系统中，无论是控制中心的主机系统或是现场的RTU，通常采用不间断电源设备（UPS），以保证无

论在电网正常供电或者短期故障停电情况下，整个供电系统都能可靠地工作，从而确保SCADA系统的正常运转。

铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

11.1.3 SCADA系统的功能

在管道运输中，管道的自动监控系统尤为重要，它直接关系到管道的正常运行，为解决这些特殊工艺要

求，并适应现代管理方式，管道自动监控系统通常采用先进的SCADA系统对全线进行监视、控制和管理，以达

到安全输送、科学管理、降低消耗、提高经济效益之目的。

擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

（1）控制中心主计算机功能。

控制中心主计算机按顺序对每一台RTU定期进行查询，其主要功能如下：

①监视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，包括有：

a．检测量：

进出站油温、油压；首站、末站和分输站流量；输油泵机组（包括原动机及辅机）的有关数

据；油灌液位、油温及储油量，泵机组进出口油温、油压及流量，燃料油压力及流量；泵站出站压力调节间

的开度及阀前、后压差；站母线电压、输油泵电机电流等。

贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

b．报警信号：

油品进站压力过低，出站压力过高；油灌液位（高、低）超限；停电。

输油泵机组故障停

运；出站调节间故障；输油泵机组轴承温度过高，振动量过大；安全阀。

泄压阀动作等。

坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

C．状态量：

输油泵机组、出站调节阀和主要阀门的运行状态。

②向RTU发布命令，通过RTU进行远方操作、控制，主要有：

a．从远方各输油站PLC采集数据，监视各输油站工作状态及设备运行情况。

记录重要事件的发生，工艺

参数及设备运行状态参数超限报警，显示、打印报警报告。

蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

b．给远方各输油站的PLC发送指令（同时进行指令记录），程序自动启停机组、开关阀门及自动切换工

艺流程。

買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

c．对需要调节的主要参数如压力、油温、流量进行远方给定和自动调节，对各输油站的工艺参数及设备

运行状态参数的报警值及停机（跳闸）设定值可进行远方修改。

綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

151

d．显示管道全线的工作状态，打印管道全线运行报告。

e．对管道全线密闭输送进行水击超前保护控制。

f．对管道全线进行实时工艺计算和优化运行控制。

g．对管道全线进行清管控制。

h．对管道全线及各站运行的设备状态及工艺参数进行现行趋势显示和历史趋势显示。

i．对系统设备的

故障与事件等具有自检功能。

驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

j．用系统的外围辅助设备进行数据库编制和显示图像编制。

（2）就地控制系统RTU的主要功能

①过程变量巡回检测和数据处理；

②向控制中心报告经选择的数据和报警；

③提供画面、图象显示；

④除执行控制中心的控制命令外，还可独立进行工作，实现PID及其它控制；

⑤实现流程切换；

⑥进行自诊断程序，并把结果报告控制中心；

⑦提供给操作人员操作记录和运行报告。

（3）数据传输系统功能

SCADA系统的数据传输系统是一个重要的环节。

它利用各种通信线路，把主计算机与分散在远处的RTU有

机地连接起来，实时进行数据信息的交换和处理。

猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。

11.2 SCADA自动监控系统软件

11.2.1 软件构成

自动控制系统必须有软件的支持才能进行工作。

现代SCADA系统能否运行成功，将取决于软件。

SCADA系

统软件分为控制中心软件和站控系统软件；它们通常又可分为系统软件、过程软件和应用软件。

系统软件包

括操作系统、诊断系统、程序设计系统以及与计算机密切相关的程序。

系统软件质量的好坏对过程软件、应

用软件能否正常工作及编制程序、调制程序的方便性有直接影响。

锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

过程软件一般由计算机系统供应厂家提供，用户有时可根据需要进行修改，通常是模块化，采用填空式

或对话式进行编制。

構氽頑黉碩饨荠龈话骛。

应用软件是在过程软件的基础上编制出来的，是面向用户本身的程序。

它由用户、咨询公司或系统供应

厂家研制开发。

应用软件是SCADA系统最重要的组成部分。

輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

（1）控制中心软件

（a）系统软件。

系统软件包括如下内容：

数据库管理软件，管理和监视主计算机系统实时多功能软件，系统安全保护软

件，故障检测及恢复软件，主计算机网络软件，系统生成和初始化软件，用于维护和修改软件系统的实用程

序软件，程序开发，编译用户编写的高级语言程序等。

尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。

（b）过程软件。

过程软件包括如下内容：

数据库管理软件，网络通信控制软件，信息采集系统软件，报警显示生成、趋

势显示软件，报告生成软件，系统重新启动软件等。

识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

（c）应用软件。

应用软件包括如下内容：

管道操作监视、控制软件，报告、检测及实时管道模拟软件，水击控制软件等。

（2）站控系统软件

站控系统软件一般包括下列内容：

操作系统软件，数据采集、记录、处理、显示、监视、趋势显示软件，

报警和正常停机控制软件，站压力闭环控制软件，泵机组或设备控制软件，故障诊断软件，与控制中心和其

它站的通信控制软件，其它控制及站应用软件等。

凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。

11.2.2 软件介绍

目前，国际上开发、研制的用于长输管道自动监控的系统软件比较丰富，使数据采集与监控系统和应用

水平不断提高。

在此，简要介绍几种目前在自动监控领域较先进的系统软件。

恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

1．目前在自动监控领域中占有领先地位的 Window NT操作系统下的 S／3 SCADA系统

美国GSE公司开发、研制的Window NT操作系统下的S/3 SCADA系统软件（Version 4.1）（以下简称 S／3

SCADA NT系统软件）是一个比较成熟的系统软件，它集现代控制技术、管理技术、计算机技术、数据库技术、

网络技术、通讯技术和视频技术于一身，紧跟新技术的发展，特别适用于输油长输管道。

S/3 SCADA NT系统软

152

件是在传统的 S/3 SCADA系统软件的基础上，为了适应不断发展的市场需要而开发的新型软件。

鯊腎鑰诎褳鉀沩懼

統庫。

（1）S/3 SCADA NT系统软件的功能。

S/3 SCADA NT系统软件是一个具有良好界面的信息管理和监控系统软件，它将传统的S/3 SCADA系统与先

进的图形操作、信息管理和事件应用软件相结合，可以实现广泛的商业信息共享的开放式环境。

S/3 SCADA

NT系统软件是信息技术与 SCADA技术的集中体现。

S/3 SCADA NT系统软件提供了很多的系统服务和强有力的交

互功能，这些功能由后台软件模块和图形软件模块接口组成，它允许与 S/3 SCADA系统直接连接，例如与S/3

Inst Alarm（事件显示软件）连接。

S/3 Inst Alarm软件可以在 PC或工作站的控制台上实施管理、显示和打

印所有系统软件及报警信息。

S/3 SCADA NT系统软件的主要功能如下：

硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

①通讯服务。

专用的 NXS 通讯服务软件是 S/3 SCADA NT 系统软件的核心，它提供了 SCADA 系统与 IED（智

能电气设备）之间的连接。

同样，NXS 提供从 IED 获得用户配置的数据，并且有用户可以从 SCADA 系统和应用

中存取数据的功能。

阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。

②系统配置。

S/3 SCADA系统的配置是通过 S/3 Architect图形接口软件来实现的。

该接口软件允许用户

以图形方式配置整个S/3 SCADA系统，它使用了精美的窗口技术和下拉菜单技术，也可以单步使用接口进行系

统配置。

从最基础的点数据的输人到整个系统服务器的配置，全部都是使用同一工具软件来完成的。

S/3

Architect软件是用于定义和配置全部S/3 SCADA系统的单体结构，它可以为S/3 SCADA系统按树型拓扑结构配

置全部节点、通道、设备以及输人模块。

它可以建立和维护系统数据库，分配现场设备与I／O点间的地址。

系统数据库是S/3 SCADA系统的核心，它可以定义系统的节点、进行数据查询、访问控制表，并产生事件及报

警信息。

S/3 SCADA系统数据库按其拓扑结构可分为四层：

即节点层、通道层、设备层和输人模块层。

S/3

SCADA NT系统软件即没有配置数据库通讯通道数的限制，也没有分配给SCADA系统服务器节点的通讯通道数的

限制。

每个通道有一个相关的XMS通讯服务通道驱动程序来完成IED的集成。

氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

③事件管理系统。

事件管理系统（Event Management System EMS）是 S/3 SCADA系统的主要功能之一。

EMS可以提供遍及SCADA系统与管理，显示和事件处理有关的能力。

釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

④图形管理系统。

图形管理系统（Total Vision）是基于SL—GMS图形库用于建立图形显示的多平台的工

具库，是当今在工业领域最有力的用户接口之一。

它为系统管理人员提供了多窗口，丰富的标准显示元素和

精美的图形目标库，并大大地简化了显示设计，可以自由容易、快速地以所需的格式存取、组织当前的信息。

怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。

⑤历史信息。

S/3历史信息数据记录程序（S/3 Information Historian）是一个事件驱动的历史记录软件。

S/3历史信息软件记录了点数据在变化时数据的值和状态，它可以捕获全部短暂的值和状态，而不管它的频率

变化的多快，也不像传统的方式以时间轴作为记录方式。

该软件还可以完成数据的归并、分解和向上滚动等

进入标准的关系数据库表。

此表可以通过标准的SQL程序调用。

谚辞調担鈧谄动禪泻類。

⑥分配数据服务。

这是S/3 SCADA系统的DCE（分布式运算环境）用户配置，分配数据服务程序（DDS），

为用户提供了系统范围内命令的自动定位功能，而不需要知道其物理位置。

在服务器和网络故障的情况下，DDS

可以作为冗余服务。

DDS使用了用户结构的开放式系统建立分布式运算环境标准。

嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

（2）S/3 SCADA系统的兼容。

S/3 SCADA系统是一个完整的系统，它可以在不同的计算机上运行Window NT操作系统，也就是说在品牌机

上SCADA软件是可以运行的，在兼容机SCADA软件同样可以运行。

在一种硬件配置上运行的（例如：

lutel）

S/3 SCADA NT软件，同样其它硬件配置（例如：

DECR的 Alpha—AXP）也可以运行。

由于 SCADA系统的规范设

计，目前可以支持1000 I/O点的SCADA系统软件，同样也可以支持未来的100000 I/O点的SCADA系统软件。

S/3

SCADA系统将随着时代的发展而发展。

熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

（3）S/3 SCADA  NT系统的硬件平台和软件环境。

①硬件平台。

a．计算机 80486。

pentium，Pentium Pro或 DEC Alpha—AXP个人计算机工作站；3.5 in（1.44MB）高密软

盘驱动器。

鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

b．存储器（RAM）。

SCADA系统服务器最小要有64MB内存，操作员工作站最小要有32MB内存；

c．硬盘。

1.2GB以上容量；

d．监视器。

已安装的具有 Microsoft Window NT版的 VGA或高清晰度的适配器。

e．CD ROM驱动器。

②软件环境。

a．操作系统工程。

Microsoft Window NT工作站或服务器；

153

b．数据库。

可选择工业标准的关系型数据库管理系统。

例如：

Oracle、Sybase或Microsoft SQL—Server

等；纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。

c．系统软件。

分布式运算环境，它为SCADA系统的用户提供了全方位的服务；

（4）S／3 SCAD NT系统的评价。

①先进性。

该系统的硬件部分没有依赖性，全部采用市场上流动的标准产品。

例如：

太平洋输油管道控

制中心的服务器为 Millennia PC微机，网络产品以 3COM的居多，易于系统的集成和维护。

RTU是根据用户的

需要可以随意配置。

网络协议是多方面的，编制语言以C语言为主。

数据库的采用与MIS系统是一致的，有

Oracle、Sybase和Microsoft SQL—Server等工业标准的关系型数据库管理系统供选用，它们是开放式的记录

格式可供系统享用。

对于 S/3 SCADA系统来讲，节点与通道的配置是不受限制的。

S/3 SCADA NT系统软件可与

在线仿真系统连用。

颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。

③可靠性。

提高 SCADA系统的可靠性，SCADA NT软件有分层限权保护功能。

可为每一名系统管理人员和调

度操作规程人员赋一个口令和操作名。

主要系统软件可采用冗余结构，系统出现故障时，数据可以自动重新

定位。

濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

③实用性。

数据库与应用程序的维护可以远程与现场两种方式进行，这取决于所选用的RTU设备。

随着应

用的改变，系统可以进行升级。

系统共可管理工程点达10万个。

具有窗口式会话功能。

是否采用冗余系统完

全取决于用户的需要。

在 PCI作站与 S／3 SCAD服务器之间提供了 DDSLink数据通讯软件，可与Microsoft

Word和 Microsoft Excel连接，实现实时报表的自动生成与更新功能。

DDSLink软件可以利用 DDE（Dynamic

Data Exchange动态数据交换）和DCE（Distributed Computing Environment分布运算环境）通讯协议建立实

时的动态数据，并可以实现对系统的配置和数据的管理与维护。

銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。

（5）系统存在的问题。

汉化方式分成内核汉化和界面汉化两种，目前该系统只有界面汉化并且处于考机阶段，有待于进一步做

工作。

2．具有良好界面和兼容性的OASYS 5.2系统软件

该软件是加拿大VALMET自动化系统公司开发的。

OASYS 5.2（以下简称OASYS）系统具有良好的界面，能很

好地与其它软件兼容。

应用该系统可实现全线启停高度自动化，在管道自动化管理方面可达到世界先进水平。

挤貼綬电麥结鈺贖哓类。

（1）OASYS系统的结构。

开放式OASYS系统具有良好的界面，能方便地与其它公司的软件兼容，更加完善了SCADA系统的功能。

分散式OASYS系统将SCADA系统分成若干功能块，再将这些功能块放在不同的计算机上，每个计算机需完

成相应的SCADA功能，如此整体完成全部的SCADA系统功能，其特点是具有较高的可靠性。

赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。

①OASYS系统的组成。

OASYS系统主要由CMX实时数据库软件包、XOS运行调度人机界面和XIS历史数据库软

件包组成，见图11-4。

塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。

图11-4 OASYS系统的组成

a．CMX实时数据库软件包。

CMX实时数据库软件包主要负责对现场设备、仪表的监视与控制，是OASYS系

统的核心，为开放式结构。

该软件包主要功能如下：

裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。

（a）定时运行程序和打印报表（告）；

（b）双机冗余切除；

（c）主机与RTU或PLC间的数据通信；

（d）系统信息记录；

（e）为XIS、XOS等提供实时数据；

（f）可对CMX数据库中的实时数据进行在线运算处理；

（g）实时趋势图。

b．XIS历史数据库软件包。

XIS历史数据库软件包为关系型数据库，是SYBASE公司的产品，VALMET公司仅

154

作了少量的改动。

XIS主要用来将CMX数据库中的实时数据归档存储起来，以备历史趋势图和打印报表之用。

XIS

提供大容量冗余切换的外部存储器，如同CMX，两个冗余切换的XIS运行在不同的计算机上，保证了系统的可

靠性。

仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。

C．XOS运行调度人机界面。

XOS为另一公司（KNESIX公司）所开发的图形软件包，VALMET公司对其作了较

大的改动，使其适合于SCADA系统的要求，该软件包的作用是绘制控制流程图并将绘制好的控制流程图动态显

示出来，提供给运行调度作为人机界面。

调度员通过XOS完成SCADA功能。

用鼠标器在屏幕上轻击功能键，调

出一幅画面，也可以轻击控制键，控制现场设备。

绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。

②OASYS系统的启动。

OASYS系统启动可分为两部分，即