1、概述 1.1橫河SCADA系統(tǒng)簡介 橫河SCADA系統(tǒng)主要包括三大部分：除了傳統(tǒng)意義的數(shù)據(jù)庫、人機(jī)界面HMI和遠(yuǎn)程終端單元RTU，還包括安全聯(lián)鎖系統(tǒng)ESD。其中數(shù)據(jù)庫和人機(jī)界面軟件是橫河的FAST/TOOLS，該軟件包安裝于服務(wù)器和一般PC工作站，用于數(shù)據(jù)的采集存儲，流程畫面的顯示等。遠(yuǎn)程終端單元是橫河的STARDOM控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由傳統(tǒng)PLC控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，用于提供給各種現(xiàn)場儀表接口，采集各種儀表的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一般邏輯控制，并將數(shù)據(jù)上傳給人機(jī)界面或從人機(jī)界面接收操作命令并將命令實(shí)現(xiàn)到現(xiàn)場控制閥等儀表。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)是橫河的PROSAFE-RS控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合安全等極SIL3，用于工藝中的安全聯(lián)鎖邏輯和一些緊急關(guān)斷的執(zhí)行。 當(dāng)然介于這三個部分之間是必不可少的通訊網(wǎng)絡(luò)部分，其中FAST/TOOLS和STARDOM之間一般采用光纖以太網(wǎng)通訊，也可以采用衛(wèi)星、無線等通訊方式。而FAST/TOOLS和PROSAFE-RS之間可以用同軸電纜、串口電纜通訊或橫河專用的Vnet/IP電纜。 橫河SCADA系統(tǒng)常用于石油、天然氣開采，石油、天然氣管道輸送等上游行業(yè)，同時也可以用于水處理，水輸送，電廠工業(yè)現(xiàn)場。 1.2 FAST/TOOLS簡介 從通俗角度講，F(xiàn)AST/TOOLS是一個HMI軟件。FAST/TOOLS 意義為Flexible、Advance、System、Techniques、TOOLS，它具有靈活可靠的特性和先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢。它可以給用戶提供集成的TOOLS（工具包）解決方案，包括以下功能： [list] [＊]圖形化操作員界面； [＊]報警處理與管理； [＊]歷史數(shù)據(jù)存儲與回裝； [＊]趨勢圖顯示； [＊]面向?qū)ο蟮倪^程建模； [＊]提供與其它應(yīng)用系統(tǒng)的接口； [＊]報表生成； [＊]跟蹤審計； [＊]可編程的順序控制； [＊]用戶應(yīng)用開發(fā)； [/list] 1.3 STARDOM簡介 [align=center] 圖1.2 橫河Stardom控制器[/align] 橫河Stardom是一個基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)（NCS），其定位介于低端的PLC控制器和高端的DCS系統(tǒng)之間。其控制模塊上提供直接的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，因此非常方便用于以以太網(wǎng)為控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中。 從硬件角度來講，它是一個模塊化的系統(tǒng)，按不同功能分有底板模塊、供電模塊、CPU控制模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊以及串口通訊模塊等。并提供標(biāo)準(zhǔn)的19英寸安裝尺寸。其中供電模塊、控制模塊和網(wǎng)絡(luò)接口都采用冗余配置。 從軟件角度來講，它以IEC61131標(biāo)準(zhǔn)語言作為邏輯編程語言，其中包括功能塊（FB）、梯形圖（LD）、順控圖（SFC）、結(jié)構(gòu)體文本（ST）、指令表（IL）。同時支持多種通訊接口（協(xié)議）：如TCP/IP、OPC、HART、Foundation Fieldbus、Web服務(wù)器和E-mail服務(wù)器。 1.4 PROSAFE-RS簡介 [align=center] 圖1.3 橫河Prosafe-RS控制器[/align] 橫河PROSAFE-RS是一個緊急關(guān)斷系統(tǒng)或安全儀表系統(tǒng)（ESD/SIS），符合IEC61508標(biāo)準(zhǔn)國際安全完整性等級SIL3。本系統(tǒng)采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范安全編程方式，通過安全軟件和硬件的協(xié)同工作 ，保證安全信號采集和處理的可靠性。 PROSAFE-RS可用于石油、天然氣開采，石油、天然氣輸送，煉油廠，烯烴廠等工業(yè)現(xiàn)場的安全控制。主要負(fù)責(zé)事故緊急停車，閥門緊急關(guān)斷，火災(zāi)氣體檢測報警控制等。并通過PC工作站對生產(chǎn)過程中所發(fā)生的與安全有關(guān)的事件作記錄。 2、天然氣管道輸送的應(yīng)用 2.1、 天然氣管道輸送 天然氣輸氣管線一般具有管線長、距離遠(yuǎn)，控制點(diǎn)分散，控制工藝相對簡單等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)再綜合性價比等因素宜采用SCADA系統(tǒng)。 下面舉例橫河于2005年底投入現(xiàn)場使用的珠海－中山天然氣管道SCADA系統(tǒng)來詳細(xì)介紹橫河SCADA系統(tǒng)在天然氣管道輸送中的運(yùn)用。 2.2 、珠海－中山天然氣管道工程概況 珠海－中山天然氣輸送管線起始于廣東省珠海市橫琴島，終止于廣東省中山市南朗鎮(zhèn)橫門，包括一條干線和兩條支線，全長64.5公里。全線共設(shè)工藝站場5座，截斷閥室5座，其中站場包括橫琴首站，南屏分輸站、南朗分輸站，洪灣電廠末站、橫門電廠末站，截斷閥室包括洪灣分輸閥室、坦洲分輸閥室、金鼎分輸閥室、翠亨分輸閥室、橫門分輸閥室。 該管線已于2006年2月全線投產(chǎn)供氣，采用橫河SCADA系統(tǒng)作為管線自控系統(tǒng)，目前系統(tǒng)運(yùn)行良好，為客戶的生產(chǎn)節(jié)約了勞動成本，提高了安全可靠性，帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。 2.3、珠海－中山天然氣管道SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如下圖所示，為珠海－中山天然氣管道SCADA項(xiàng)目的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。整個SCADA系統(tǒng)分調(diào)度中心、站控系統(tǒng)、閥室RTU、通訊網(wǎng)路幾部分。 調(diào)度控制中心的主要任務(wù)是通過各站的站控系統(tǒng)或RTU/ESD對該站場和閥室進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，同時實(shí)現(xiàn)管道模擬、輸送計劃、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、計量管理、模擬培訓(xùn)等任務(wù)。調(diào)度控制中心的操作人員通過計算機(jī)系統(tǒng)的操作員工作站所提供的管道系統(tǒng)工藝過程的壓力、溫度、流量、密度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，完成對管道全線的運(yùn)行監(jiān)控和管理。操作人員還可通過調(diào)度管理計算機(jī)完成輸送計劃、貿(mào)易結(jié)算等調(diào)度管理工作。 站控系統(tǒng)和閥室的RTU將完成對本工藝站場或閥室的監(jiān)控及連鎖保護(hù)等任務(wù)，并接受和執(zhí)行調(diào)度控制中心下達(dá)的命令。通訊網(wǎng)絡(luò)則是沿線各站控系統(tǒng)、閥室RTU與調(diào)度中心相互間交換數(shù)據(jù)的紐帶。 2.4 調(diào)度中心 調(diào)度中心設(shè)有2臺SCADA冗余服務(wù)器、1臺工程師站、2臺雙屏操作員站、1臺報表打印機(jī)、1臺報警打印機(jī)、1臺彩色趨勢圖打印機(jī)，另外還有1臺培訓(xùn)工作站、2臺管道仿真和漏點(diǎn)檢測（LDS）工作站、1套大屏幕投影系統(tǒng)、1臺GPS網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器、1臺硬件防火墻，以及冗余的交換機(jī)和路由器各2臺。 SCADA服務(wù)器安裝FastTools服務(wù)器端軟件，這里采集整個管線的所有實(shí)時工藝數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，并將相關(guān)數(shù)據(jù)作歷史存儲。SCADA服務(wù)器采用冗余配置，即任何情況下只有1臺服務(wù)器處于工作狀態(tài)，另外1臺服務(wù)器處于備用狀態(tài)，一旦處于工作狀態(tài)的服務(wù)器發(fā)生故障，控制功能將立即自動切換到備用服務(wù)器中，而且任何時候兩臺服務(wù)器上的數(shù)據(jù)將自動同步一致。 操作員站安裝FastTools客戶端軟件，這里聚集了整個管線的所有動態(tài)工藝流程圖，作為SCADA服務(wù)器的客戶端，它的所有數(shù)據(jù)取至SCADA服務(wù)器，它只提供圖行操作界面，相當(dāng)于圖行工作站?，F(xiàn)場生產(chǎn)操作人員的所有與生產(chǎn)有關(guān)的操作、調(diào)度都將通過這2臺操作員站完成。 工程師站安裝FastTools客戶端軟件，同時也安裝本SCADA系統(tǒng)中的其它組態(tài)軟件，如Stardom和Prosafe-RS的編程組態(tài)軟件。用戶工程師可以通過工程師站對SCADA系統(tǒng)的組態(tài)、程序等作修改。 報表打印機(jī)將完成生產(chǎn)日報、月報，調(diào)度運(yùn)行日報、月報，計量日報、月報的答應(yīng)輸出，采用A3激光打印機(jī)。報警打印機(jī)采用點(diǎn)陣打印機(jī)，對生產(chǎn)過程中發(fā)生的所有報警信息和事件實(shí)時打印輸出。彩色趨勢圖打印機(jī)將主要提供趨勢圖的打印輸出功能，同時也滿足用戶打印相關(guān)流程畫面的需求。 培訓(xùn)工作站將安裝橫河FastTools、Stardom、Prosafe-RS等軟件，則用于對操作員如何使用橫河SCADA系統(tǒng)進(jìn)行日常操作的培訓(xùn)，也可以用來培訓(xùn)工程師熟悉橫河的SCADA軟件。 管道模擬仿真和漏點(diǎn)檢測（LDS）系統(tǒng)由第三方－英國ATMOS公司提供，其主要功能是作為輸氣管道控制和管理的工具，應(yīng)完成準(zhǔn)確地評價管道的過去、解釋管道當(dāng)前發(fā)生的事件、預(yù)測管道的未來等任務(wù)，為操作調(diào)度人員提供調(diào)度和操作參考，以保證管道安全、平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時它能提供漏點(diǎn)檢測功能，即如果整個天然氣輸氣管線某一個地方發(fā)生泄漏，通過軟件能判斷出泄漏所在地。該系統(tǒng)采用OPC協(xié)議從SCADA服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。 大屏幕投影系統(tǒng)則是完成將操作員站等圖行工作畫面放大的功能，以方便操作員和人員較多時監(jiān)控。 GPS網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器是整個SCADA系統(tǒng)的時間同步服務(wù)器，它通過天線定位衛(wèi)星，獲取最準(zhǔn)確的時間數(shù)據(jù)，然后SCADA系統(tǒng)的其它設(shè)備，如SCADA服務(wù)器、操作員站、RTU控制器、流量計量子系統(tǒng)等都可以作為GPS的客戶端來完成時間的同步。 硬件防火墻測試對整個SCADA網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備進(jìn)行防病毒和防入侵的保護(hù)。 此外交換機(jī)和路由器將連接到第三方公司提供通訊設(shè)別上完成通訊功能。 2.5、站控系統(tǒng) 首站、分輸站、末站等5個站場都各設(shè)有1套站控系統(tǒng)。 站控系統(tǒng)的最主要組成部分是遠(yuǎn)程終端單元RTU（或稱過程控制系統(tǒng)）和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)ESD。其中還輔以1臺操作員站、打印設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。 過程控制系統(tǒng)采用橫河Stardom控制器，將采集本站的一般的工藝過程數(shù)據(jù)。如進(jìn)站壓力、溫度，出站壓力、溫度，過濾器差壓，流量撬閥門開關(guān)控制，調(diào)壓撬溫度、閥門開關(guān)控制，流量調(diào)節(jié)等，這些信號中模擬量都采用標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA信號，數(shù)字量采用干觸點(diǎn)或24VDC有源節(jié)點(diǎn)。同時提供RS485接口給站場其它子系統(tǒng)或智能儀表，如流量計量子系統(tǒng)通過RS485接口采用MODBUS通訊協(xié)議將流量數(shù)據(jù)上傳給Stardom控制器，然后再上傳至站控操作員站和調(diào)度中心服務(wù)器，流量數(shù)據(jù)包括瞬時標(biāo)況體積流量、累積標(biāo)況體積流量、每日累積體積流量、每月累積體積流量等。 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)采用橫河Prosafe-RS安全控制器，主要采集一些站場和管線中的重要的壓力數(shù)據(jù)，和進(jìn)、出站總閥數(shù)據(jù)，并對進(jìn)、出站總閥門進(jìn)行安全聯(lián)鎖邏輯關(guān)斷控制。如發(fā)生緊急情況（如管線壓力超高），則系統(tǒng)將自動發(fā)出命令關(guān)閉進(jìn)站、出站閥門。同時Prosafe-RS安全控制器還提供給可燃?xì)馓綔y、火災(zāi)報警等子系統(tǒng)RS485接口，采集可燃?xì)鉂舛群突馂?zāi)報警數(shù)據(jù)傳給站控操作員站和調(diào)度中心。 站控操作員站將只采集和顯示本站以及本區(qū)域內(nèi)的閥室的工藝數(shù)據(jù)和動態(tài)流程圖。并提供報表、報警打印功能等。站控操作員站的設(shè)置主要是起輔助性作用，即當(dāng)站場與調(diào)度中心的通訊線路發(fā)生故障時，操作人員可以在站場內(nèi)對本站數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。下圖為操作員站流程圖示例： 2.6 、閥室RTU 5個截斷閥室在生產(chǎn)過程中是無人值守的，每個閥室內(nèi)都設(shè)1套遠(yuǎn)程終端單元RTU（或稱過程控制系統(tǒng)）。過程控制系統(tǒng)采用橫河Stardom控制器，采集本閥室內(nèi)的溫度、壓力、可燃?xì)鉂舛鹊葦?shù)據(jù)，并控制本閥室的氣液聯(lián)動閥。Stardom控制器通過交換機(jī)、路由器和其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如光纖等將數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度中心或附近的站場操作員站。 2.7、通訊網(wǎng)路 由于整個天然氣管線的各站場、閥室等都相距較遠(yuǎn)，有的幾公里，有的十幾公里甚至二十幾公里），所以采用光纖和郵電公網(wǎng)進(jìn)行通信。光纖通信作為主通信通道，郵電公網(wǎng)作為備用通信通道。當(dāng)主通信通道故障時，應(yīng)自動切換到備用通信通道上。該切換應(yīng)由SCADA系統(tǒng)自動完成并記錄備案。 IP地址識別和路由轉(zhuǎn)換由設(shè)在調(diào)度中心、站場和閥室內(nèi)的交換機(jī)和路由器來具體執(zhí)行和完成。