大型海外聚烯烃项目中CMADA系统的设计

吴弘

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

CMADA（Circuit Monitoring and Data Acquisition）电气数据采集监控系统，即电气领域的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统。应用范围很广，主要用于电力系统、石油、化工等生产装置电气数据的采集与监视控制等领域[1]。

CMADA系统是以计算机为基础的电气监控系统。它可以对变电所及现场运行设备的电气数据进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

1 CMADA在石化系统中的应用

由于石油化工生产过程具有易燃、易爆、有毒、有害的特点。为了确保企业生产安全、稳定、长周期生产，必须加强电气监控，保障生产设备安全运行。CMADA作为电气控制与数据采集系统，将先进的计算机技术、工业控制技术和通讯技术有机地结合在一起，既具有强大的现场测控功能，又具有极强的组网通讯能力。随着石化装置生产自动化水平不断提高，电气设备综合管理的重要性与日俱增，所以近年来，在石化装置中大量采用CMADA系统作为生产管理电气自动化控制系统。

2 CMADA体系结构

CMADA系统主要包括三部分组成，主站端，通讯系统和远程终端单元[2]。

2.1 主站系统

主站一般采用先进的计算机，有着良好的图形界面支持，主要用于实时数据和历史数据的挖掘工作，比如潮流分析、负荷预测、事故追忆、电网稳定性分析，能量管理等。作为CMADA主站系统，大的系统可能有几十个工作站，多个服务器。为了保证系统的可靠性，采用双前置，多服务器系统，两个网络。但是对于简单的CMADA主站系统可能就只有一台计算机，运行一套软件[2]。

通常主站系统分为两个层面，即客户/服务器体系结构。服务器与硬件设备通信，进行数据处理和运算。而客户端用于人机交互，如用文字、动画显示现场的状态，并可以对现场的开关设备进行操作。

由服务器，客户端构成的CMADA C/S结构中，可以有多个服务器，每个服务器可带有多个I/O设备。客户端可以访问一台或多台服务器。服务器可配置在不同的机器上，甚至不同的操作系统平台上，彼此分工协作，形成统一整体，构成了CMADA的分布式体系结构。

为了增加系统的可靠性，服务器端允许双机热备，重要场合可以一机多备。服务器双机热备一般是将两台机器配置相同，一台作为主站，另一台机器作为副站，主站完成服务器的正常工作，另一台与其同步。当主站故障时，副站接替主站的工作。主站与副站是相对的，可互换的。双机热备包含I/O通道的热备。由于多个客户可以同时访问一个服务器端，所以客户端本来就是多重的。

CMADA系统硬件设备一般可以通过串口(RS232)点到点方式连接，也可以用RS485，以太网等总线方式连接到服务器上。总线方式与点到点方式区别主要在于：点到点是一对一，而总线方式是一对多，或多对多。

2.2 通讯系统

目前CMADA系统的通讯方式主要有两种：有线和无线[2]。无线方式主要通过无线数据传输电台构成专用通信网，但存在着电台设备的更新和传输协议中数据传输检错、纠错能力等问题，其可靠性和有效性有待提高。有线方式比较多：架空明线，同轴电缆，光纤等。在有线上传输大体分为基带传输和调制传输，基带传输在介质上传输的是数字信号。调制解调传输是要经过模拟数字变换的传输。目前有线网通讯技术的可利用率更高，发展前景较好。

2.3 远程终端单元

远程终端单元RTU一般包括通讯处理单元、开关量采集、输出单元，模拟量采集、输出单元、和脉冲量采集、输出单元等构成。CMADA系统能够扫描远程终端单元RTU，对各种所需的参数进行实时监测，使操作人员能及时、准确地了解系统工况。

2.4 支撑硬件

2.4.1 CMADA系统要求连续工作，不得中断，所以对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。

2.4.2 监视器：可通过图形用户界面GUI访问CMADA数据库中所有的数据，并可通过报表方式显示时间信息和报警信息，使用历史数据库来显示历史和趋势数据。

2.4.3 用于系统输出的打印机系统，所有发生的报警事件均能通过A3网络激光打印机在线自动打印，并带有时间标签和报警原因。

3 系统重要功能

3.1 设备各种参数状态数据的采集和控制信息的发送

这部分涉及两个含义：一是怎样采集电气设备参数状态数据？它通常由智能综保生产厂家解决，并提供可编程的通讯协议和协议处理芯片；二是设备状态数据如何传递到主机系统处理？目前主机通常通过标准串口或I/O卡运行专用的上层采集模块，从智能综保中实时地采集设备各种参数的数据和发送控制信息；解决问题效率的高低表现在采集周期的长短上，这也是衡量一个系统是否适合于某个行业的一个重要指标。目前主机系统可以达到平均毫秒级的采集周期。

3.2 实时数据库

先进的监控组态软件都有一个实时数据库作为整个系统数据处理、数据组织和管理的核心。实时数据库无缝地集成了数据库与定时性，利用实时数据库可以完成以下应用：

（1）记录实时过程的历史数据，用于过程存档、历史数据查询、事故分析、系统建模等。

（2）连接各种类型的监控设备（如：智能综保、马达控制器、变频器等），配以监控界面，实现自动监控。

（3）通过数据库网络通讯功能构建分布式应用系统。

3.3 人机界面

人机界面由很多窗口组成，窗口包含图形和文字。文字和图形可动态变化。如文字可显示现场I/O量的大小，图形的颜色变化表示现场状态量的改变等。

人机界面开发环境中提供了各种绘画工具，如：画矩形、椭圆、文字、位图等工具。将采集的数据，用计算机图形技术展示给用户。同时提供了动画连接手段，使图形、文字等与现场的数据相关联。现场数据变化则画面上图形颜色、位置等也相应改变，通过观察画面上的图形文字就可以知晓现场的状态。比如在图上存在一个指示灯，与实时数据库内的一个离散变量X进行动画连接，那么当X=0时指示灯为绿色，X=1时指示灯为红色。

CMADA系统还需提供可以开发复杂图元和对象图元的工具，让用户可以根据自己的需要开发图元。这是因为一个软件即使功能再强大，提供的图元再多也有可能满足不了用户的所有需求。

趋势图是人机界面不可缺少的组成部分。趋势图以曲线的形式显示过程数据库中实时数据或历史数据。一般实时数据和历史数据分别在不同的趋势图中显示。一幅趋势图中通常可以显示多条曲线，曲线可以放大、滚动。

报表是人机界面的重要组成部分。开发环境提供专门的报表生成工具，方便的形成各种报表。报表中的数据可以有瞬时值、历史值、统计值。还可以让报表定时打印。另外，还可以利用CMADA的Excel插件，用MsExcel生成报表。

此外，在人机界面中还有许多其它种类的组件，如：XY曲线、报警浏览、总貌等。另外，人机界面几乎都是OLE容器，可以嵌入OLE对象，或ActiveX控件。

3.4 报警与事件

报警是过程状态出现问题时发出的警告，同时要求操作人员做出响应。当一过程值超出用户自定义的极限时，譬如模拟量超出了上限值，报警即被触发。报警模块主要包括如下类型的报警信息。

开关量输入状态变化报警，指开关量输入信号的状态发生改变，如断路器的位置从合变为分。这种状态变化可能对系统的运行有严重的影响。

模拟量超限报警，指模拟量超过或者低于设定的限值，比如电机绕组或轴承温度高于设定值，这种状态的可能会导致设备安全事故。模拟量报警一般包括上上限、上限、下限、下下限等，有时用颜色加以区分。

其他报警包括变化率报警、偏差报警、异常报警等。更复杂的报警可以通过对测量值进行数学运算，然后对运算结果进行报警检查而产生。发生报警后，操作员可以通过报警画面对报警进行“确认”，“确认”就是告诉系统我知道了发生的事，以免系统再次提醒。报警信息，报警确认信息，报警恢复（报警消除）等信息都可以被系统自动记录下来。报警按照重要程度可分为多个优先级，如：低级、高级、紧急。

报警发生时系统可以通过多种方式通知用户，如：弹出报警窗、发出声响，甚至可以发送短信或电子邮件。报警事件会被写入历史报警记录，如有需要，可将它打印出来。

事件表示了系统正常状态时的消息，当某一系统条件满足时，事件即被触发，它不要求操作人员响应，其查询和记录方法与报警相同。

3.5 事故追忆和趋势分析

监控的另外一个目的是评价生产设备的运转情况和预测系统可能发生的事故。在发生事故时能快速地找到事故的原因，并找到恢复生产的最佳方法。

为了分析系统出现故障时系统的状态，便于找出事故原因，需要知道各个重要点数据和时间。这就需要事故追忆(SOE)。SOE事件记录的实质是具有时标的信息（也就是在信息上打上时间标签），主站端需要把这些数据读出来并显示，存入历史报警数据库中。从这个意义出发，实时历史数据的保留和系统操作情况记录变得非常重要。因而评价一个CMADA系统，其功能强弱最为重要的指标之一就在对实时历史数据记录和查询的准确和高效上面。

SOE系统需要整个系统的时钟同步，而且要求同步精度很高（1mS），所以对整个系统要求很高。过去很难有一种办法解决这个问题，现在的网络时钟同步和GPS可以很好的解决。

3.6 历史数据存储

历史数据是整个CMADA系统的财富。历史数据是按照时间或者其它规则把实时数据转成历史记录。历史数据对于生产状况分析、实现先进/优化控制、以及生产事故分析非常重要，所有重要的电气数据都会进行长期历史保存。

历史数据的记录很庞大，一年的记录数据可能就有几个GB甚至几十个GB。所以对历史数据库服务器的内存和存储以及CPU的速度要求比较高。因为在数据挖掘的时候，需要大量的访问历史数据。为了节省存储介质空间，对保存的数据使用压缩保存。常用的保存方式有周期性保存和变化保存（数据只有变化到一定程度才保存）。

4 CMADA系统的设计要求

在CMADA系统设计时，系统选用的软、硬件，要求可靠性高、开放性好、适应性强，既能保持向下兼容，又能适应未来系统扩充的需要。要选择有实力，有经验的CMADA产品供应商。设计原则第一要采用标准化、通用化和系列化的计算机硬件产品。第二要采用符合国际标准或产业标准的成熟可靠的软件产品。软件要具有良好的模块化以及标准的互联接口，便于组成各种规模的系统及产品和技术的更新换代。第三要采用智能化自控设备，保证实时数据传递的快速、准确、有效、完整。

5 聚烯烃项目中的CMADA系统设计

聚烯烃项目包括三个大型生产装置：LLDPE、PP、PHU；每个生产装置均有自己独立的变电所和控制室。CMADA系统监控范围包括34.5/13.8/4.16/0.48 kV变压器，13.8kV、4.16kV中压开关柜、0.48kV低压配电柜和MCC柜，以及UPS和直流电源柜、报警盘等变配电设备。

CMADA系统及中、低开关柜的供货商是SCHNEIDER集团美国分公司SQUARED公司，CMADA现场设备层采用的是GE公司750、745、469等系列综合保护装置、智能型马达控制器等智能变配电监控/保护产品。这些产品适应各种电压等级，按设备对应分布式安装在各个开关柜内，与开关、变压器、机泵马达等设备直接联系，实现模拟信息、数字信息的采集、传输及控制等功能。智能设备间采用Belden 9481双绞线串接起来，将有关信息输送至网络通讯层的通讯控制器。同时这些产品不依赖于网络而独立完成对电气设备的保护监控等功能，实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。实时显示电气设备工作状态、运行参数、故障信息和事件记录、保护定值等。

网络通讯层产品采用施耐德公司的EGX400网关网络通讯控制器，使用Modbus，Ethernet TCP/IP协议。用于完成现场设备层和主站监控管理层之间通讯数据的上行和下达；控制器安装在各组开关柜的进线柜或电容器柜内，具有多种下行口配置可选，每个下行口最多可带32个智能通讯单元。其具有独立的前置机功能，可不依赖于主站监控计算机系统独立运行，完成通讯数据采集、协议转换、数据组态、总线转换、同时与主站进行数据交换，实现与上级监控系统信息资源共享。网络通讯层作为现场设备与监控管理系统之间数据信息交换的桥梁通道，处理解决配电系统监控回路多、信息量大、实时性差、设备通讯协议不统一、总线不兼容的通讯问题。

图1、图2、图3分别是中压开关柜、低压开关柜和MCC柜的内部网络通讯图。

CMADA系统需要整个系统的时钟同步，而且要求同步精度很高，所以系统采用GPS时间信号来同步所有的数据收集设备的内部时钟。GPS信号通过BELDEN 8760电缆在设备间串联，见图4。

主站监控管理层是CMADA系统最上层部分，分两级管理。即控制室的CMADA工作站及下属各自变电所的CMADA工作站，工作站由计算机硬件设备和系统监控管理软件等组成，用于监控各自区域配电系统、电动机的运行状态和智能保护继电器的参数数据。另外，通过硬接线直接接受来自进线及母联断路器的各种状态信号。

变电所的CMADA工作站负责对采集的现场各类数据信息自动计算处理，同时通过光纤以太网向控制室的CMADA工作站提供数据。控制室的CMADA工作站通过通讯接口与DCS（Distributed Control System）系统相连，实现数据交换和信息共享。

在控制室的CMADA工作站是人机交互的直接窗口，可利用监控管理软件和丰富友好的图形界面，显示整个配电系统电的监测数据、异常报警信号等，提供监测数据的报表、运行状态图、参数图和电能数据分析等画面。不同操作级别人员可根据不同的权限方便的进行远程参数修改、历史数据查询、时间报警记录查询和报表统计管理工作。实现整个变配电系统的遥信、遥测、遥控、管理等功能。

图1 中压开关柜内部网络通讯图

图2 低压开关柜内部网络通讯图

图3 MCC柜内部网络通讯图

图5、图6分别是变电站内CMADA网络通讯图和变电站与控制室之间的CMADA网络通讯图。

图5 变电站内CMADA网络通讯图

图6 控制室之间的 CMADA网络通讯图

6 结论

以前，大多数石化装置配电系统没有实现智能化控制。但随着具有网络通信功能的智能断路控制器、马达控制器、综合电量测控等仪表在配电柜上的应用，使得通过现场总线实现配电系统智能化成为可能。这样配电柜的电参量信息、马达，断路器状态信息，通过CMADA系统或主控室DCS电气界面，呈现给装置工艺人员，实现对各种用电设备的正常及事故情况下的监测、保护、控制、电力计量[3]。这就是以“四遥”监控、数字式保护、现场总线、计算机等技术为基本要求的CMADA智能配电监控管理系统，作为技术成熟的一种标准化的配置在石化装置中的应用。

[1] YPC-E15-S01_1 Electrical Power CMADA System [S].

[2] 王铁钢.SCADA系统[M/OL]. 北京易控微网科技有限公司.hppt://www.docin.com/p-598283620.html/2014-06-08.

[3] 吴泽生,吴艳萍.数字化电气监控管理系统的探讨[J].电力自动化设备,2004,24(1):94-97.