输气场站SCADA控制系统故障分析处理

马保合，陈 阳，刘 帅，孙宇明，廖贵枝

(1.中国石化中原油田分公司天然气产销厂，河南濮阳 457001 2.中国石化山东省天然气管道有限责任公司，山东济南 250101)

1 SCADA控制系统简介

随着科技发展，天然气管道输送和生产运行自动化程度越来越高，要保障长输管道及输气站安全平稳输送，就需要稳定性极高的自动化控制系统。

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与视频监控系统，可以对管道运行全过程进行动态监视、控制，对线路及设备状态进行诊断并采取相应的保护措施。输气场的SCADA控制系统由上位机、PLC、通讯服务器、串口服务器、ESD系统及通信系统组成(如图1所示),主要实现输气站内工艺数据采集、监视、控制，向调度中心传送实时数据，接受调度中心下达的工作数据等任务[1]。PLC通过与现场设备或仪表相结合，感知设备各种参数的状态，将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信网络传递到上位机系统中;通讯服务器通过转换数据格式、通信协议和电缆信号提供设备仪表与上位机的连接，并提供调控中心远程访问本地信息。第三方串口设备采用RS485或RS232接口进行数据传输。上位机系统包括调控中心工作站和输气站工作站，在接受PLC传输的数字信号后，以声音、图形、图象等方式显示给用户，以达到监视的目的，同时接受操作人员的指示，将控制信号发送到PLC中，达到控制现场设备仪表的目的。ESD紧急停车系统对生产中的超压、火灾、泄漏事件进行检测并处理，可以自动连锁触发全站停输，也可手动触发使全站停输及放空，确保人员安全、防止事故扩大。

2 SCADA控制系统在实际生产运行的现状

以投产3年的的某输气站为例，其上位机采用德国西技莱克的ViewStar站控软件,PLC为美国AB公司生产。整个系统的运行，是通过上位机ViewStar软件与现场数据进行实时读写。该输气场站SCADA控制系统在生产运行中主要存在上位机与现场仪表和第三方设备通讯状态故障、数据不一致、数据刷新慢、ESD误触发问题。针对各种故障问题，必须采取有效的处理措施，及时排除故障，保证系统的可靠运行。

3 SCADA控制系统运行故障分类及故障分析

3.1 上位机、现场仪表与第三方设备通讯中断和闪断

通讯的中断和闪断是实际生产中发生频率最高的，原因也较复杂，具体分析见表1。

以上分析是在多次排查解决的过程中总结而来，由表1看出，此类问题大部分是设备仪表硬件故障和传输线缆问题造成的。

图1 输气站SCADA控制系统组成

表1 上位机与现场仪表和第三方数据通讯中断和闪断故障分析

序号故障分类故障分析1现场设备仪表无显示、乱码①现场设备仪表无显示,分析为设备仪表本体故障、仪表进水导致短路烧毁24V线端子保险②现场设备仪表显示乱码,分析为信号电缆存在破皮漏电导致供电电压不足或是仪表模块故障2第三方设备的通讯信号中断①设备本体和通讯模块发生故障损坏,会造成传输信号中断②通讯接线不牢固松脱,会造成通讯信号中断③通讯线缆一般都敷设在防静电地板下,如果有鼠患,也可能将通讯线缆破坏而导致信号中断④设备无电停机或者是供电空开跳闸,导致设备无电,则通讯模块没有数据输出⑤进串口服务器前的浪涌保护器烧毁或分配器烧毁⑥多个设备数据同时不刷新,多是冗余串口服务器的其中一台故障停机3第三方设备通讯闪断包括火气系统通讯信号、固定式可燃气体报警仪通讯信号、恒电位仪通讯信号和者旋进旋涡流量计的信号通讯闪断。此类问题通常是雷击或大电流造成第三方设备的通讯模块故障、线路虚接、RCI(通讯服务器)配置问题造成

3.2 上位机的数据与现场仪表数据不符

输气站现场仪表数据自动录取到全生命周期管理系统[2]，个别关键点参数参与ESD连锁关联，数据准确性至关重要。数据不符的问题及分析见表2，在投产初期出现较多，在后期生产运行中出现少，主要是个别设备仪表出现，而且存在突发性。

从表2分析来看，阀门及设备故障主要是在投产初期出现多，现场数据上传不全面，而且波动较大，数据不符的问题不容易被发现，只有在不同工况下多次对比才能查清楚。计量仪表校验出现数据不一致，主要是校验后导致仪表恢复到了原量程，或者是仪表本体输出故障，由于AI模块通道故障导致的情况几率低。

表2 上位机的数据与现场仪表数据不符故障分析

3.3 上位机下达命令后设备无动作

输气站远程控制阀分两类：全开全关阀门是下发DO信号(数字量输出)，通过控制继电器吸合下达指令，带开度调节阀是下发AO信号(模拟量输出)，通过4～20 mA电流信号控制现场电动头工作。主要故障为上位机发出开关阀指令时，现场阀门无反应。此类问题主要是现场设备和控制电子元件故障导致。现场阀门存在卡阻，限位不正确，阀门有偏差报警未处理时都会造成无动作。电子元件继电器故障，不能吸合，DO、AO模块故障，不能正常输出指令时，阀门也无反应。

3.4 上位机的第三方设备数据刷新较慢

第三方设备的232/485数据信号通过分配器到串口服务器转换成以太网协议，通过通讯服务器上传到上位机，中间的任何一台设备出故障均会造成数据刷新慢，重点放在硬件检查上。分析原因有4个方面：①上位机与RCI的时间不同步，RCI长时间不间断工作，硬件老化，工作性能下降；RCI内部配置不高；②第三方设备(比如流量计算机、恒电位仪、UPS)后期不断地增加，数据采集量增大，工作负担加重；③网络中有网线虚接或断开的地方，这些使得RCI不能及时采集各种第三方设备的数据，即发生数据丢失，从而影响数据传输的稳定性；④流量计算机断电后，导致相邻的流量计算机上传到上位机的速度变慢。分析为相邻两台流量计算机的上传信号共用1个485分配器，如果停用其中一台，就会造成电流分流，电流降低，导致另一台数据传输变慢。

3.5 ESD紧急切断系统误触发故障

输气站的一级ESD触发后可以自动关断进出站阀门，自动打开放空阀进行全站放空泄压[3]。现输气站的ESD控制阀门的电磁阀均为24 V供电，均为失电动作，在实际运行中主要由于供ESD控制阀门的24 V直流电失电造成ESD触发，全站停输并放空，造成供气中断和经济损失。从往年触发记录观察，失电主要原因为上级供电漏电保护器跳闸，ESD控制线缆断路也可ESD误触发。

4 SCADA控制系统故障排查及处理措施

4.1 “上位机与现场仪表和第三方数据通讯中断和闪断”排查及处理措施

现场仪表无显示或乱码时，首先会在上位机上产生报警和描述，根据报警信息核对相应的仪表[4]，打开现场仪表后盖测量电压和输出电流，确认无电压或电流不正常，无电压则依次顺线路检查容易损坏的保险端子，保险损坏时更换即可。电流不正常则更换仪表即可，更换仪表后依旧乱码则是线路存在漏电故障，找出故障点或者更换线缆。

对于第三方设备通讯中断的故障，要先查看是否为设备停机或断电造成的通讯中断，查找设备本身停机原因，以重新恢复通讯。排除设备问题后，检查是否为设备通讯模块故障，需要在PLC机柜的进柜接线端子处，用调试笔记本接到来自第三设备的信号线，通过在电脑上运行modsacan软件来检测是否能够接收到第三方设备的数据。如果接收不到，则需查看来自第三方设备的数据线路是否有断路或设备本身存在故障。如果可以收到，则按照信号走向：第三方设备通讯线缆→普通端子→浪涌保护器端→信号分配器→主备串口服务器，逐步查看设备是否烧毁或不工作，对故障设备进行维修或更换即可。当多个设备同时通讯中断时，可先排查冗余串口服务器是否有一台故障。

第三方设备通讯闪断故障突然出现时，应首先检查第三方设备的通讯模块，参考通讯中断的检测方法，如果通讯模块传输信号有丢失，就更换设备通讯模块。有的设备维修更换内部配件后出现通讯闪断，则可以升级设备通讯模块来解决。如果通讯模块正常，按照线路走向查找有无虚接的问题，确认第三方设备信号传输正常，线路也没有问题，则可以通过更改通讯服务器的配置，增加通讯闪断的判断时间来解决。

4.2 “上位机的数据与现场仪表数据不符”排查及处理措施

现场阀门状态与仪表不符合：以某输气站的电动球阀“开到位”为例，电动球阀现场确认已经“开到位”，但是站控显示一直在“中间态”或者是“关到位”。首先查看PLC机柜对应的DI通道灯是否亮起，来判断“开到位”信号是否传输到PLC和DI模块对应的通道。如果PLC对应的通道灯未亮起，则证明数据没有反馈到，就需要检查现场到PLC之间的线路问题。

第三方设备数据与上位机不符合：此类问题多是系统组态时没有和厂家沟通好造成的，比如在某站的上位机显示的UPS的剩余电池容量数据与现场的UPS显示的剩余电池容量不符合，大了10倍，为1 440 Ah。经modsacan扫数确认数据采集与上位机显示的数据一致， UPS传输的数值为正常值，数据精确到个位，经和厂家沟通，上位机打开编辑界面找到这个点的详细信息，把值缩小10倍数据，比之前的精确到了小数点后一位。

温变与压变的数据与现场不一致：仪表检定后数据不一致，可通过查看PLC逻辑程序，量程设置是否与仪表一致，如不一致，只要更改PLC程序内仪表量程或者用手操器将现场仪表的量程进行更改，将两者量程统一即可。如果使用中站控数据与现场突然不一致，用万用表测试现场仪表的电流是否正常，如果不正常则是仪表故障，如果电流正常，则接着向上排查，进入PLC，检查AI(模拟量输入)模块对应的通道是否正常，如不正常，更换通道。

4.3 “上位机下达命令后设备无动作”排查及处理措施

以最常见的远程开关阀为例，当阀门产生偏差报警(当阀门卡死或阀门机械限位偏差大导致无法开关到位，就无法按正常的逻辑来消除开关阀的命令，为了保护阀门和执行机构，就会产生偏差报警来取消开关阀命令。并且在没有解决偏差报警时，无法对阀门发出任何命令)，命令下达后设备不会动作，设备在上位机人为发出维护命令时也无法动作。检查现场阀门正常，无偏差报警时应采取以下步骤：第一步排查阀门本身是否在“远控”状态下，如不是，应调至“远控”；第二步查看PLC机柜的对应通道，找到本身对应的模块和通道，下发命令后看对应的通道灯是否亮起，看对应的继电器是否能够吸合；第三步，如上述都正常，发出开阀命令后，再去现场用万用表测量对应端子是否有电压，排查开阀命令信号线路并检查接线端子上的保险是否完好[5]。

4.4 “上位机的数据刷新较慢”排查及处理措施

上位机通过RCI与很多第三方设备进行通讯，包括PLC、UPS、低压配电盘、流量计算机、火灾系统、可燃气体报警仪和燃气发电机等。当上位机的数据刷新较慢时，可按照以下方法进行处理：在站控机上用校时软件将其时钟与RCI同步，在站控机操作的系统配图界面，找到相应的图标，通过“轮询”选项让站控数据进行一次刷新，原先不变的数据都会发生变化。上述方法不能解决时，可以对两台RCI进行切换，将原先为备用的切换到主用，并可重复上述步骤，看看数据显示是否恢复正常。如果仍然恢复不了，可将站控机工程停掉，然后再重启工程。或者将站控机工程停掉，把两台RCI分别重启，之后再重启工程，也可以将站控电脑重启，观察数据显示是否恢复正常[6]。经过以上工作一般都可以恢复站控机数据的更新，如果上述工作都不起作用，则需查看网络连接有没有虚接的或断线的，交换机是否工作正常等。确认网络连接无问题后，可对RCI进行更换或硬件升级，提高其工作性能。

4.5 “ESD紧急切断系统误动作”排查及处理措施

供ESD控制阀的电磁阀24 V直流电的是上级漏电保护开关，为了避免漏电保护器跳闸，需将同级用电设备进行分类，将PLC机柜的照明、风扇接至生活用电，将辅操台插座分类使用，打印机、充电器都接至生活用电插座，将辅操台及其同级用电设备全部可靠接地。

图2 常闭触点诊断回路等效电路

对于ESD控制线缆因断路而触发ESD动作的问题，在AB系统下将ESD控制线缆增加电阻回路诊断功能[7]，即使线缆断路或短路，也不会误触发ESD。就是将ESD按钮的开关触点并联一个10 kΩ的电阻后再串联一个1 kΩ的电阻，即(INC)常闭按钮(如图2所示)，正常状态下触点闭合，回路电阻为1 kΩ，断开此触点后回路电阻为11 kΩ。通过电阻的大小变化来报警，自动判断出断路的故障，防止ESD误触发故障。

5 结论

通过对当前输气场站SCADA控制系统的功能进行介绍，对实际运行中存在的故障进行分类并分析，针对故障的处理进行了全面的论述。当SCADA控制系统发生故障时，应根据故障产生的部位和相应的报警信息，从故障点开始逐步检查分析。通过以上论述的故障分析及处理方法，能快速查找故障原因并给予解决和优化，使设备运行更加稳定，降低事故的发生概率，保障输气场站的平稳供气。