输油管道SCADA 系统调试技术

崔志诚，马 胜，廉小伟

（河北华北石油工程建设有限公司，任丘062552）

SCADA 系统即数据采集与监控系统，由调控中心控制系统、站场控制系统、远程终端设备（RTU）和相关通信系统组成，长输管道的生产过程监视与控制、设备远程控制以及调度策略优化等都依靠SCADA 系统来实现[1-2]。为优质、高效、稳妥地做好输油管道SCADA 系统试运投产的各项工作， 确保输油管道安全、可靠、经济、顺利的投入生产，需要在试运投产前高效率、高质量地完成输油管道SCADA系统调试工作[3]。 本文以尼日尔管道3 号站加泵工程SCADA 系统调试为基础，对SCADA 系统调试的施工组织、调试工艺及方法、关键环节调试技术进行了探讨。

1 工程概述

1.1 工程概况

尼日尔管道SCADA 系统设有1 座调控中心，多座场站和RTU 阀室， 各场站和RTU 阀室通过通信系统与调控中心连接。 系统控制水平分为三级，即中心控制级、站场控制级、就地控制级，保障输油管道安全、高效运行。

尼日尔管道3 号站加泵工程拟在3 号站内增加一台外输泵以满足原油输量的要求， 同时对工艺、电气、通信、仪表及自动化系统进行适应性改造。 3 号站控制系统包括过程控制系统和独立的安全仪表系统，采用PLC 作为控制单元、计算机作为操作站（即人机交互界面），通过计算机网络、数据通信接口设备等相连。 站场控制系统中的所有监控设备采用局域网形式连接，局域网设有冗余机制。

1.2 改造方案

站控系统增加1 面PLC 系统I/O 扩展机柜用于本次改造的扩展，I/O 扩展机架接入原PLC 系统内，构成完整系统。 在原ESD 系统控制机柜内增加I/O 卡件进行扩容，并与原系统融合。

为完成站控系统的扩容，在系统中配置相应的软件，通过编程、组态、调试等工作，最终实现站控系统对工艺过程及各种设备（包括泵控制系统）的实时监视和控制，完成数据的调取和上传。 新增上位机画面风格、编程语言和原控制系统保持一致。新增泵及阀门等站控逻辑、ESD 逻辑控制水平与原系统保持一致，控制逻辑按原有系统风格执行，并纳入原系统，构成完整PLC 系统和ESD 系统。 站控系统在完成信号采集、实时监控的同时，还需满足信号上传调控中心的要求。 3 号站新增输入/输出量如表1 所示。 由于扩建部分中影响管线水击保护系统的信号需上传至水击保护系统，需要修改水击系统程序并完成测试。

表1 新增输入/输出量Tab.1 New input / output

2 调试工艺流程及主要调试方法

2.1 调试工艺流程

调试工艺流程如图1 所示。

为保证SCADA 系统调试工作在进度、质量、安全方面顺利有序进行，制定了严谨的调试计划并进行了科学的组织。 调试工作被划分为以上5 个层次，根据“严格分层、平行作业”的原则进行调试，由于工艺设备、过程控制等重要环节多在站场，所以Ⅱ层和Ⅲ层是调试工作的重点[4]。

图1 调试工艺流程Fig.1 Commissioning process

2.2 主要调试方法

2.2.1 调试准备

1）技术准备

调试所需技术文件主要有设计文件、SCADA 系统技术规格书、设备技术规格书、系统组态资料、生产工艺流程、现场验收测试（SAT）文件等。调试前需明确SCADA 系统应满足工艺过程的应用功能，做好技术交底，确保调试工作依据相关标准规范及经批复的调试方案进行。

2）人员准备

调试总负责人1 名，负责从进度、质量、安全等方面对调试工作进行全面把控以及与各单位沟通协调，下设若干作业小组并确定各小组职责，具体人员配置如下：

调控中心：总负责人1 名，系统维护人员4 名，通信专业人员1 名， 施工单位2 名/调度台，SCADA系统厂家2 名/调度台。

被控端：施工单位2 名/组，SCADA 系统厂家1名/组，供电段2 名/组，验收人员2 名/组。

3）调试前应具备的条件

SCADA 系统设备出厂前，应完成工厂验收测试（FAT），经相关单位验收并取得验收报告；SCADA系统软件/硬件按要求安装完毕； 站场变配电系统（包括UPS 系统）及通讯系统安装、调试完成，验收合格并投入运行；相关电缆敷设、机柜接线、接地系统安装完成且验收合格； 相关仪表经检定校验合格，安装完毕且验收合格；相关单体（或成套）工艺设备安装、试运完成且验收合格。

2.2.2 控制室内设备调试

调试主要流程如图2 所示。

图2 控制室内设备调试流程Fig.2 Control room equipment commissioning process

其中主要调试内容如下：

1）上电前检查

在确保系统内设备已全部安装完毕的前提下，主要检查调试环境、接地系统、电源及UPS 系统、电缆、硬件等。 调试环境（温度、湿度、清洁度等）应符合要求；工作接地系统、保护接地系统及屏蔽接地应合格，接地电阻符合要求；电源及UPS 系统应符合设计要求；相关电缆接线无误；机柜内接线（包括通讯线、电源线、接地线等）正确、可靠，线径符合设计要求；机柜及其内部部件安装应牢固；机柜内各插卡、适配器及其接口的型号、安装位置应符合设计要求，各插卡预设旋钮位置正确[5]。

2）程序加载及系统启动

SCADA 系统设备上电，在工程师站安装系统软件、应用软件及数据库。 在操作站启动系统，确认系统无故障、无报警，待系统正常运行后，在各设备上安装系统软件，建立数据点表，搭建结构，建立数据库。 将控制网络上所有节点全部启动，确认系统无故障、误报警，状态正常。 利用测试程序对控制站、操作站等进行诊断，确认系统运行正常。

3）通讯测试

对站场局域网、调控中心局域网、场站与调控中心间的广域网进行链路调试。 测试站场局域网中每个节点的平均响应时间、最大响应时间、丢包率，完成系统的性能测试。 通过网络PING 方法在调控中心与站场之间进行SCADA 系统双通道测试。

4）组态检查及画面测试

在HMI 上测试画面切换功能，应切换方便，切换标记直观。检查HMI 画面种类、数量及画面中的工艺符号、参数、单位是否完整，检查画面动态显示是否符合实际需要，画面主要包括总览图、流程图、实时趋势图、历史趋势图、报警显示、事件记录等。

5）冗余测试和容错能力测试

冗余测试主要是对服务器、控制器、通讯网络、卡件、电源进行冗余测试。 容错能力测试主要包括控制器切换时的容错测试、控制器故障时的容错测试、控制器断电时的容错测试。

2.2.3 单体设备及辅助仪表盘调试

利用过程校验仪对现场单体设备及辅助仪表盘进行校准和试验，避免因接线错误等原因造成设备损坏。 单体设备主要包括显示仪表、记录仪表、报警仪表、执行机构等，辅助仪表盘主要包括外输泵、回注泵等输油泵控制盘。

2.2.4 控制功能测试

1）输入和输出功能测试

系统会根据输入信号的有无或类型做出不同的响应，比如当输入信号错误或突然掉线时，系统会做出自我保护响应；当特定的输入信号超过设定的高低限值时，系统会自动报警并做出提示；针对某些输入信号，系统应具有滤波、开方、补偿等功能。 针对以上功能，分别选取典型输入类型信号，检查系统功能是否正常。

2）回路测试

根据现场实际情况和回路的复杂程度，按位号和信号类型对各回路合理排序并进行逐一测试，每个回路及其联锁分支的测试应一次性完成，避免重复和遗漏，从而提高调试效率。 检查采集信号（压力、温度、报警、设备状态等）能否在HMI 正确显示，以及命令信号（泵启停、开关阀等）能否正常下达到现场设备并使之按命令动作。

3）逻辑测试

站控系统与现场设备进行联合调试，通过对现场设备及HMI 的操作， 检查设备动作是否正确，确保该逻辑符合设计要求且满足实际生产需要。 测试内容一般有泵启停逻辑、泵切换逻辑、发球逻辑、收球逻辑等。

4）联锁测试

在HMI 上模拟联锁条件的发生，观察是否触发现场设备动作，检查触发后的设备动作是否符合设计要求。 需测试的工况一般有输油泵入口压力超过低限值、输油泵出口压力超过高限值、输油泵温度超过高限值、输油泵振动值超过高限值等。

2.2.5 站控系统与电气接口测试

主要是指站控系统与现场电气控制盘的接口测试，根据第三方设备的通讯要求，将SCADA 系统与其连接并测试通讯情况，确保第三方通讯正常。

2.2.6 站控系统控制电气设备试运转

站控系统与电气接口测试完毕后，断开电气设备主回路电源，在不带电的情况下对电气设备进行逻辑控制测试，确保动作的逻辑关系正确、联锁功能正常，然后电气设备上电，由站控系统控制电气设备进行试运转。

2.2.7 中心控制系统调试

1）逻辑测试

中心控制系统对现场设备进行操作测试，检查现场设备的动作是否符合设计要求，同时对第三方数据采集、模拟量和开关量数据上传进行调试。 需要测试的逻辑有全线启输逻辑、全线停输逻辑等。

2）水击测试

在HMI 上模拟水击条件的发生，观察是否触发现场设备动作，检查现场设备动作是否正确，确保其符合设计要求。 需要测试的水击工况有自动阀室关闭、手动阀室关闭、首站或中间站失电、中间站进站阀关闭等。

3）系统功能测试

测试调控中心的硬件工作情况（包括服务器冗余测试、域控测试、GPS 时间同步测试、D.E-SERVER的工作测试等）； 测试中心控制系统与站控系统和RTU 的通讯情况；测试应用软件的传送功能。

4）画面测试

检查HMI 画面种类、 数量及画面中的工艺符号、参数、单位是否完整，检查画面动态显示是否符合实际需要，同时校核及调整站控系统画面与中心控制系统画面的工艺原理和I/O 点位。 画面主要包括主画面、主流程画面、各站权限设置画面、D.RTU监控画面等。

2.2.8 后续完善

由于调试期间现场条件的限制，某些设备在试运行时才具备调试条件，对此类设备在试运行期间再进行调试。 管道输油工艺有大量调节过程，各工艺参数相互关联，为获得最佳工况，在试运行阶段需对各调节系统的计算系数、设定值、PID 参数（比例度、积分时间、微分时间）等工艺参数进行精调。在SCADA 系统整体调试完成后，还需要协调、监督调试期间遗留问题的整改，经相关单位确认签字后方可销项。

3 重、难点及关键环节调试技术

3.1 回路测试

在进行回路测试时，应按时序和逻辑关系加入条件信号进行测试，并调整其工作状态到符合设计要求为止。 当有阀门定位器时应同时对其进行测试，执行机构的动作方向应符合设计文件规定。 当阀门不仅要参与连续调节，而且故障状态下要实现紧急全开或全关时，对阀门选型要进行确认。

3.2 柴油机泵机组启停和控制逻辑测试

1）柴油机泵组启停

试运转时，柴油机泵组能够顺利启动的条件大致如下：柴油机进气管道连接密封可靠且进气压力达到启动条件，无联锁停车事故，电气系统正常，润滑系统正常， 冷却系统正常，ESD 系统的柴油机起动限制解除，电控柜允许起动信号灯亮起，柴油机允许起动。

2）ESD 系统联锁测试

ESD 系统是站场的安全保护系统，级别在生产过程控制之上，独立运行并实时监测设备的安全状况。 正常情况下该系统处于静态，只有当生产设备出现紧急情况时，该系统才会做出响应。 当联锁条件发生时，ESD 系统直接发出信号，触发设备动作，实现紧急停车，对现场设备进行安全保护。 为保证ESD 系统正常有效，检查ESD 系统与站控系统通讯情况，确保两者数据同步更新，同时对其他重要的联锁组态进行检查和测试。

3.3 组态临时变更管理

根据现场实际情况，在SCADA 系统调试阶段经常发生组态临时变更，为了做到有据可查，应建立简单便捷的变更管理机制，使组态变更管理工作做到闭环控制，实现所有变更有依据、有记录、可追踪、可查阅。 当按要求完成组态后，组态的任何增加、删除及修改，都需经过有效的审查和风险评估，并经过运行单位、调控中心签字确认，办理操作票后方能实行变更，组态变更过程需详细记录。

4 结语

长输管道SCADA 系统调试关系到整个输油管道的试运行及投产，项目部应给予高度的重视，由于调试工作集中，调试周期紧张，需要对该项工作进行科学、合理地组织和实施。系统调试工作技术含量高并且需要多专业、多工种配合，要做到对各类资源的配置进行统筹规划，尽早与各相关单位沟通协调，保证调试工作的全面性，为管道安全、顺利进行试运行及投产奠定了基础。