输油气管道站控系统程序标准化关键问题探讨

魏国富，黄忠胜，丁建辉

（中国石油天然气股份有限公司 西部管道分公司 生产技术服务中心，乌鲁木齐 830000）

0 引言

站控系统（SCS）是输油气管道SCADA 系统的远方控制单元，是保证SCADA 系统正常运行的基础。典型站控系统主要由操作员工作站、工艺PLC 系统、ESD PLC 系统、网络通信设备等组成。站控系统PLC 是控制系统的核心，PLC 采集现场远传信号后，经过逻辑运算，并向现场执行机构发出控制命令，实现自动控制功能[1]。实际工程中，站控系统程序的编制没有明确统一的标准，往往依据最后程序执行的结果来判定控制质量。由于PLC 编程人员的个人习惯和素质差异，会造成程序风格迥异，程序的质量层次不齐，互通性差，甚至同一个人在不同时期、不同项目中编写的程序也会存在不统一或随意性[2]。对PLC 编程的各个环节进行统一，规范控制程序结构和逻辑，使程序结构清晰、简明易懂，实现站控系统控制程序标准化，可提高控制程序的可靠性、可维护性和可移植性。

1 结构化站控系统程序设计方法

随着计算机软件技术的不断发展，出现了多种程序设计思想，如结构化程序设计思想、面向对象的程序设计思想以及事件驱动的程序设计思想等。其中，结构化程序设计是一种应用广泛、易于理解和实现，且比较契合工业控制程序开发要求的设计方法[2]。站控系统结构化程序设计以模块化设计为中心，将站控系统中工艺PLC、ESD PLC、水击保护系统PLC、阀室RTU 等从程序的功能上划分为多个相互独立的模块，各模块相互独立、功能单一，使得程序结构简单清晰、接口简单。采用“自顶而下、逐步细化”的结构化站控系统程序设计方法和“单入口单出口”的控制结构，主要在以下多个方面实现程序的标准化：①程序结构设计标准化，即根据输油气管道站场工艺流程和设备功能，将站控系统要完成的功能分解为多个小模块，再将各个小模块进行逐步细化；②功能模块标准化并形成库，即某一段程序可以被多次、重复调用，也就是设计通用化的功能模块[3]；③变量定义标准化，即将输油气管道站控系统程序中常用的通信变量、设备变量、联锁程序变量等命名格式的标准化；④程序注释标准化。

2 输油气管道站控系统程序标准化

2.1 程序结构设计标准化

输油管道或输气管道的各类型站场工艺流程可能不尽相同，但对于PLC 程序而言仍具有很多共性，如信号处理、通信处理、系统诊断和单体设备控制等，因此可根据输油气管道站场工艺流程和设备功能的特点，将站控系统程序按功能分解为以下几部分：

1）数据映射处理程序：完成PLC 硬件地址与程序变量的映射、模拟量输入和输出数据的量程转换、输入信号的滤波处理、回路断线检测、冗余输入通信的数据选择等程序。

2）人机交互程序：完成上位机下发的复位命令、投用屏蔽命令、手自动切换命令、单体设备开关（启停）控制命令、中控站控权限切换命令、设备预选命令、旁路命令等程序。

3）联锁控制程序：完成工艺PLC 中启站逻辑、停站逻辑、空冷器联锁启停逻辑、风机联锁启停逻辑、泵的联锁控制逻辑、爆管检测逻辑等程序；在ESD PLC 程序中完成全站工艺逻辑、压缩机厂房工艺逻辑、超压保护联锁逻辑等程序。

4）单体设备控制程序：完成泵、阀、压缩机组、空压机、加热器、发电机、加热炉等单体设备的启停（开关）控制等程序。

5）数据通信程序：完成PLC 与PLC、PLC 与其他第三方设备的通信控制指令、通信数据位映射等程序。

6）系统诊断程序：完成PLC 系统内部硬件状态、程序状态等诊断数据的采集功能，并完成与外部远程维护诊断系统的通信地址或标签的接口等程序。

7）其他类型程序：完成能耗计算、设备运行时长计算、设备误动作判断、程序修改记录、时钟同步等程序。

图1 标准化功能块管脚排列示例Fig.1 Example of pin arrangement of standardized function blocks

8）自定义逻辑功能块：将控制系统程序中常用的、重复性、通用性的控制逻辑封装为用户自定义功能块，如阀门的单体控制程序、压缩机的启停机控制程序等。

按照以上程序结构设计方法，可对站控系统工艺PLC、ESD PLC、水击保护PLC、阀室RTU 等控制程序的结构进一步进行细化，并规范程序的命名和执行顺序。

2.2 通用控制功能模块标准化

功能块已成为各个PLC 产品的标准模式，并且被广泛应用在实际的工业控制中，缩短了程序的编制时间，程序的结构也变得更加清晰，提高了效率，降低了维护成本[4]。输油气管道站控系统程序许多单体设备或功能块相同的逻辑可使用功能块实现，但由于项目实施方和编程人员的不同，造成相同设备的相同控制逻辑形成功能块后差异性较大。通用控制功能块的标准化开展有以下两方面内容：

1）制定标准化功能块编写标准。结合输油气管道站控系统程序中功能块的特点，制定标准化功能块编写标准，规范功能块输入输出管脚的排列、管脚变量命名、功能块内部变量命名、功能块注释等要求，图1 为输油主泵单体控制功能块管脚排列要求。

2）建立通用控制功能块库。对输油气管道站控系统程序中常用的功能块进行梳理和统计分析，对现有功能块控制逻辑进行优化，对尚未实现功能块的逻辑完成功能块编程，并将梳理出的功能块按照功能进行分类，选择输油气管道站控系统主流PLC 产品编程软件，建立输油气管道常用通用控制逻辑功能块库。功能块库中通过两种不同编程语言和软件编写的ESD 阀门主体控制功能块如图2 所示。

2.3 变量定义标准化

良好的变量定义方法不仅有利于提高程序的可读性，同时也有利于程序的排错和调试[2]。输油管道站控系统程序中常用各类型变量的规划和定义应从以下方面实现标准化：

图2 基于RSLogix5000和Concept软件的标准化ESD阀门主体控制逻辑功能块Fig.2 Standard ESD valve body control logic function block based on RSLogix5000 and Concept software

1）与上位机系统通信变量的标准化。站控系统程序与上位机系统通信的变量通过别名的方式将通信地址标签关联起来，不再单独进行程序变量到上位机通信地址标签的映射编程。通信地址区分数字量和模拟量，且应根据不同的设备类型，对通信地址进行分段。

2）设备变量的标准化。输油气管道站控系统中常用设备如电动阀、调节阀、加热器、压缩机组、空冷器等相关变量的名称宜由设备类型字母代号、设备工艺编号、设备的状态或控制命令属性等三部分组成。例如，设备变量“ESDV1101_ZSH”“ESDV”表示设备的类型字母代号为ESD 阀门；“1101”表示设备的工艺编号；“ZSH”表示设备的开到位状态属性。常用设备的命名和属性字母代号应形成标准。

3）模拟量变量的标准化。输油气管道站控系统常用的模拟量信号如压力、温度、液位、振动、转速、流量等变量的名称宜由变送器类型字母代号、变送器工艺编号等两部分组成。例如，模拟量变量“PT1101”，其中“PT”表示压力变送器字母代号，“1101”表示变送器的工艺编号。常用模拟量的信号类型母代号应形成标准。

4）其他常用变量的标准化。输油气管道站控系统程序中常用的逻辑联锁中间变量、计时器变量、常数变量等应形成标准。

2.4 程序注释标准化

程序的注释对解读控制程序、掌握程序变更记录等具有重要意义，应从程序整体信息注释、程序段注释、变量注释、功能块整体介绍注释、程序变更记录等多方形成注释标准。如图3 所示，功能块应有介绍性注释，注释内容应包括功能块的名称、版本、创建时间、创建者和修改记录，介绍性注释应放置于功能块程序首页的顶部中间位置。

图3 功能块介绍性注释Fig.3 Introductory notes on function blocks

2.5 其他编程要求标准化

对输油气管道站控系统程序中其他细节部分应进行标准化统一规定，如工程命名、硬件模块命名、程序的执行顺序、编程语言的选择、程序代码的布局及分页、常用逻辑的编写等方面内容。

3 输油气管道站控系统程序管理规范化

技术标准化、管理规范化是保证自动化系统工程能够实现完善、先进、实用化功能的必要举措[5]。输油气管道运行单位宜从用户角度出发，结合行业特点和工艺控制需求，制定相应输油气管道站控系统程序的架构设计、编写、测试、投用、维护、变更等全生命周期的标准，指导输油气管道站控系统新建或改造项目中站控系统程序编写，规范日常维护中程序标准化方面的要求和内容，从技术和管理两方面实现输油气管道站控系统程序标准化。

4 结语

随着输油气管网向智能化、信息化发展，实现站控系统控制程序设计的标准化和规范化，对提升站控系统可靠性、易维护性等均有重要意义。本文结合当前输油气管道站控系统程序标准化现状，以结构化程序设计方法，探讨了有关程序结构设计标准化、通用控制功能模块标准化、变量定义标准化、程序注释标准化和其他编程要求标准化等几方面，以实现输油气管道站控系统程序标准化的方法，对实现输油气管道站控系统程序标准化具有一定参考意义。