浙江中控SCADA系统在成品油长输管道上的应用

刘维国，李 朦，汪 涛，徐晓理，黄桂锋

（1.中国石化销售股份有限公司华南分公司，广州511400；2.浙江中控技术股份有限公司，杭州310053）

自1973年我国建成国内第一条成品油长输管道，即青海格尔木—西藏拉萨管道（格拉线）以来，经过多年的发展，我国形成了遍布西北、西南、华中和珠三角地区的成品油管道输送系统，SCADA 系统是成品油管道运行的“大脑”，对输油生产起着重要作用[1]，但由于我国成品油管道发展较晚，SCADA 系统的设计和使用也长期借鉴或直接使用国外的控制系统，如霍尼韦尔、西门子、ABB、泰尔文特、西技莱克等公司产品，造成长期以来对国外SCADA 系统产生严重依赖[2]，近年来，国内部分自动化公司也开展了技术攻关，并形成了具有较高水平的软硬件产品，逐步打破了国外系统的垄断局面，但在成品油管道领域，还未实现软硬件全部国产化，因此对成品油管道SCADA 系统软硬件进行攻关，具有重大意义。

1 珠三角成品油SCADA 系统

1.1 系统应用情况

珠三角成品油管网全线采用ABB SCADA 系统监控，软件为ABB SCADAvantage，硬件为ABB AC800M 系列PLC。系统架构如图1 所示。

整套系统采用集中式数据库架构，站控和调控中心SCADA 系统的上位机均直接从站场PLC 中采集数据。

图1 ABB SCADA 系统架构图Fig.1 ABB SCADA system architecture diagram

1.2 系统存在问题及国产化改造意义

珠三角管线ABB SCADA 系统由于系统投运时间长，目前存在较多问题，例如软硬件与新操作系统之间存在兼容性问题，导致系统运行缓慢；软件版本、硬件固件已经停止更新，不支持新兴技术的配套应用；维护成本非常高昂，维护效果不理想；国家能源的网络安全防护不受保障。因此，珠三角管线的SCADA 控制系统亟需升级改造。为保障国家能源的网络安全，打破国外系统长期的垄断局面，拟采用国产化的方案。

2 国产化改造及应用情况

2.1 国产SCADA 系统简介

珠三角成品油管线国产SCADA 的构架如图2所示。

VxSCADA 监控软件是浙江中控技术股份有限公司（简称“浙江中控”）为油气储运、油气开采行业研发的一套实时监控软件。VxSCADA 软件作为调控中心及站控SCADA 系统HMI 软件，负责完成调控中心及站控SCADA 系统流程画面、设备操作、报警记录查询、趋势记录等功能。

VxHistorian 大型数据库作为调控中心核心数据库，支持百万点数据库，具备高速高压缩存储功能。

图2 国产SCADA 系统构架图Fig.2 Domestic SCADA system architecture diagram

VxCollector 采集器与大型数据库配合使用，作为调控中心SCADA 系统采集站控PLC 数据的重要组件，一方面可以支持数据通过modbus TCP、IEC104、OPC 等通用协议进行转发，作为数据服务器，供客户端读取；另一方面支持通过软件内部协议将数据通过轮训或逢变则报的方式写入中控的VxHistorian 大型数据中。

GCS-G5 是中控的大中型可编程控制器，具有高性能、大容量、全冗余、快速采集等特点，可作为长输管道站场控制系统，完成站控对现场设备的控制和数据采集。

为了打破国外SCADA 系统在成品油管网的垄断局面，中国石化销售华南分公司和浙江中控合作对成品油管道关键控制技术进行了合作攻关，实现了混油界面跟踪、批次管理、报警管理等高级功能，并完成了虚拟化云平台建设等，填补了国产SCADA系统软硬件在成品油管道上空白。

2.2 国产SCADA 系统的特点

2.2.1 对象化组态技术

采用面向设备的对象化组态技术，能够轻松实现对象化动态迁移、重新配置和负载分布，降低系统组态工作量。SCADA 系统软件中面向设备的对象化组态是面向对象的实时数据库组态。此类数据库的特点包括：面向对象、分布式、事件驱动、内存数据库[3]。面向对象的实时数据库需要模拟监控设备，通过研究建立“设备—子设备—变量—属性”的层次模型，完成对统一对象进行设备监视的过程。在一个设备层次的每个等级上，静态特征可被计算并传送到报警及其他应用。参考IEC-61970 CIM 对象模型标准，对长输成品油管道进行标准化设计，SCADA 软件提供图模一体化平台，能够快速建立对应管道站场各种典型设备环境的工程模型。通过对标准的对象化模板进行版本管理，以及区域的互联，能够构建工程应用的基础模板，加快工程实施进程；通过标准化设备对象，将智能化站场逻辑进行模块化对象封装，使得项目开发成果能够在各个站场重用，使得同时开展多个站场实施成为可能。

结构化位号组态技术是指在PLC 组态过程中，将多个同类位号按照一定的规则，结合成为一个结构化位号，在监控画面组态过程中，创建一个固定的面板与图符。在每一个设备的组态过程中，都调用这一个面板与图符，只是关联的结构化位号不同。下面以调控中心的电动阀组态为例，详细说明结构化位号组态技术。具体步骤如下：

步骤1在PLC 中进行组态，构建结构化位号。图3 是构建好的电动阀结构化位号。STN10MOV011是结构化位号的位号名，每一个引脚都是一个位号。

图3 结构化位号Fig.3 Structured tag

步骤2在SCADA 数据库中，将结构化位号读取上来，具体的位号名为“结构化位号名.引脚名”，例“STN15MOV011.ZLO”，如图4 所示。

步骤3绘制面板与图符，并关联好相关的位号。注意在进行动态编辑时“结构化位号名.引脚名”中的结构化位号使用“@THIS@”代替。绘制好的面板与图符如图5 所示。

图4 数据库Fig.4 Database

图5 HMI 面板Fig.5 HMI panel

步骤4在主流程图中，对单设备进行组态。添加单设备后，需要绑定位号，及绑定对应的结构化位号，如图6 所示。

图6 绑定位号Fig.6 Binding bit number

这样，一个设备就完成了组态。在监控画面中，该图符下的所有位号，就自动关联为“STN15MOV019.引脚名”这个位号。

使用结构化位号进行组态，即可以节省大量的组态时间，也不容易出错。同时在后续的维护过程中，也可以很方便地进行组态修改。

2.2.2 全系统冗余架构

全系统冗余架构大大提高系统运行可靠性。整个系统SCADA 数据服务、VxCollector 采集器服务、VxHistorian 大型数据库服务、底层PLC 控制器、IO卡件等，都可以实现热备冗余及无扰动更换。而且可以手动切换工作/备用状态，方便对系统进行检修与问题排查。在工作状态出现变化时，及时报警，提示操作人员及时检查问题，另外创新提出了一种基于双层环网冗余的PLC 优化设计方案，实现以太环网故障自愈，有效地解决以太环网由于转发数据表刷新报文丢失以及端口故障恢复自协商时间不确定而导致的通讯中断的难题，网络断开后恢复诊断时间小于300 ms，优于国外主流技术（500 ms），具体冗余结构如图7 所示。

图7 全系统冗余构架Fig.7 Redundant architecture of the whole system

2.2.3 通讯互联技术

强大的通讯互联技术，提高与不同品牌系统之间的兼容性。VxSCADA 软件及VxCollector 中控采集器有着很便捷的数据互通能力，不仅可以作为主站，采集MODBUS RTU、MODBUS TCP/IP、IEC104、OPC、DNP3 等标准协议的数据，也可以作为从站，将数据以MODBUS TCP/IP、OPC、IEC104 等标准协议对外转发。同时也支持与市场主流系统进行通讯，例如西门子S7 系统、ABB 控制系统等。在本项目中，由于需要与ABB AC800M 系统互联，各站场间数据要进行相互监控，对于中控SCADA、ABB SCADAvantage 及ABB AC800M 系统之间的互联均采用通讯数据转发的实施方式，给项目的顺利实施提供了有效的技术手段，可以更好地适应成品油长输管道的复杂网络结构与数据交互需求。

3 国产SCADA 系统改造方案

国产化SCADA 系统的改造方案，主要分为3个主要部分，分别是前期准备工作、停输改造工作、保运工作，具体注意事项如下。

3.1 前期准备

在前期准备工作中，主要要完成现场调研、硬件设计方案、组态编写、机柜FAT 等工作。

现场调研过程中，要注意机柜间、控制室的排列方式，考虑是否需要增加机柜或操作台。同时要获得原控制系统的资料，包括但不限于IO 点表、控制程序、HMI 程序、控制要求、数据通讯方式等。在做硬件设计时，要注意IO 点的配电情况、信号类型等，同时预留出足够的备用通道。进行组态编写之前，要解读原程序，明确原系统的控制方案，同时与工作人员做好功能确认，明确是否存在需要改进的控制方案。在做FAT 时，测试系统的所有功能，保证硬件、控制逻辑没有问题，同时做好离线仿真，保证系统输出正常。

前期准备时，另外一项重点工作就是主动发现问题，有不明确的地方一定要做测试，确保方案的可行性。若发现某一条方案有问题，应及时解决问题或更换其他可行的技术路线。

3.2 停输改造

停输改造工作，主要分为两个时间段，一个时间段是停输前3～5 天；另一个时间段是停输阶段。

在停输前3～5 天，所有工作人员就要到位，包括但不限于机柜拆装人员、接线人员、系统调试人员、仪表工、安全员等。在这段时间中，工作人员要熟悉现场，并明确自己的工作任务，准备相应的工具。依据改造模拟过程建立工作时序卡，并依据所述工作时序卡，采用PDCA 循环模式对由所述待替换站控PLC 系统替换为所述目标站控PLC 系统的工作流程进行分解，并做好应急措施。同时进行人员安全教育、办理操作证、办理动火证等工作，确保改造可以正常进行。

在停输阶段，所有工作人员按照工作时序卡，进行工作安排。保证工作顺序不能被打乱。及时更新工作时序卡，若出现工作严重滞后的情况，及时采取应急措施保证工作效率。

3.3 保运

在国产SCADA 系统完成调试并成功开车后，就进入了保运阶段。在这一阶段，主要工作就是主动发现问题，并加以解决。

4 国产化改造的技术创新

4.1 互联互通

原有系统与国产系统之间的互联互通。站控系统软硬件改造完成后，需要将PLC 数据接入到调控中心ABB 系统中，由于ABB 系统通过OPC DA2.0协议采集PLC 中的数据，为确保现场改造过程中，国产PLC 系统能够稳定接入到调控中心ABB 系统中，需要对PLC 的位号标签和AC800M 的标签一致，这样就可以大大降低实施时间。

4.2 系统虚拟化及云计算平台

首次在成品油管道上实施SCADA 系统虚拟化部署及云计算平台应用。基于自适应云、虚拟化和弹性时序数据分布式存储机制，通过数据一致性和实时性统一，将控制系统状态和集群状态进行结合，形成云虚拟化SCADA 系统的存储基础[4]。再通过容器化动态扩容云数据服务器，支撑多行业应用模块自注册，同步发布到各计算节点，同时提供在线和离线更新模式。SCADA 数据云服务运行于虚拟化云环境，实现云服务实例无限冗余，任意云服务宕机均不会对系统造成任何影响，充分保证系统稳定性。云服务实例间根据负荷值仲裁实现SCADA事务自动迁移，有效提升系统执行效率[5]。

4.3 工控系统安全防护

发明了一种成品油管道工控系统安全防护技术。通过研究边界防护、访问控制、恶意代码防范、安全审计、入侵检测、主机加固、主机安全防护、网络设备防护以及统一安全管理中心相关安全应用技术。通过全方位的信息安全控制与监视，进行风险监测与主动防御，实现系统本质安全与防护一体化[6]。

5 结语

目前，国产SCADA 系统已经在珠三角管网部分站场及调控中心应用，经过了长时间的使用与检验，国产SCADA 系统满足了成品油长输管道SCADA 系统对于数据采集、工艺监控、设备操作、报警趋势等需求，打破了成品油管道SCADA 系统由国外产品垄断的局面，而且本次应用也使SCADA系统得到了提升，部分性能超过了原使用的外国品牌SCADA 系统，如SCADA 系统实时数据最小采集周期小于0.1 s；实时监控画面载入时间小于1 s；画面刷新时间小于1 s； 冗余服务器切换时间小于1 s 等。

事实证明，国产的SCADA 软硬件系统能够完成大规模长输管道的使用需求，可以使成品油管道SCADA 监控技术不再受制于人，从而为国家的能源安全保驾护航。