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    項目概況

    西南成品油管線始于廣東茂名，終至云南昆明，途徑廣東，廣西，貴州,云南四省區，全長2000公里。全線設 21 個站場，8個遠控切斷閥和2 個調度控制中心。它是一條長距離、多品種、多分輸點、單管密閉順序輸送成品油的輸油管道,所有泵站和管路構成一個統一的水力系統。管道輸送介質包括0#柴油、97#汽油、93#汽油三種油品，管道運行管理及控制要求采用先進可靠的SCADA系統，對全線各個站場、關鍵設備進行遠距離數據采集、傳輸和記錄、處理，對管道進行監控、統一調度和控制，并具有報警、聯鎖保護、緊急關斷等安全保護功能。

    成品油管道的站場分為首站、中間分輸泵站、中間泵站、中間分輸站、末站、集輸站等。其中，調度控制中心及SCADA系統是輸油管道的神經中樞，通常由全線中心控制、站場控制和就地控制三級組成。

    目前，整條管線通過EPKS（中心控制SCADA和站控Process系統兩部分）系統集中監控、統一調度，實現中心控制、站控和就地控制相結合的控制方式。站控和就地控制相結合的控制方案是通過設置于站場EPKS (Process功能部分)系統實現了基礎設備的數據采集和控制，并且通過分布式系統結構 (Distributed System Architecture) ，數據共享給調度控制中心，從而實現了全局數據庫信息的調用，不需重復組態，簡單方便。同時，相鄰的站場也具備了數據的互訪功能。強大的開放性功能組件選擇DNP3協議實現了站控系統服務器和8個遠控切斷閥室-RTU的數據采集和監督控制，從而完成整條管線的數據采集和控制。

    本文將 EPKS和成品油管線監視和控制過程工藝相結合，具體闡述了管線操作應用功能的實現方法，包括設備基本操作、初始投油、停輸再啟、全線停輸、水擊保護和批次計劃等設計過程，同時也重點講解了設計中所選用的重要參數管理。
分布式網絡系統結構的選取

             

                    圖表 1分布式系統網絡結構（DSA）

    分布式系統網絡結構(Distributed System Architecture) ，簡稱為DSA，實現了全局數據庫信息的調用，分別位于各個服務器的SQL數據庫通過一定的授權形成了全局共享結構，通過嚴格的數據訪問權限和用戶驗證模式的設置，保證了系統的高度安全性。其中在SQL服務器的數據多發布、多分發和訂閱，采用多種數據的復制模型，達到了數據優化、網絡優化的高效數據庫。

    以上提到了有關系統數據庫和網絡結構的特點，確保DSA網絡優化中SQL數據庫數據的高效傳輸，特別需要注意如下事項：
采用多播的方式。多播的傳輸方式將同一數據包分別發送給不同進行請求的服務器，能夠大大降低網絡中的數據流，并通過指定的地址（225.7.4.103）和端口（2911）進行有效傳輸。EPKS系統使用多播方式提供服務器的狀態和連接狀態的偵聽。【1】因此DSA在廣域網中必須在相關的網絡通訊設備中進行配置。一般路由器等網絡設備此端口是關閉的，必須進行網絡傳輸的端口開通和配置。但是， 針對本網絡中調度中心服務器請求各站場的服務器數據的星形網絡的需求，必須關閉多播。

    本管線整個廣域網絡采用光纖傳輸，每個站場內部構成一個獨立的局域網，采用百兆網絡，由相關的控制器、操作站、服務器、其他第三方通訊設備、交換機和路由器組成。網絡結構層冗余容錯以太網FTE（Fault Tolerance Ethernet）的劃分和組態，以及實現了路由器和交換機的冗余切換機制。其中僅在服務器的網絡節點中設置網關，使調度中心網絡僅對站場服務器層進行數據交換，與控制層相隔離，達到更高的安全性。

    其中DSA相關的配置注意事項如下：

    由于DSA網絡中的節點眾多，數據量大，調度中心數據調用時采用放在服務器內置緩存中進行數據的傳輸，所以在規劃時數據變量不能采用相同的名字，21個站場變量名字前分別按站場添加相應的數字1至21進行區別，保證各個站控制點名的唯一性。
分布式網絡（DSA）采用系統專用管理級賬戶（mngr），要求在所有系統專用管理級帳戶時采用相同的密碼，便于統一安全認證管理。

    每個站控有一對冗余服務器和冗余控制器，位于調度控制中心的為一對冗余服務器。管線站控服務器為21個數據發布者，向中控和相鄰站場數據庫提供控制和操作數據。其中8個遠程閥室的數據通過DNP3協議直接遞交給相鄰的一個站場，然后傳遞給調度控制中心服務器。站間服務器也進行數據通訊，也通過分布式網絡結構實現，并且可以任意選取站間信息、事件和報警信息的顯示。

    設計及實現重點和難點
    報警事件信息的區域管理和設計
    報警管理對于如此龐大的一個網絡而言，需要采用統一的分級分區管理模式，調度控制中心的調度員只負責對工藝報警進行管理，站場操作員兼有操作和巡檢的功能，因此需要對系統報警進行確認，以便及時發現問題上報處理。對于每個站場進行分區域處理，如控制器、卡件等分配在系統區，其他工藝邏輯組態分配在操作區。然后在操作方式上無論選擇操作員模式還是操作站模式都可以通過簡單的設置實現，Experion PKS 系統在報警組態上實現了控制層和操作層的統一結合。其中這樣的區域管理也便于操作級別上的管理和設置。設計中如下表：

           

                        圖表 2報警區域劃分設計表

    域控管理和電子簽名體制

    本項目中設計服務器、操作站約有50個節點，在整個網絡設計中采用主備域控制器進行網絡管理的方式，對域內訪問的用戶進行限制和管理。其優點如下：

    對于各個級別如管理員、工程師、監管員、操作員，如果采用域帳戶時，進行訪問時登陸必須經過域控制器的校驗，提高了各個級別安全性。

    對于系統中預制的用戶只需要進行一個權限的修改變可訪問設定的共享文件夾。如HMI Abstract/Data Mapping/Report/
對于Control Builder 等組態軟件用域控用戶進行管理，有效的進行記錄，便于工作的整理和變更記錄輸出，并具備嚴格的電子簽名記錄。

    對于與其它第三方應用軟件進行通訊的設置中，如OPC，有利于對DCOM 等端口的進行用戶安全設置和管理。

                  

                        圖表 3權限等級劃分表

    權限劃分及實現

    控制設備操作等級分為就地、站場、中控三個級別，就地和站場的切換是由現場執行機構的現場開關進行切換的，因此需要考慮到軟的操作級別切換即站場和中控的操作切換權限的設計。正常情況下，由中控對全線管線進行操作控制，以下情況下站場可以進行搶奪操作：

    中控和站控的失去通訊
    站控處于維護階段或是其它緊急狀況

    實現方法：

    在HMI設計中進行權限限制，如泵、閥門等設備的操作面板。在Control Builder控制器算法組態中設置切換和搶奪兩個變量，經過運算后在每一類設備的操作面板中判斷權限后然后再進行相應的操作命令。

    而主備調控中心主要組態中設置切換變量，進行提示。操作員以操作員模式的不同身份進行登陸確認進行操作和控制。

               

                         圖表 4權限判斷邏輯標志圖

    過程數據（Process ）組態的單體啟動、組啟動、站啟動的邏輯設計

    對于每個站場，都是一個過程數據控制系統。設計規劃中充分利用各基本模塊的功能，操作命令的基本調用，特別是在全線邏輯中的循環調用。要充分發揮控制器設計的簡單和穩定性高的特點，將大部分程序設計在此中實現完成。如分別設置單體啟動的邏輯標志，在組啟動中調用所選用的單體邏輯，在站啟動中調用組啟動中的組邏輯，從而簡化了邏輯實現的過程。

               

                         圖表 5程序調用邏輯順序圖

    各個站場數據的相互訪問邏輯判斷和操作

    對于全線啟輸邏輯控制、全線停輸操作、水擊保護邏輯等程序需要綜合各個站場的過程數據，進行邏輯運算后發出相應的指令到相應的站場執行，因此必須在調度控制中心EPKS SCADA系統的服務器上進行數據綜合運算，其提供兩種運算方式，分別是Server Scripts 和Points Scripts兩種，分別由自動或者手動腳本引擎（Scripts Engine）進行管理，在以上兩類腳本的使用過程中，我們在設計時需要注意以下兩點：

    Server Scripts為周期性掃描處理方式，對引擎中的腳本的數量有嚴格限制；
    Points Scripts為事件觸發式處理方式，對引擎中的腳本的數量沒有太多的限制，能夠有效的優化程序的運行，降低系統負荷。

    根據管線的以上操作和控制屬于觸發式方式，因此選擇Points Scripts進行各個站場數據的相互訪問邏輯判斷和操作才是合理的。在整個管線的啟停操作和水擊邏輯聯鎖保護中，涉及到各個數據庫數據的邏輯判斷和控制操作，其中具體的控制邏輯執行過程由遠程站場的控制器（C200）實現。這里僅闡述各個數據的相互調用，采用EPKS中的專用軟件包Quick Builder 實現，關于所有數據的監測采用變化然后判斷的機制。實現過程簡述如下：

    首先在Quick Builder中建立中間變量，根據原始數據運算判斷結果賦予中間變量，中間變量發生變化后，使用Server VB Script中的腳本引擎，對中間變量的變化進行判斷，然后執行各個站場相應的命令控制操作。所有這些以嵌入數據庫的VB Script為依據。

    使用Quick Builder軟件包的專用算法如PV 傳遞和邏輯運算簡化判斷邏輯。
    此部分實現了管線操作中的全線啟停和水擊保護部分的邏輯，一下對邏輯中關鍵的標志參數進行說明：

    3.5.1全線啟輸操作說明：
    首站只需執行本站啟動命令即可，以下對中間站全線啟輸操作說明：
    需要同時具備以下四個條件同時為真：
    收到全線啟動輸油命令
    上站起動成功標志
    本站壓力上升到一個門檻值
    本站確認需要啟動

    3.5.2全線停輸操作說明：
    需要同時具備以下兩個條件同時為真：

    本站收到停輸命令
    上游站停輸完成
    或：
    下游站已停輸
    下游站非正常停輸條件標志滿足

    3.5.3水擊保護邏輯說明：
    SCADA系統在水擊發生時能夠有效的對管道進行操作，阻斷壓力的傳播。主要包括各段管道水擊條件的判斷，并執行非正常停輸操作。需要同時具備以下各個條件為真，且延時固定時間后仍為真，則需要進行緊急停輸，水擊發生時，對各個條件形成日志和事件報警，將異常停輸標志和停輸的水擊條件同時作為停相關站場的停輸條件。

    本站進站泄壓閥開始泄壓三分鐘后壓力仍然達到水擊保護值。
    本站出站泄壓閥開始泄壓三分鐘后壓力仍然達到水擊保護值
    中間截斷閥室突然關閉（壓力、流量、閥位反饋等多個標志量同時滿足）

    油品置換、均勻分輸和庫區計量的信息交互和操作

    在當前的工業控制系統應用中，控制系統的廠家經常要與各個廠家油品計量的專業軟件進行操作信息的交互和操作，因此在這個過程中的工藝過程接口的安全和原理操作設計尤為重要，但是這個過程接口往往稱為不同的專業負責，關于此部分設計不夠詳細，劃分不夠清晰，造成設計和實現的盲點。例如，成品油管道中油品計量是非常重要的一部分，在均勻分輸過程中，某種油品計量達一定的數量后，由流量計算機付出指令給控制系統，對相應的油品切換閥門進行操作。其中批次計劃的信息可以由批次計劃表給出，有序安排油品輸送和油品下載計劃。因此在設計和實現時要注意以下事項：

    對于信息交互的方式，設計中一般操作控制的數據點采用硬接線的方式，保證信號的可靠性。對于部分如質量、流量、密度等信息采用串行通訊的方式進行數據傳輸和交換。

    目前通用的為MODBUS RTU協議，由于多廠家的校驗方式、啟停止位、數據起始地址的差異，包括各個廠家產品的相互干擾，有時現場二次表傳輸時將雷擊引入室內，因此在設計時最好將各個設備儀表進行隔離，并考慮到抗干擾措施和防雷措施，避免后續工作各個設備的相互影響和損壞。

    HMI與控制的有效結合，簡化組態

    管線中的HMI畫面一般都要求根據設備開啟的狀態和設備流動情況變化實現管線流程的狀態顏色變化，便于操作員的監視過程，具體實現時一方面要考慮盡可能減小對畫面調用速度的影響，同時簡化實現管線變色判斷的方式，一般有方法如下：
使用VB Script在General 頁面中定義Function 實現，有限制，大量使用會降低靜態畫面的更新速率。因此在選用時要考慮系統畫面的更新時間，合理使用控制層的運算過程點。

    使用Breakpoints對管線進行條件判斷，進行變色條件的判斷和處理。

    其它管道應用部分功能開放性端口：OPC協議

    作為OPC服務器，同時為管線的其它應用功能如仿真、批次跟蹤、泄漏檢測等功能提供數據。但是考慮到優化系統服務器在工業控制中的高效性能，因此對于OPC客戶端的訪問數量必須要有嚴格的優化。OPC數據傳輸對單點信息傳輸包的數據包括了控制點的所有參數，因此對刷新頻率和組中項的個數進行嚴格的限制，才能保證系統的高效運算和處理能力。

    結束語

    EPKS 系統 Process部分在石油化工等行業發揮著廣泛的作用，通過以上簡述和項目的實現過程，我們認識到EPKS系統SCADA結合Process部分以它獨特的技術方案應用在長距離成品油管道，它集成使用了傳統工控系統各個方面的功能，有效了實現了成品油管道的運行和管理，在管道生產和實踐運行中也逐漸證明了它應用的良好效果，希望能夠給以后的設計提供有效的參考，進一步挖掘它的應用特點，更好的為生產服務。