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    項(xiàng)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(qū)，全長2000公里。全線設(shè) 21 個(gè)站場，8個(gè)遠(yuǎn)控切斷閥和2 個(gè)調(diào)度控制中心。它是一條長距離、多品種、多分輸點(diǎn)、單管密閉順序輸送成品油的輸油管道,所有泵站和管路構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的水力系統(tǒng)。管道輸送介質(zhì)包括0#柴油、97#汽油、93#汽油三種油品，管道運(yùn)行管理及控制要求采用先進(jìn)可靠的SCADA系統(tǒng)，對全線各個(gè)站場、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集、傳輸和記錄、處理，對管道進(jìn)行監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度和控制，并具有報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)、緊急關(guān)斷等安全保護(hù)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(diào)度控制中心及SCADA系統(tǒng)是輸油管道的神經(jīng)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(tǒng)兩部分）系統(tǒng)集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)中心控制、站控和就地控制相結(jié)合的控制方式。站控和就地控制相結(jié)合的控制方案是通過設(shè)置于站場EPKS (Process功能部分)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，并且通過分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (Distributed System Architecture) ，數(shù)據(jù)共享給調(diào)度控制中心，從而實(shí)現(xiàn)了全局?jǐn)?shù)據(jù)庫信息的調(diào)用，不需重復(fù)組態(tài)，簡單方便。同時(shí)，相鄰的站場也具備了數(shù)據(jù)的互訪功能。強(qiáng)大的開放性功能組件選擇DNP3協(xié)議實(shí)現(xiàn)了站控系統(tǒng)服務(wù)器和8個(gè)遠(yuǎn)控切斷閥室-RTU的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)督控制，從而完成整條管線的數(shù)據(jù)采集和控制。

    本文將 EPKS和成品油管線監(jiān)視和控制過程工藝相結(jié)合，具體闡述了管線操作應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)方法，包括設(shè)備基本操作、初始投油、停輸再啟、全線停輸、水擊保護(hù)和批次計(jì)劃等設(shè)計(jì)過程，同時(shí)也重點(diǎn)講解了設(shè)計(jì)中所選用的重要參數(shù)管理。
分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選取

             

                    圖表 1分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（DSA）

    分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Distributed System Architecture) ，簡稱為DSA，實(shí)現(xiàn)了全局?jǐn)?shù)據(jù)庫信息的調(diào)用，分別位于各個(gè)服務(wù)器的SQL數(shù)據(jù)庫通過一定的授權(quán)形成了全局共享結(jié)構(gòu)，通過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限和用戶驗(yàn)證模式的設(shè)置，保證了系統(tǒng)的高度安全性。其中在SQL服務(wù)器的數(shù)據(jù)多發(fā)布、多分發(fā)和訂閱，采用多種數(shù)據(jù)的復(fù)制模型，達(dá)到了數(shù)據(jù)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的高效數(shù)據(jù)庫。

    以上提到了有關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，確保DSA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中SQL數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的高效傳輸，特別需要注意如下事項(xiàng)：
采用多播的方式。多播的傳輸方式將同一數(shù)據(jù)包分別發(fā)送給不同進(jìn)行請求的服務(wù)器，能夠大大降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流，并通過指定的地址（225.7.4.103）和端口（2911）進(jìn)行有效傳輸。EPKS系統(tǒng)使用多播方式提供服務(wù)器的狀態(tài)和連接狀態(tài)的偵聽。【1】因此DSA在廣域網(wǎng)中必須在相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備中進(jìn)行配置。一般路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備此端口是關(guān)閉的，必須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩丝陂_通和配置。但是， 針對本網(wǎng)絡(luò)中調(diào)度中心服務(wù)器請求各站場的服務(wù)器數(shù)據(jù)的星形網(wǎng)絡(luò)的需求，必須關(guān)閉多播。

    本管線整個(gè)廣域網(wǎng)絡(luò)采用光纖傳輸，每個(gè)站場內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)，采用百兆網(wǎng)絡(luò)，由相關(guān)的控制器、操作站、服務(wù)器、其他第三方通訊設(shè)備、交換機(jī)和路由器組成。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層冗余容錯(cuò)以太網(wǎng)FTE（Fault Tolerance Ethernet）的劃分和組態(tài)，以及實(shí)現(xiàn)了路由器和交換機(jī)的冗余切換機(jī)制。其中僅在服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中設(shè)置網(wǎng)關(guān)，使調(diào)度中心網(wǎng)絡(luò)僅對站場服務(wù)器層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，與控制層相隔離，達(dá)到更高的安全性。

    其中DSA相關(guān)的配置注意事項(xiàng)如下：

    由于DSA網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)眾多，數(shù)據(jù)量大，調(diào)度中心數(shù)據(jù)調(diào)用時(shí)采用放在服務(wù)器內(nèi)置緩存中進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，所以在規(guī)劃時(shí)數(shù)據(jù)變量不能采用相同的名字，21個(gè)站場變量名字前分別按站場添加相應(yīng)的數(shù)字1至21進(jìn)行區(qū)別，保證各個(gè)站控制點(diǎn)名的唯一性。
分布式網(wǎng)絡(luò)（DSA）采用系統(tǒng)專用管理級賬戶（mngr），要求在所有系統(tǒng)專用管理級帳戶時(shí)采用相同的密碼，便于統(tǒng)一安全認(rèn)證管理。

    每個(gè)站控有一對冗余服務(wù)器和冗余控制器，位于調(diào)度控制中心的為一對冗余服務(wù)器。管線站控服務(wù)器為21個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)布者，向中控和相鄰站場數(shù)據(jù)庫提供控制和操作數(shù)據(jù)。其中8個(gè)遠(yuǎn)程閥室的數(shù)據(jù)通過DNP3協(xié)議直接遞交給相鄰的一個(gè)站場，然后傳遞給調(diào)度控制中心服務(wù)器。站間服務(wù)器也進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，也通過分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，并且可以任意選取站間信息、事件和報(bào)警信息的顯示。

    設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)和難點(diǎn)
    報(bào)警事件信息的區(qū)域管理和設(shè)計(jì)
    報(bào)警管理對于如此龐大的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，需要采用統(tǒng)一的分級分區(qū)管理模式，調(diào)度控制中心的調(diào)度員只負(fù)責(zé)對工藝報(bào)警進(jìn)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(tǒng)報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題上報(bào)處理。對于每個(gè)站場進(jìn)行分區(qū)域處理，如控制器、卡件等分配在系統(tǒng)區(qū)，其他工藝邏輯組態(tài)分配在操作區(qū)。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(shè)置實(shí)現(xiàn)，Experion PKS 系統(tǒng)在報(bào)警組態(tài)上實(shí)現(xiàn)了控制層和操作層的統(tǒng)一結(jié)合。其中這樣的區(qū)域管理也便于操作級別上的管理和設(shè)置。設(shè)計(jì)中如下表：

           

                        圖表 2報(bào)警區(qū)域劃分設(shè)計(jì)表

    域控管理和電子簽名體制

    本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)服務(wù)器、操作站約有50個(gè)節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中采用主備域控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理的方式，對域內(nèi)訪問的用戶進(jìn)行限制和管理。其優(yōu)點(diǎn)如下：

    對于各個(gè)級別如管理員、工程師、監(jiān)管員、操作員，如果采用域帳戶時(shí)，進(jìn)行訪問時(shí)登陸必須經(jīng)過域控制器的校驗(yàn)，提高了各個(gè)級別安全性。

    對于系統(tǒng)中預(yù)制的用戶只需要進(jìn)行一個(gè)權(quán)限的修改變可訪問設(shè)定的共享文件夾。如HMI Abstract/Data Mapping/Report/
對于Control Builder 等組態(tài)軟件用域控用戶進(jìn)行管理，有效的進(jìn)行記錄，便于工作的整理和變更記錄輸出，并具備嚴(yán)格的電子簽名記錄。

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

                  

                        圖表 3權(quán)限等級劃分表

    權(quán)限劃分及實(shí)現(xiàn)

    控制設(shè)備操作等級分為就地、站場、中控三個(gè)級別，就地和站場的切換是由現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場開關(guān)進(jìn)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(quán)限的設(shè)計(jì)。正常情況下，由中控對全線管線進(jìn)行操作控制，以下情況下站場可以進(jìn)行搶奪操作：

    中控和站控的失去通訊
    站控處于維護(hù)階段或是其它緊急狀況

    實(shí)現(xiàn)方法：

    在HMI設(shè)計(jì)中進(jìn)行權(quán)限限制，如泵、閥門等設(shè)備的操作面板。在Control Builder控制器算法組態(tài)中設(shè)置切換和搶奪兩個(gè)變量，經(jīng)過運(yùn)算后在每一類設(shè)備的操作面板中判斷權(quán)限后然后再進(jìn)行相應(yīng)的操作命令。

    而主備調(diào)控中心主要組態(tài)中設(shè)置切換變量，進(jìn)行提示。操作員以操作員模式的不同身份進(jìn)行登陸確認(rèn)進(jìn)行操作和控制。

               

                         圖表 4權(quán)限判斷邏輯標(biāo)志圖

    過程數(shù)據(jù)（Process ）組態(tài)的單體啟動、組啟動、站啟動的邏輯設(shè)計(jì)

    對于每個(gè)站場，都是一個(gè)過程數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)規(guī)劃中充分利用各基本模塊的功能，操作命令的基本調(diào)用，特別是在全線邏輯中的循環(huán)調(diào)用。要充分發(fā)揮控制器設(shè)計(jì)的簡單和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，將大部分程序設(shè)計(jì)在此中實(shí)現(xiàn)完成。如分別設(shè)置單體啟動的邏輯標(biāo)志，在組啟動中調(diào)用所選用的單體邏輯，在站啟動中調(diào)用組啟動中的組邏輯，從而簡化了邏輯實(shí)現(xiàn)的過程。

               

                         圖表 5程序調(diào)用邏輯順序圖

    各個(gè)站場數(shù)據(jù)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(hù)邏輯等程序需要綜合各個(gè)站場的過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行邏輯運(yùn)算后發(fā)出相應(yīng)的指令到相應(yīng)的站場執(zhí)行，因此必須在調(diào)度控制中心EPKS SCADA系統(tǒng)的服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合運(yùn)算，其提供兩種運(yùn)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(jìn)行管理，在以上兩類腳本的使用過程中，我們在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下兩點(diǎn)：

    Server Scripts為周期性掃描處理方式，對引擎中的腳本的數(shù)量有嚴(yán)格限制；
    Points Scripts為事件觸發(fā)式處理方式，對引擎中的腳本的數(shù)量沒有太多的限制，能夠有效的優(yōu)化程序的運(yùn)行，降低系統(tǒng)負(fù)荷。

    根據(jù)管線的以上操作和控制屬于觸發(fā)式方式，因此選擇Points Scripts進(jìn)行各個(gè)站場數(shù)據(jù)的相互訪問邏輯判斷和操作才是合理的。在整個(gè)管線的啟停操作和水擊邏輯聯(lián)鎖保護(hù)中，涉及到各個(gè)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的邏輯判斷和控制操作，其中具體的控制邏輯執(zhí)行過程由遠(yuǎn)程站場的控制器（C200）實(shí)現(xiàn)。這里僅闡述各個(gè)數(shù)據(jù)的相互調(diào)用，采用EPKS中的專用軟件包Quick Builder 實(shí)現(xiàn)，關(guān)于所有數(shù)據(jù)的監(jiān)測采用變化然后判斷的機(jī)制。實(shí)現(xiàn)過程簡述如下：

    首先在Quick Builder中建立中間變量，根據(jù)原始數(shù)據(jù)運(yùn)算判斷結(jié)果賦予中間變量，中間變量發(fā)生變化后，使用Server VB Script中的腳本引擎，對中間變量的變化進(jìn)行判斷，然后執(zhí)行各個(gè)站場相應(yīng)的命令控制操作。所有這些以嵌入數(shù)據(jù)庫的VB Script為依據(jù)。

    使用Quick Builder軟件包的專用算法如PV 傳遞和邏輯運(yùn)算簡化判斷邏輯。
    此部分實(shí)現(xiàn)了管線操作中的全線啟停和水擊保護(hù)部分的邏輯，一下對邏輯中關(guān)鍵的標(biāo)志參數(shù)進(jìn)行說明：

    3.5.1全線啟輸操作說明：
    首站只需執(zhí)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(shí)具備以下四個(gè)條件同時(shí)為真：
    收到全線啟動輸油命令
    上站起動成功標(biāo)志
    本站壓力上升到一個(gè)門檻值
    本站確認(rèn)需要啟動

    3.5.2全線停輸操作說明：
    需要同時(shí)具備以下兩個(gè)條件同時(shí)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(biāo)志滿足

    3.5.3水擊保護(hù)邏輯說明：
    SCADA系統(tǒng)在水擊發(fā)生時(shí)能夠有效的對管道進(jìn)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(zhí)行非正常停輸操作。需要同時(shí)具備以下各個(gè)條件為真，且延時(shí)固定時(shí)間后仍為真，則需要進(jìn)行緊急停輸，水擊發(fā)生時(shí)，對各個(gè)條件形成日志和事件報(bào)警，將異常停輸標(biāo)志和停輸?shù)乃畵魲l件同時(shí)作為停相關(guān)站場的停輸條件。

    本站進(jìn)站泄壓閥開始泄壓三分鐘后壓力仍然達(dá)到水擊保護(hù)值。
    本站出站泄壓閥開始泄壓三分鐘后壓力仍然達(dá)到水擊保護(hù)值
    中間截?cái)嚅y室突然關(guān)閉（壓力、流量、閥位反饋等多個(gè)標(biāo)志量同時(shí)滿足）

    油品置換、均勻分輸和庫區(qū)計(jì)量的信息交互和操作

    在當(dāng)前的工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中，控制系統(tǒng)的廠家經(jīng)常要與各個(gè)廠家油品計(jì)量的專業(yè)軟件進(jìn)行操作信息的交互和操作，因此在這個(gè)過程中的工藝過程接口的安全和原理操作設(shè)計(jì)尤為重要，但是這個(gè)過程接口往往稱為不同的專業(yè)負(fù)責(zé)，關(guān)于此部分設(shè)計(jì)不夠詳細(xì)，劃分不夠清晰，造成設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的盲點(diǎn)。例如，成品油管道中油品計(jì)量是非常重要的一部分，在均勻分輸過程中，某種油品計(jì)量達(dá)一定的數(shù)量后，由流量計(jì)算機(jī)付出指令給控制系統(tǒng)，對相應(yīng)的油品切換閥門進(jìn)行操作。其中批次計(jì)劃的信息可以由批次計(jì)劃表給出，有序安排油品輸送和油品下載計(jì)劃。因此在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí)要注意以下事項(xiàng)：

    對于信息交互的方式，設(shè)計(jì)中一般操作控制的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用硬接線的方式，保證信號的可靠性。對于部分如質(zhì)量、流量、密度等信息采用串行通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。

    目前通用的為MODBUS RTU協(xié)議，由于多廠家的校驗(yàn)方式、啟停止位、數(shù)據(jù)起始地址的差異，包括各個(gè)廠家產(chǎn)品的相互干擾，有時(shí)現(xiàn)場二次表傳輸時(shí)將雷擊引入室內(nèi)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)最好將各個(gè)設(shè)備儀表進(jìn)行隔離，并考慮到抗干擾措施和防雷措施，避免后續(xù)工作各個(gè)設(shè)備的相互影響和損壞。

    HMI與控制的有效結(jié)合，簡化組態(tài)

    管線中的HMI畫面一般都要求根據(jù)設(shè)備開啟的狀態(tài)和設(shè)備流動情況變化實(shí)現(xiàn)管線流程的狀態(tài)顏色變化，便于操作員的監(jiān)視過程，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)一方面要考慮盡可能減小對畫面調(diào)用速度的影響，同時(shí)簡化實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)，有限制，大量使用會降低靜態(tài)畫面的更新速率。因此在選用時(shí)要考慮系統(tǒng)畫面的更新時(shí)間，合理使用控制層的運(yùn)算過程點(diǎn)。

    使用Breakpoints對管線進(jìn)行條件判斷，進(jìn)行變色條件的判斷和處理。

    其它管道應(yīng)用部分功能開放性端口：OPC協(xié)議

    作為OPC服務(wù)器，同時(shí)為管線的其它應(yīng)用功能如仿真、批次跟蹤、泄漏檢測等功能提供數(shù)據(jù)。但是考慮到優(yōu)化系統(tǒng)服務(wù)器在工業(yè)控制中的高效性能，因此對于OPC客戶端的訪問數(shù)量必須要有嚴(yán)格的優(yōu)化。OPC數(shù)據(jù)傳輸對單點(diǎn)信息傳輸包的數(shù)據(jù)包括了控制點(diǎn)的所有參數(shù)，因此對刷新頻率和組中項(xiàng)的個(gè)數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的限制，才能保證系統(tǒng)的高效運(yùn)算和處理能力。

    結(jié)束語

    EPKS 系統(tǒng) Process部分在石油化工等行業(yè)發(fā)揮著廣泛的作用，通過以上簡述和項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過程，我們認(rèn)識到EPKS系統(tǒng)SCADA結(jié)合Process部分以它獨(dú)特的技術(shù)方案應(yīng)用在長距離成品油管道，它集成使用了傳統(tǒng)工控系統(tǒng)各個(gè)方面的功能，有效了實(shí)現(xiàn)了成品油管道的運(yùn)行和管理，在管道生產(chǎn)和實(shí)踐運(yùn)行中也逐漸證明了它應(yīng)用的良好效果，希望能夠給以后的設(shè)計(jì)提供有效的參考，進(jìn)一步挖掘它的應(yīng)用特點(diǎn)，更好的為生產(chǎn)服務(wù)。