第四章1 油氣管道SCADA系統(tǒng).

1、第四章 油氣管道SCADA系統(tǒng)n第1節(jié) SCADA系統(tǒng)概述n第2節(jié) SCADA系統(tǒng)組成與功能n第3節(jié) SCADA系統(tǒng)軟件n第4節(jié) SCADA系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)n第5節(jié) SCADA系統(tǒng)控制邏輯 n第6節(jié) SCADA系統(tǒng)國(guó)內(nèi)應(yīng)用n第7節(jié) 油氣管道仿真技術(shù)第1節(jié) 油氣管道SCADA系統(tǒng)概述SCADA已經(jīng)成為復(fù)雜的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。n目的目的n 全面監(jiān)測(cè)全線工藝參數(shù)。n必要性必要性n 安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保 現(xiàn)代化的輸油氣管道形成了以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)承擔(dān)著管道的壓力與流量調(diào)節(jié)、水擊保護(hù)、油品計(jì)量、流程切換和啟停泵等幾乎所有工作。一、SCADA的基本概念1、什么是SCADA系統(tǒng)?nSCA

2、DA-nSupervisory Control And Data Acquisation，n即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng) n數(shù)據(jù)采集：將站場(chǎng)上的壓力數(shù)據(jù)采集：將站場(chǎng)上的壓力溫度溫度流量流量閥閥位等參數(shù)變成直觀的數(shù)字顯示出來的過程位等參數(shù)變成直觀的數(shù)字顯示出來的過程.n監(jiān)控：遠(yuǎn)程監(jiān)視控制監(jiān)控：遠(yuǎn)程監(jiān)視控制圖1 某大型油田SCADA系統(tǒng)n如圖1 所示為某大型油田SCADA系統(tǒng)n該系統(tǒng)包括位于井口的現(xiàn)場(chǎng)控制層設(shè)備，如RTU和PLC、接轉(zhuǎn)站監(jiān)控子系統(tǒng)、聯(lián)合站計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和油田中心站監(jiān)控系統(tǒng)。、n這種結(jié)構(gòu)在其他類似的系統(tǒng)中也可以看到。n如城市給排水系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)、輸油管道遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、電廠自

3、動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)SCADA定義目前 SCADA系統(tǒng)并沒有統(tǒng)一的定義。一般認(rèn)為，SCADA特指分布式遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。 測(cè)控點(diǎn)分散、分布范圍廣 的生產(chǎn)過程、至少有2層 下位機(jī)下位機(jī)： 上位機(jī)上位機(jī) 通信網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)可以有多個(gè)監(jiān)控中心近年來 更加多樣化。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、無線通信技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)上更加分散、通信方式多樣、nSCADA系統(tǒng)的定義nSCADA系統(tǒng)是一類功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成了對(duì)測(cè)控點(diǎn)分散的各種過程或設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，本地貨遠(yuǎn)程的自動(dòng)控制，以及生產(chǎn)過程的全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，并為安全生產(chǎn)、調(diào)度、管理、優(yōu)化和故

4、障診斷提供必要和完整的數(shù)據(jù)及支持。nSCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代。系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代。 n第一代是基于專用計(jì)算機(jī)和專用第一代是基于專用計(jì)算機(jī)和專用操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的的SCADA系統(tǒng)，這一階段是從計(jì)算系統(tǒng)，這一階段是從計(jì)算機(jī)運(yùn)用到機(jī)運(yùn)用到SCADA系統(tǒng)時(shí)開始到系統(tǒng)時(shí)開始到70年代。年代。 n第二代是第二代是80年代基于通用計(jì)算機(jī)的年代基于通用計(jì)算機(jī)的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其它計(jì)算機(jī)以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的等其它計(jì)算機(jī)以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX操作操作系統(tǒng)系統(tǒng)。n第一代與第二代第一代與第二代S

5、CADA系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是基于系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是基于集中式集中式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開放性，因而不具有開放性，因而系統(tǒng)維護(hù)系統(tǒng)維護(hù)，升級(jí)以及與其它聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成很大困難。，升級(jí)以及與其它聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成很大困難。 n第三代基于分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的第三代基于分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的EMS/SCADA系統(tǒng)，系統(tǒng)，n90年代按照開放的原則，這一階段是我國(guó)年代按照開放的原則，這一階段是我國(guó)SCADA/EMS系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，各種最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)都匯集進(jìn)各種最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)都匯集進(jìn)SCADA/EMS系統(tǒng)中。系統(tǒng)中。n第四代第四代SCADA/EMS

6、系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件已經(jīng)誕生。系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件已經(jīng)誕生。n該系統(tǒng)的主要特征是采用該系統(tǒng)的主要特征是采用Internet技術(shù)、技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)面向?qū)ο蠹夹g(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及JAVA技術(shù)等技術(shù)，繼續(xù)擴(kuò)大技術(shù)等技術(shù)，繼續(xù)擴(kuò)大SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，2、SCADA系統(tǒng)發(fā)展歷程系統(tǒng)發(fā)展歷程3、SCADA系統(tǒng)應(yīng)用nSCADA在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。nSCADA在鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用較早，在提高鐵路運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度管理水平起到了很大的作用。nSCADA系統(tǒng)在我國(guó)長(zhǎng)輸管道中得到廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)在我國(guó)長(zhǎng)輸管道中得到廣泛的應(yīng)用。 90年代以

7、后，我國(guó)通過開發(fā)和引進(jìn)全面掌握了SCADA系統(tǒng)的技術(shù)，逐步對(duì)在役管道實(shí)施改造，對(duì)新建管道進(jìn)行裝備，基本上使我國(guó)長(zhǎng)輸管道的SCADA系統(tǒng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 4、SCADA系統(tǒng)在電力系統(tǒng)監(jiān)控中的應(yīng)用n功能主要包括以下幾個(gè)方面： 自動(dòng)檢測(cè)與防止干擾功能。 數(shù)據(jù)采集功能。 數(shù)據(jù)處理和制表功能。 遙控功能。 復(fù)視功能。 5、SCADA系統(tǒng)在管道的應(yīng)用系統(tǒng)在管道的應(yīng)用n80年代末東營(yíng)-黃島輸油管道n1992年投產(chǎn)的輪南-庫(kù)爾勒管道n1997年投產(chǎn)的庫(kù)爾勒-善鄯管道n1997年投產(chǎn)的陜京一線輸氣管道n2002年投產(chǎn)的蘭成渝成品油管道n2004年投產(chǎn)的西氣東輸管道 二、SCADA系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)n1.生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管

8、理級(jí)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)n2.中心監(jiān)控級(jí)n3. 站控級(jí)n4.就地控制級(jí)n n1.下位機(jī)下位機(jī)n2.上位機(jī)n3. 通訊系統(tǒng)n 公司管理計(jì)算機(jī)其他網(wǎng)絡(luò)顯示、打印經(jīng)營(yíng)策略市場(chǎng)信息調(diào)控中心服務(wù)器調(diào)度員站 調(diào)度員站工程師維護(hù)打印泄漏檢測(cè)、批次跟蹤站場(chǎng)服務(wù)器操作員站通信線路控制器現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備站場(chǎng)服務(wù)器操作員站控制器現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備閥室RTU現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備閥室RTU現(xiàn)場(chǎng)儀表、設(shè)備生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)中心監(jiān)控級(jí)站控級(jí)就地控制級(jí)MIS系統(tǒng)站場(chǎng)1站場(chǎng)N遠(yuǎn)控閥室N遠(yuǎn)控閥室1 生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖1.生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理級(jí) n1.1 基本功能n生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理級(jí)計(jì)算機(jī)級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中管理軟件作出決策，向本管道的SCADA系統(tǒng)下

9、達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃、管理命令等。n該級(jí)還可以對(duì)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督、通過人機(jī)接口掌握生產(chǎn)狀況，如系統(tǒng)或站的流程圖及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)與趨勢(shì)、有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)并制作圖等。n該級(jí)決策的特點(diǎn)是：目標(biāo)宏觀、決策周期長(zhǎng)。n1.2 組成n一般由一個(gè)性能較強(qiáng)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，在離SCADA較遠(yuǎn)時(shí)，往往需要衛(wèi)星、微波或光纖等遠(yuǎn)程通信設(shè)施。由于該級(jí)不直接參與生產(chǎn)過程控制，因此對(duì)該級(jí)主機(jī)的可靠性要求不高 2.中心監(jiān)控級(jí)n2.1 基本功能 該級(jí)負(fù)責(zé)整個(gè)管線的調(diào)度和監(jiān)控，例如對(duì)供方和需方產(chǎn)品的監(jiān)視和計(jì)算，產(chǎn)品輸送過程，對(duì)各站下達(dá)控制命令，全線生產(chǎn)協(xié)調(diào)控制（水擊控制、清管、越站等）。n2.2 組成n控制中心的計(jì)算機(jī)一般為網(wǎng)絡(luò)冗

10、余結(jié)構(gòu)，冗余方法有熱備（自動(dòng)切換）、冷備（人工切換）等。 3 站控系統(tǒng)3 站控系統(tǒng)n3.1 基本功能n是對(duì)站內(nèi)裝置、輔助系統(tǒng)及生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督和控制 n3.2 組成n站控系統(tǒng)一般由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的人機(jī)接口、卡件（AO,AI,DI,DO）及通信接口組成。n現(xiàn)在多用PLC充當(dāng)RTU，大型的站控系統(tǒng)也可以采用DCS。站控系統(tǒng)的組成nPLC系統(tǒng)系統(tǒng)nMMI系統(tǒng)系統(tǒng)n計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)n可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)nUPS系統(tǒng)系統(tǒng)n其他外設(shè)其他外設(shè)4.就地控制級(jí)n4.1基本功能n各類裝置的就地控制 n4.2 組成n在管道系統(tǒng)中，就地控制級(jí)主要各類的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及各智能設(shè)備的控制系統(tǒng)。 三、PLC、

11、DCS、FCS比較比較n在一些行業(yè)FCS是由PLC發(fā)展而來的；n而在另一些行業(yè)，F(xiàn)CS又是由DCS發(fā)展而來的，所以FCS與PLC及DCS之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，又存在著本質(zhì)的差異。 PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)nPLCn（1）從開關(guān)量控制發(fā)展到順序控制、運(yùn)送處理，是從下往上的。n （2）連續(xù)PID控制等多功能，PID在中斷站中。n （3）可用一臺(tái)PC機(jī)為主站，多臺(tái)同型PLC為從站。n （4）也可一臺(tái)PLC為主站，多臺(tái)同型PLC為從站，構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。nPLCn （5）PLC網(wǎng)格既可作為獨(dú)立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統(tǒng)。n （6）大系統(tǒng)同DCS/TDCS，如

12、TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。n （7）PLC網(wǎng)絡(luò)如Siemens公司的SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSECNET/MINI。n （8）主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。nDCS或TDCSn （1）分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng)TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)。n （2）從上到下的樹狀拓?fù)浯笙到y(tǒng)，其中通信（Communication）是關(guān)鍵。n （3）PID在中斷站中，中斷站

13、聯(lián)接計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表與控制裝置。n （4）是樹狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表。n nDCS或TDCSn （5）模擬信號(hào)，A/DD/A、帶微處理器的混合。n （6）一臺(tái)儀表一對(duì)線接到I/O，由控制站掛到局域網(wǎng)LAN。n （7）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場(chǎng)儀表（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站）的3級(jí)結(jié)構(gòu)。n （8）缺點(diǎn)是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的。n （9）用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制，如石化等 n23 FCSn （1）基本任務(wù)是：本質(zhì)（本征）安全、危險(xiǎn)區(qū)域、易變過程、難于對(duì)付的非常環(huán)境。n （2）全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。n （3）用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺(tái)儀器兩根線。n （4）在總線上PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。n23 FCSn （5）多變量、多節(jié)點(diǎn)、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點(diǎn)、并行、模擬系統(tǒng)。n （6）是互聯(lián)的、雙向的、開放的取代單向的、封閉的。n （7）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。n （8）由現(xiàn)場(chǎng)電腦操縱，還可掛到上位機(jī)，接同一總線的上一級(jí)計(jì)算機(jī)。n （9）局域網(wǎng)，再可與