趙曉旭

（中國石油西部管道酒泉輸油氣分公司，甘肅 酒泉 735100）

0 引言

安全生產(chǎn)是企業(yè)的生命線，是企業(yè)各項工作的重中之重。只有安全生產(chǎn)得到保障，企業(yè)才能不斷地發(fā)展。輸氣站場中為保證管道及設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行，關(guān)鍵時刻有效保護(hù)人員生命與設(shè)備安全，在現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)中有一整套的保護(hù)系統(tǒng)及邏輯，ESD系統(tǒng)作為現(xiàn)場緊急安全系統(tǒng)其重要性不言而喻。

圖1 ESD程序中COMM_PLC例程下ESD與PLC通信程序Fig.1 ESD and PLC communication program under COMM_PLC routine in ESD program

輸氣站場SCADA系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備都是冗余配置，常見的有控制器冗余、電源冗余、通信服務(wù)器冗余以及通信網(wǎng)絡(luò)冗余，其目的是減少系統(tǒng)故障發(fā)生概率，提高SCADA系統(tǒng)的可靠性，確保油氣管道穩(wěn)定、可控運(yùn)行[1]。但單純的硬件上的冗余不能夠完全保證整個系統(tǒng)的冗余，且局部的不冗余也會導(dǎo)致某個環(huán)節(jié)薄弱，大大降低了系統(tǒng)的可靠性，這就需要在系統(tǒng)規(guī)劃時兼顧硬件與軟件、整體與局部，同時還要考慮如何避免某些極端情況下可能發(fā)生的事故。

在西氣東輸三線站場SCADA系統(tǒng)中，過程控制PLC和緊急停車系統(tǒng)ESD均選用了羅克韋爾自動化公司的AB ControlLogix控制器及相關(guān)控制系統(tǒng)。站控PLC主要負(fù)責(zé)普通工藝參數(shù)采集，如一般閥門、壓縮機(jī)、空壓機(jī)、空冷器以及壓縮機(jī)廠房進(jìn)排風(fēng)機(jī)的狀態(tài)采集和控制等工作；而ESD系統(tǒng)則負(fù)責(zé)關(guān)鍵工藝參數(shù)采集與邏輯判斷、ESD閥門控制以及站場三級ESD的執(zhí)行。每個設(shè)備一般只能由一個系統(tǒng)控制，而在實(shí)際的工藝運(yùn)行和聯(lián)鎖保護(hù)邏輯中則需要ESD和PLC相互配合工作。比如全站ESD觸發(fā)后，ESD系統(tǒng)首先向過程控制PLC發(fā)送一個命令，然后由PLC再向壓縮機(jī)廠房所有進(jìn)、排風(fēng)機(jī)再下發(fā)停機(jī)命令[2]。

1 西氣東輸三線站場ESD與PLC系統(tǒng)通信現(xiàn)狀

以西三線某站為例，通過對站控PLC和ESD系統(tǒng)程序進(jìn)行細(xì)致分析，可以看出三線站場ESD與站控PLC是通過使用MSG指令中的CIP Data Table Write和CIP Data Table Read功能由ESD向PLC傳送和讀取數(shù)據(jù)的。ESD和PLC程序中分別建立了ESD_to_PLC_INT和PLC_to_ESD_INT的DINT[10]類型的同名數(shù)組來相互傳送所需要的數(shù)據(jù)。ESD與PLC通信程序MSG指令的配置如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 A網(wǎng)數(shù)據(jù)寫入配置Fig.2 A network data write configuration

圖3 A網(wǎng)數(shù)據(jù)寫入路徑Fig.3 A network data write path

圖4 A網(wǎng)數(shù)據(jù)讀取配置Fig.4 A network data read configuration

根據(jù)ESD與PLC通信配置可知，三線站場ESD與PLC是通過SCADA系統(tǒng)以太網(wǎng)A網(wǎng)（172.17.153. XXX）進(jìn)行相互通信的。一旦出現(xiàn)某些情況（比如ENBT模塊故障、網(wǎng)線接頭松動、交換機(jī)故障等）將會導(dǎo)致ESD與PLC通信中斷，且現(xiàn)有的系統(tǒng)邏輯中并沒有對ESD與PLC間的通信狀態(tài)進(jìn)行診斷，運(yùn)行人員無法及時發(fā)現(xiàn)ESD與PLC系統(tǒng)通信故障，使得系統(tǒng)容易帶病運(yùn)行。如果在ESD與PLC通信中斷的情況下全站ESD邏輯觸發(fā)，壓縮機(jī)廠房進(jìn)、排風(fēng)機(jī)將無法停止運(yùn)行，二、三線聯(lián)絡(luò)閥XV1701、XV1702無法正常關(guān)閉，燃料氣撬進(jìn)口閥XV37107、XV37207無法關(guān)閉，燃料氣撬放空閥ESDV37105也無法放空，勢必造成事故的擴(kuò)大化。

此外，西三線站場壓縮機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)信號（出站超溫、壓縮機(jī)出口匯管超壓、壓縮機(jī)進(jìn)口匯管低壓、儀表氣低壓）均接入了ESD系統(tǒng)，在控制器中進(jìn)行2oo3表決運(yùn)算后通過通信軟點(diǎn)傳送至過程PLC，再由PLC向壓縮機(jī)UCP系統(tǒng)下發(fā)正常停機(jī)命令（硬點(diǎn)信號）。如果ESD與PLC通信中斷，壓縮機(jī)所有保護(hù)聯(lián)鎖停機(jī)邏輯也將失效，對壓縮機(jī)的安全運(yùn)行也極為不利。

2 改進(jìn)措施

要實(shí)現(xiàn)ESD與PLC系統(tǒng)通信的網(wǎng)絡(luò)冗余，基本思路是增加通信B網(wǎng)（172.17.21. XXX），另外還需要配置一套通信狀態(tài)檢測機(jī)制來對兩個系統(tǒng)間的通信狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時診斷。當(dāng)A網(wǎng)出現(xiàn)故障后由系統(tǒng)自動切換至B網(wǎng)，或當(dāng)B網(wǎng)出現(xiàn)故障后自動切換為A網(wǎng)，同時SCADA系統(tǒng)上位機(jī)中產(chǎn)生故障報警，提醒運(yùn)行人員及時處理故障。此外，還應(yīng)限制A網(wǎng)和B網(wǎng)同時傳送數(shù)據(jù)，不增加MSG指令的非預(yù)定性連接數(shù)和系統(tǒng)資源的占用。修改邏輯時還應(yīng)注意編程思路和新建標(biāo)簽盡量與原來的程序保持一致，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與標(biāo)簽域設(shè)置合理。

由于ESD與PLC系統(tǒng)均配置了兩塊以太網(wǎng)通信模塊，物理上的冗余通信鏈路本身就存在，所以新增的B網(wǎng)不增加任何硬件成本，只需要在各自的控制器進(jìn)行相應(yīng)的組態(tài)即可。

2.1 通信B網(wǎng)配置

在ESD程序中需要新建ESD_to_PLC_W1和ESD_to_PLC_R1的數(shù)據(jù)類型為MESSAGE的控制器域標(biāo)簽，用來供ESD通過B網(wǎng)與PLC交換數(shù)據(jù)，圖6與圖7為數(shù)據(jù)讀寫路徑配置。

圖5 A網(wǎng)數(shù)據(jù)讀取路徑Fig.5 A network data read path

圖6 B網(wǎng)數(shù)據(jù)寫入路徑Fig.6 B Network data write path

圖7 B網(wǎng)數(shù)據(jù)讀取路徑Fig.7 B network data read path

2.2 通信診斷

圖8 PLC程序COMM_ESD例程的最后增加的通信診斷程序Fig.8 The last added communication diagnostics for PLC program COMM_ESD routines

圖9 ESD程序COMM_PLC例程中修改的程序段Fig.9 Program segments modified in COMM_PLC routines for ESD programs

通信診斷的功能是實(shí)時檢測ESD與PLC系統(tǒng)的通信狀態(tài)，通信中斷后產(chǎn)生報警，確保通信可靠。PLC每秒鐘向ESD系統(tǒng)發(fā)送一次時鐘檢測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在1～60的范圍內(nèi)循環(huán)遞增。ESD每秒鐘將PLC發(fā)送的時鐘檢測數(shù)據(jù)與前一周期接收到的該數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果不相等，則說明接收到的值是實(shí)時變化的，表明通信正常；如果兩者相等，則說明ESD沒有收到最新的時鐘檢測數(shù)據(jù)，ESD與PLC系統(tǒng)通信不正常，ESD與PLC通信故障點(diǎn)ESD_PLC_COMM_FLT被置1。

2.3 網(wǎng)絡(luò)自動切換

網(wǎng)絡(luò)自動切換用于實(shí)現(xiàn)兩條通信鏈路的熱備用，在通信故障產(chǎn)生時實(shí)現(xiàn)自動切換，確保通信的可靠性。以上程序中ESD_to_PLC_W與ESD_to_PLC_R兩個MSG指令只是在原來的邏輯上增加了執(zhí)行條件，參數(shù)設(shè)置并沒有改變。上述程序段所實(shí)現(xiàn)的功能是在每次ESD與PLC通信中斷時，使雙整形數(shù)ESD_PLC_COMM_SHIFT（ESD與PLC通信鏈路切換點(diǎn)）二進(jìn)制取反一次，使得布爾量ESD_PLC_COMM_SHIFT.0在0和1之間切換。當(dāng)ESD_PLC_COMM_SHIFT.0為0時，ESD與PLC通過A網(wǎng)交換數(shù)據(jù)；當(dāng)ESD_PLC_COMM_SHIFT.0為1時，ESD與PLC通過B網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，這樣即可實(shí)現(xiàn)通信故障時網(wǎng)絡(luò)自動切換。為了防止由于干擾造成網(wǎng)絡(luò)的頻繁切換，通過現(xiàn)場實(shí)際測試，此處設(shè)置的故障延遲時間為3s即可滿足要求。

2.4 通信中斷時上位機(jī)報警

為了實(shí)現(xiàn)ESD與PLC系統(tǒng)通信故障的及時發(fā)現(xiàn)與處理，需要將通信故障點(diǎn)ESD_PLC_COMM_FLT上傳至上位機(jī)進(jìn)行報警提示。首先應(yīng)在將通信故障點(diǎn)賦值給一個空的N7地址，然后根據(jù)該N7地址換算出IEC地址，通過在RCI和上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行相應(yīng)的配置即可實(shí)現(xiàn)通信故障的實(shí)時報警。

需要注意的是在兩個通信服務(wù)器中均要進(jìn)行配置，且兩個RCI中的配置信息要相同，以保證在RCI進(jìn)行主備切換時不影響該數(shù)據(jù)的上傳。

3 結(jié)束語

通過少量的程序設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了西三線站場SCADA系統(tǒng)中最重要的兩個子系統(tǒng)間通信網(wǎng)絡(luò)的冗余熱備，修復(fù)了薄弱環(huán)節(jié)，使得整個SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)趨于合理，大大減小了運(yùn)行風(fēng)險。