葉 強，申榮春

（中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇 揚州 225009）

0 引 言

目前，儀表自動化系統(tǒng)發(fā)展方向是儀表數(shù)字化、先進控制軟件技術(shù)實用化、計算機網(wǎng)絡(luò)化以及發(fā)展計算機監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA），以適應(yīng)石油、化工工業(yè)發(fā)展的需要，取得更大的經(jīng)濟效益。監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）在國內(nèi)外已得到廣泛的應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

SWCC一直是中石化石油工程建設(shè)有限公司發(fā)展沙特業(yè)務(wù)的重點公司之一，本項目的實施對提升中石化石油工程建設(shè)有限公司在海外業(yè)務(wù)拓展上有著重要的影響意義。

1 SWCC輸水管道工藝及控制要求

1.1 SWCC輸水管道工藝

沙特SWCC輸水項目約有200 km的輸水管道線路工程、水泵站及配套的附屬設(shè)備、同溝敷設(shè)的光纜通信系統(tǒng)及陰保系統(tǒng)、控制中心。沙特SWCC輸水項目輸水管道最大設(shè)計輸量為604 000 m/d，設(shè)計壓力最大為75 barg，線路全長約200 km，線路采用多級泵站加壓輸水工藝。沿途設(shè)PS1-C首泵站、PS2-C加壓泵站，OWT1、OWT2緩沖站及高端蓄水站（帶加氯消毒功能），4座電動截斷閥室，3處陰極保護深井。輸水起點設(shè)在沙特西海岸鹽步市的海水淡化工廠，末站設(shè)在沙特圣城麥地那的MOWE凈化水廠。

1.2 SWCC輸水控制要求

本項目自動控制系統(tǒng)包括計算機控制系統(tǒng)和遠程控制儀表。自動控制系統(tǒng)的要求是確保輸水系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟節(jié)能地運行。中央控制中心和場站控制室的調(diào)度及操作人員通過操作工作站計算機就可以掌控泵站系統(tǒng)及管道系統(tǒng)工藝過程的壓力、溫度、水質(zhì)、流量、設(shè)備運行狀態(tài)等信息，同時又可以檢測各分系統(tǒng)的運行狀況，實現(xiàn)對各個站場和全線管道的運行管理及監(jiān)控。

各分站控制系統(tǒng)將完成對該站的數(shù)據(jù)采集、過程控制、聯(lián)鎖保護等工作，并為中央控制中心提供相關(guān)數(shù)據(jù)，反饋和執(zhí)行中央控制室發(fā)出的動作指令。

2 SWCC輸水管道SCADA系統(tǒng)設(shè)計

2.1 SCADA系統(tǒng)控制模式

本項目采用的是日本橫河機電設(shè)計生產(chǎn)的FAST/TOOLSSCADA系統(tǒng)，該產(chǎn)品具有開放式軟件結(jié)構(gòu)，支持多個操作系統(tǒng)；高性能和大容量，緊湊、高效的FAST/TOOLS結(jié)構(gòu)意味著無需使用獨立的服務(wù)器處理報警、實時數(shù)據(jù)、歷史或任何其他SCADA功能；廣泛的擴展性，單個服務(wù)器最多支持1 600萬點的數(shù)據(jù)庫容量；非常適合應(yīng)用在沙特SWCC這種大型綜合輸水項目控制系統(tǒng)。

SCADA系統(tǒng)采用多級控制方式，一般由中央控制中心、站控系統(tǒng)及遠程終端裝置構(gòu)成。SCADA系統(tǒng)對各站實施遠距離的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制、安全保護和統(tǒng)一運行管理。中央控制中心可向各站控制系統(tǒng)發(fā)出操作指令，由站控系統(tǒng)完成控制命令；中央控制中心通過通信系統(tǒng)實現(xiàn)資源共享、信息的實時采集和集中處理。全線采用中央控制級，在正常情況下，日常的輸水工作都在中央控制中心的監(jiān)視和控制下進行，沿線場站無需在人工操作下進行自動化控制。對此擬展開論述如下。

（1）站場控制級。通過站控系統(tǒng)對站內(nèi)工藝變量及設(shè)備運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及聯(lián)鎖保護。在無人值守的OWT1、OWT2緩沖站經(jīng)中央控制室的授權(quán)，可以對站場進行授權(quán)范圍內(nèi)的操作。當(dāng)通信系統(tǒng)發(fā)生故障或者系統(tǒng)檢修時，通過站控系統(tǒng)對各站實施監(jiān)控與控制。

（2）單元控制。操作人員監(jiān)視和控制現(xiàn)場的儀表、閥門和泵，通過每個單元控制系統(tǒng)的觸摸屏加以調(diào)控只有在中央控制和場站控制通信出現(xiàn)問題或者得到授權(quán)才可以進行單元控制。

（3）就地控制。站內(nèi)運行人員完全進行手動操作，需要通過讀寫現(xiàn)場變送器的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)動機械開關(guān)或者按鈕來維持輸水系統(tǒng)運行。當(dāng)系統(tǒng)進行設(shè)備維修或者遇到緊急情況下，才會采用就地控制模式。

2.2 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中央控制中心是沙特SWCC輸水SCADA系統(tǒng)的中樞，是生產(chǎn)運行的最高監(jiān)控和操作平臺，實現(xiàn)對沿線泵站與場站現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)與運行狀態(tài)的監(jiān)管及控制，并可執(zhí)行場站和管線的實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及生成生產(chǎn)報表等指令。整個系統(tǒng)中的所有服務(wù)器都采用了熱冗余技術(shù)，確保當(dāng)個別服務(wù)器出現(xiàn)故障或維修時，自動切換至備用設(shè)備，不影響系統(tǒng)的輸水功能，提高場站安全運行的可靠性。

沙特SWCC輸水項目中主要通信媒介是采用同溝敷設(shè)的72芯光纜和沙特STC通信公司的公共網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)交換是使用標(biāo)準工業(yè)以太網(wǎng)，通過路由器及交換機實現(xiàn)中央控制中心與各分站的直接通信。

圖1為SWCC項目SCADA系統(tǒng)框架圖，包括中央控制室的服務(wù)器配置情況，如操作師站用于日常監(jiān)控系統(tǒng)運行，工程師站用于工程師更新系統(tǒng)組態(tài)或更改系統(tǒng)控制邏輯中的個別參數(shù)，提高SCADA系統(tǒng)的控制性能。每個站控服務(wù)器在位置上劃分區(qū)別，但又在邏輯控制上作為一個獨立整體，既可以統(tǒng)一部署實時數(shù)據(jù)采集、發(fā)送的工作任務(wù)，又可以根據(jù)場站的具體情況獨立實現(xiàn)監(jiān)視控制作用。

圖1 SWCC輸水SCADA系統(tǒng)框架圖Fig.1 SCADA system diagram of SWCC water delivery project

沙特SWCC輸水SCADA系統(tǒng)中的通信包含3種方式：內(nèi)部通信、與I/O設(shè)備通信及外界通信。用戶與服務(wù)器直接以及服務(wù)器直接的通信主要是請求式，設(shè)備驅(qū)動程序與I/O設(shè)備通信大部分也采用請求式，由于輸水場站在沙特屬于重要的安全場所，安全級別較高，為防止他人誤操作或者蓄意破壞現(xiàn)在設(shè)備，所以采用請求式，只有得到授權(quán)的操作才是被允許了，從而提高了整個輸水的安全可靠性。圖2為SWCC輸水管道通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 SWCC輸水通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Communication system structure diagram of SWCC water delivery project

3 SWCC輸水管道SCADA系統(tǒng)功能實現(xiàn)

以中央控制中心為例，其主要實現(xiàn)功能是根據(jù)工藝流程和工藝設(shè)備的控制要求而被開發(fā)編制組態(tài)的，包括每個工藝設(shè)備的動作及時序，以及各種邏輯聯(lián)鎖保護功能。系統(tǒng)主要功能如下：

（1）工藝流程。系統(tǒng)研發(fā)的工藝流程圖畫面中顯示了沙特SWCC輸水項目的所有泵站和終端站及全部管線的當(dāng)前狀態(tài)，主要的參數(shù)為進出場站的水流量、水壓力、場站蓄水量及水溫度。操作人員可以通過設(shè)置在中央控制室的液晶顯示器上，掌握整個輸水系統(tǒng)中，各個重要場站的信息，提高了工作效率。

（2）控制流程。圖3為控制流程圖主畫面，其中顯示了大罐、液壓控制閥、泵的當(dāng)前狀態(tài)及現(xiàn)場儀表變送器的當(dāng)前反饋數(shù)值。點擊控制界面的圖標(biāo)，會彈出相應(yīng)的控制面板進行控制。

圖3 SWCC項目系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 System control diagram of SWCC water delivery project

（3）操作界面。圖4為PS1-C站場各子系統(tǒng)顯示集成的操作界面，通過點擊相對于的圖標(biāo)可以了解相關(guān)分系統(tǒng)的狀態(tài)以及當(dāng)前數(shù)據(jù)。比如，泵冷卻水系統(tǒng)的切換、泵的啟停狀態(tài)、電氣系統(tǒng)的輸出狀態(tài)、UPS處于充電還是放電過程、緩沖罐空壓機防水擊系統(tǒng)是否具備投入條件等。同時又可以通過畫面顏色的變化，得知模擬量或者數(shù)字量數(shù)據(jù)是否在正常工作范圍。系統(tǒng)對關(guān)鍵的數(shù)據(jù)設(shè)定了高報、高高報、低報、低低報警，當(dāng)某一參數(shù)超出范圍值，就會出現(xiàn)閃爍的報警畫面，同時伴有刺耳的警報聲。此外還有趨勢曲線圖、歷史曲線圖，都可以根據(jù)現(xiàn)在的實際需要調(diào)整曲線顯示類型、時間長度和時間間隔等。自動生產(chǎn)報表，每2 h采集記錄一次場站內(nèi)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，參數(shù)包括管道壓力、溫度等，并以Excel形式通過打印機打印出來，每天定時打印。

圖4 PS1-C場站操作界面圖Fig.4 Operation interface diagram of PS1-C station

（4）泵系統(tǒng)監(jiān)視控制畫面。圖5為泵系統(tǒng)控制畫面。泵系統(tǒng)作為整個輸水項目核心設(shè)備，關(guān)系著項目的安全和經(jīng)濟效益，所以對泵的監(jiān)視與控制是運行團隊的首要任務(wù)，除了前文描述的聯(lián)鎖保護控制以外，還增加了ESD系統(tǒng)。ESD系統(tǒng)是當(dāng)泵系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況可以及時切斷系統(tǒng)，能最大程度地保護人員安全和設(shè)備安全。操作員可以用手觸發(fā)ESD系統(tǒng)，按鈕分別設(shè)置在控制室和泵房的門口。

圖5 PS1-C泵系統(tǒng)控制畫面Fig.5 Pump operation screen of PS1-C station

4 結(jié)束語

沙特SWCC輸水管道項目SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了輸水管線的自動化建設(shè)。該系統(tǒng)的應(yīng)用，使得管線及沿線場站的工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以實時采集并發(fā)送給工作人員，對現(xiàn)場的電氣儀表設(shè)備進行實時監(jiān)控與控制，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以對遠程場站進行分析、控制與管理。自動化是現(xiàn)代工業(yè)的重要標(biāo)志，SWCC項目的高度自動化技術(shù)應(yīng)用，能夠提高生產(chǎn)效率，降低人力人本，方便企業(yè)管理決策，在確保安全輸水中起到了極其重要的作用。