1、概述 1.1橫河SCADA系統簡介 橫河SCADA系統主要包括三大部分：除了傳統意義的數據庫、人機界面HMI和遠程終端單元RTU，還包括安全聯鎖系統ESD。其中數據庫和人機界面軟件是橫河的FAST/TOOLS，該軟件包安裝于服務器和一般PC工作站，用于數據的采集存儲，流程畫面的顯示等。遠程終端單元是橫河的STARDOM控制系統，該系統是由傳統PLC控制器的基礎上發展而來，用于提供給各種現場儀表接口，采集各種儀表的數據，實現一般邏輯控制，并將數據上傳給人機界面或從人機界面接收操作命令并將命令實現到現場控制閥等儀表。安全聯鎖系統是橫河的PROSAFE-RS控制系統，該系統符合安全等極SIL3，用于工藝中的安全聯鎖邏輯和一些緊急關斷的執行。 當然介于這三個部分之間是必不可少的通訊網絡部分，其中FAST/TOOLS和STARDOM之間一般采用光纖以太網通訊，也可以采用衛星、無線等通訊方式。而FAST/TOOLS和PROSAFE-RS之間可以用同軸電纜、串口電纜通訊或橫河專用的Vnet/IP電纜。 橫河SCADA系統常用于石油、天然氣開采，石油、天然氣管道輸送等上游行業，同時也可以用于水處理，水輸送，電廠工業現場。 1.2 FAST/TOOLS簡介 從通俗角度講，FAST/TOOLS是一個HMI軟件。FAST/TOOLS 意義為Flexible、Advance、System、Techniques、TOOLS，它具有靈活可靠的特性和先進的技術優勢。它可以給用戶提供集成的TOOLS（工具包）解決方案，包括以下功能： [list] [＊]圖形化操作員界面； [＊]報警處理與管理； [＊]歷史數據存儲與回裝； [＊]趨勢圖顯示； [＊]面向對象的過程建模； [＊]提供與其它應用系統的接口； [＊]報表生成； [＊]跟蹤審計； [＊]可編程的順序控制； [＊]用戶應用開發； [/list] 1.3 STARDOM簡介 [align=center] 圖1.2 橫河Stardom控制器[/align] 橫河Stardom是一個基于網絡的控制系統（NCS），其定位介于低端的PLC控制器和高端的DCS系統之間。其控制模塊上提供直接的RJ45網絡接口，因此非常方便用于以以太網為控制網絡的系統中。 從硬件角度來講，它是一個模塊化的系統，按不同功能分有底板模塊、供電模塊、CPU控制模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊以及串口通訊模塊等。并提供標準的19英寸安裝尺寸。其中供電模塊、控制模塊和網絡接口都采用冗余配置。 從軟件角度來講，它以IEC61131標準語言作為邏輯編程語言，其中包括功能塊（FB）、梯形圖（LD）、順控圖（SFC）、結構體文本（ST）、指令表（IL）。同時支持多種通訊接口（協議）：如TCP/IP、OPC、HART、Foundation Fieldbus、Web服務器和E-mail服務器。 1.4 PROSAFE-RS簡介 [align=center] 圖1.3 橫河Prosafe-RS控制器[/align] 橫河PROSAFE-RS是一個緊急關斷系統或安全儀表系統（ESD/SIS），符合IEC61508標準國際安全完整性等級SIL3。本系統采用符合國際標準的規范安全編程方式，通過安全軟件和硬件的協同工作 ，保證安全信號采集和處理的可靠性。 PROSAFE-RS可用于石油、天然氣開采，石油、天然氣輸送，煉油廠，烯烴廠等工業現場的安全控制。主要負責事故緊急停車，閥門緊急關斷，火災氣體檢測報警控制等。并通過PC工作站對生產過程中所發生的與安全有關的事件作記錄。 2、天然氣管道輸送的應用 2.1、 天然氣管道輸送 天然氣輸氣管線一般具有管線長、距離遠，控制點分散，控制工藝相對簡單等特點。這些特點再綜合性價比等因素宜采用SCADA系統。 下面舉例橫河于2005年底投入現場使用的珠海－中山天然氣管道SCADA系統來詳細介紹橫河SCADA系統在天然氣管道輸送中的運用。 2.2 、珠海－中山天然氣管道工程概況 珠海－中山天然氣輸送管線起始于廣東省珠海市橫琴島，終止于廣東省中山市南朗鎮橫門，包括一條干線和兩條支線，全長64.5公里。全線共設工藝站場5座，截斷閥室5座，其中站場包括橫琴首站，南屏分輸站、南朗分輸站，洪灣電廠末站、橫門電廠末站，截斷閥室包括洪灣分輸閥室、坦洲分輸閥室、金鼎分輸閥室、翠亨分輸閥室、橫門分輸閥室。 該管線已于2006年2月全線投產供氣，采用橫河SCADA系統作為管線自控系統，目前系統運行良好，為客戶的生產節約了勞動成本，提高了安全可靠性，帶來了較大的經濟效益。 2.3、珠海－中山天然氣管道SCADA系統結構 如下圖所示，為珠海－中山天然氣管道SCADA項目的系統結構圖。整個SCADA系統分調度中心、站控系統、閥室RTU、通訊網路幾部分。 調度控制中心的主要任務是通過各站的站控系統或RTU/ESD對該站場和閥室進行數據采集及控制，同時實現管道模擬、輸送計劃、設備運行優化、計量管理、模擬培訓等任務。調度控制中心的操作人員通過計算機系統的操作員工作站所提供的管道系統工藝過程的壓力、溫度、流量、密度、設備運行狀態等信息，完成對管道全線的運行監控和管理。操作人員還可通過調度管理計算機完成輸送計劃、貿易結算等調度管理工作。 站控系統和閥室的RTU將完成對本工藝站場或閥室的監控及連鎖保護等任務，并接受和執行調度控制中心下達的命令。通訊網絡則是沿線各站控系統、閥室RTU與調度中心相互間交換數據的紐帶。 2.4 調度中心 調度中心設有2臺SCADA冗余服務器、1臺工程師站、2臺雙屏操作員站、1臺報表打印機、1臺報警打印機、1臺彩色趨勢圖打印機，另外還有1臺培訓工作站、2臺管道仿真和漏點檢測（LDS）工作站、1套大屏幕投影系統、1臺GPS網絡時間服務器、1臺硬件防火墻，以及冗余的交換機和路由器各2臺。 SCADA服務器安裝FastTools服務器端軟件，這里采集整個管線的所有實時工藝數據，形成數據庫，并將相關數據作歷史存儲。SCADA服務器采用冗余配置，即任何情況下只有1臺服務器處于工作狀態，另外1臺服務器處于備用狀態，一旦處于工作狀態的服務器發生故障，控制功能將立即自動切換到備用服務器中，而且任何時候兩臺服務器上的數據將自動同步一致。 操作員站安裝FastTools客戶端軟件，這里聚集了整個管線的所有動態工藝流程圖，作為SCADA服務器的客戶端，它的所有數據取至SCADA服務器，它只提供圖行操作界面，相當于圖行工作站。現場生產操作人員的所有與生產有關的操作、調度都將通過這2臺操作員站完成。 工程師站安裝FastTools客戶端軟件，同時也安裝本SCADA系統中的其它組態軟件，如Stardom和Prosafe-RS的編程組態軟件。用戶工程師可以通過工程師站對SCADA系統的組態、程序等作修改。 報表打印機將完成生產日報、月報，調度運行日報、月報，計量日報、月報的答應輸出，采用A3激光打印機。報警打印機采用點陣打印機，對生產過程中發生的所有報警信息和事件實時打印輸出。彩色趨勢圖打印機將主要提供趨勢圖的打印輸出功能，同時也滿足用戶打印相關流程畫面的需求。 培訓工作站將安裝橫河FastTools、Stardom、Prosafe-RS等軟件，則用于對操作員如何使用橫河SCADA系統進行日常操作的培訓，也可以用來培訓工程師熟悉橫河的SCADA軟件。 管道模擬仿真和漏點檢測（LDS）系統由第三方－英國ATMOS公司提供，其主要功能是作為輸氣管道控制和管理的工具，應完成準確地評價管道的過去、解釋管道當前發生的事件、預測管道的未來等任務，為操作調度人員提供調度和操作參考，以保證管道安全、平穩、高效、經濟運行。同時它能提供漏點檢測功能，即如果整個天然氣輸氣管線某一個地方發生泄漏，通過軟件能判斷出泄漏所在地。該系統采用OPC協議從SCADA服務器讀取數據。 大屏幕投影系統則是完成將操作員站等圖行工作畫面放大的功能，以方便操作員和人員較多時監控。 GPS網絡時間服務器是整個SCADA系統的時間同步服務器，它通過天線定位衛星，獲取最準確的時間數據，然后SCADA系統的其它設備，如SCADA服務器、操作員站、RTU控制器、流量計量子系統等都可以作為GPS的客戶端來完成時間的同步。 硬件防火墻測試對整個SCADA網絡上的所有設備進行防病毒和防入侵的保護。 此外交換機和路由器將連接到第三方公司提供通訊設別上完成通訊功能。 2.5、站控系統 首站、分輸站、末站等5個站場都各設有1套站控系統。 站控系統的最主要組成部分是遠程終端單元RTU（或稱過程控制系統）和安全聯鎖系統ESD。其中還輔以1臺操作員站、打印設備和網絡設備等。 過程控制系統采用橫河Stardom控制器，將采集本站的一般的工藝過程數據。如進站壓力、溫度，出站壓力、溫度，過濾器差壓，流量撬閥門開關控制，調壓撬溫度、閥門開關控制，流量調節等，這些信號中模擬量都采用標準的4～20mA信號，數字量采用干觸點或24VDC有源節點。同時提供RS485接口給站場其它子系統或智能儀表，如流量計量子系統通過RS485接口采用MODBUS通訊協議將流量數據上傳給Stardom控制器，然后再上傳至站控操作員站和調度中心服務器，流量數據包括瞬時標況體積流量、累積標況體積流量、每日累積體積流量、每月累積體積流量等。 安全聯鎖系統采用橫河Prosafe-RS安全控制器，主要采集一些站場和管線中的重要的壓力數據，和進、出站總閥數據，并對進、出站總閥門進行安全聯鎖邏輯關斷控制。如發生緊急情況（如管線壓力超高），則系統將自動發出命令關閉進站、出站閥門。同時Prosafe-RS安全控制器還提供給可燃氣探測、火災報警等子系統RS485接口，采集可燃氣濃度和火災報警數據傳給站控操作員站和調度中心。 站控操作員站將只采集和顯示本站以及本區域內的閥室的工藝數據和動態流程圖。并提供報表、報警打印功能等。站控操作員站的設置主要是起輔助性作用，即當站場與調度中心的通訊線路發生故障時，操作人員可以在站場內對本站數據進行監控。下圖為操作員站流程圖示例： 2.6 、閥室RTU 5個截斷閥室在生產過程中是無人值守的，每個閥室內都設1套遠程終端單元RTU（或稱過程控制系統）。過程控制系統采用橫河Stardom控制器，采集本閥室內的溫度、壓力、可燃氣濃度等數據，并控制本閥室的氣液聯動閥。Stardom控制器通過交換機、路由器和其它網絡設備如光纖等將數據上傳至調度中心或附近的站場操作員站。 2.7、通訊網路 由于整個天然氣管線的各站場、閥室等都相距較遠，有的幾公里，有的十幾公里甚至二十幾公里），所以采用光纖和郵電公網進行通信。光纖通信作為主通信通道，郵電公網作為備用通信通道。當主通信通道故障時，應自動切換到備用通信通道上。該切換應由SCADA系統自動完成并記錄備案。 IP地址識別和路由轉換由設在調度中心、站場和閥室內的交換機和路由器來具體執行和完成。