基于AB PLC的长输油气管道SCADA站控系统的实现

王 文

（国家管网集团公司北方管道有限责任公司长沙输油气分公司，湖南长沙 410006）

当前，我国长输油气管道基本采用先进的SCADA 系统实现全线自动化控制。本研究是围绕管道自动化系统选用性能及可靠性都很高的美国A-B公司的ControlLogix 系列PLC，实现了对站场设备的控制及保护，完成工艺要求。本文从系统构成方面介绍了以AB PLC 为核心的SCADA 站控系统的组成。

1 油气管道SCADA系统组成

长输管道SCADA 系统以4C（Computer，Control，Communication，CRT）技术为基础，主要由调控中心的中控系统（DCC）、输油气场站的站控系统（SCS）、通信系统（COMM）三部分构成，实现遥信、遥测、遥控和遥调的“四遥”功能。

2 站控系统SCS

站控系统由站控计算机、控制器（PLC 或RTU）及流量计算机等第三方智能设备组成。站控系统组成：硬件包括过程控制PLC 系统、安全仪表PLC 系统、操作员/工程师工作站、交换机、路由器、广域网通信设备、单独控制系统（压缩机控制系统、炉控系统、计量系统）等。软件包括操作系统、站控系统软件、单独控制系统后台软件。输油气站场内的各种工艺设备、工艺参数的采集、监视、控制、保护等全部由站控系统完成，可以说站控系统是整个SCADA 系统逻辑控制的主要承载体，如图1所示。

图1 典型站场站控系统配置图

站控系统实现以下主要功能：

1）采集站内温度、压力、差压、液位及阀位等信号。

2）经通信接口与第三方的监控系统或智能设备交换信息。

3）监控各种工艺设备的运行状态。

4）对电力设备、阴极保护、可燃气体的监视和报警。

5）压力、流量的调节与控制。

6）逻辑控制与联锁保护。

7）紧急停车（ESD）。

8）为调度控制中心和后备控制中心提供有关数据。

9）接受并执行调度控制中心下达的命令等。

3 站控系统的PLC

PLC 是Programmable Logic Controller的缩写，中文全称为可编程逻辑控制器。它是一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统，采用可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数以及算术运 算等操作指令，并通过数字或模拟的输入和输出部件控制各 种类型的生产过程及生产设备。本文讨论的是 AB（Allen Bradley）公司的ControlLogix 系列PLC，如图2所示。

图2 1AB PLC框架组成图

4 基于PLC的站控系统设计与施工的总体思路

4.1 工艺设计

（1）通过发布初步设计，确定总的工艺和设备控制原则和自动化水平。

（2）SCADA 系统技术规格书。

（3）工艺及仪表控 制流程图（P&ID）。

（4）监控I/O 点表。

（5）工艺及设备的操作原理，作为自动化专业编程的原则和基础。

（6）根据工艺操作原理编制的逻辑图，作为编程的指导文件。

4.2 实验室编程与测试（含FAT和SAT）

（1）完成卡件排列表的编制、机柜集成图的绘制。

（2）PLC 数据库的分配及程序编制。

（3）上位机数据库组态及画面的绘制。

（4）成基础测试内容、I/O 通道100%测试、控制逻辑模拟测试、全线保护/操作逻辑测试。

（5）进行PID 调试系统参数的整定，完成系统操作手册的编制，配合工艺和设备的投产。

5 重要设计内容

5.1 工艺管道及仪表流程图（P&ID）

可以获得与SCADA 系统相关的如下信息：

（1）主要的工艺显示参数数量，如压力、温度、液位等。

（2）主要的受控设备数量，如电动阀、调节阀、泵机组等。

（3）主要工艺参数及受控设备的信号走向。

（4）调节阀PID 调节参数。

（5）控制回路的联锁，如压力保护停泵等。

5.2 工艺操作原理

可以获得与站控系统相关的如下信息：

（1）管道系统总体控制目标和水平。

（2）各站场与调度控制中心之间传输的数据信息。

（3）SCADA 控制功能的划分。

（4）各站场系统控制功能概述。

（5）管道系统的安全保护。

（6）各主要设备检测参数和控制要求，如：输油泵机组、远控阀门、调节阀、流量计等。

（7）各站场主要工艺保护参数、站保护联锁功能、主要工艺操作、受控设备联锁操作等。

（8）管线全线运行操作，应急工况的处理（水击超前保护、水击决策表等）。

6 系统集成与测试

6.1 卡件排列表根据监控I/O点表

遵循以下原则进行排列：

（1）根据每个机架的槽数进行排列，如A4、A7、A17机架等；根据每个机架的槽数进行排列如机架等。

（2）每种I/O 类型的总点数应留有20%～30%的余量。

（3）对I/O 总点数及扩展机架数量的限制（AB规定为扩展机架 3、对I/O 总点数及扩展机架数量的限制（AB 规定为扩展机架不超过64个节点，一个机架所有DI 或DO 算一个节点，AI、AO 等各站一个节点、MSG 指令也占一个节点）。

（4）以太网通讯模块应与处理器模块共同排列在同一机架上。

（5）同一设备的反馈点或命令点应连续。

6.2 机柜集成

主要针对PLC 机柜柜内的接线进行布置，包括以下一些资料：

（1）机柜布置图，该图纸包括对机柜正面以及背面的机架、空开、端子、防浪涌、继电器等设备进行布线的方式。

（1）模板接线原理图，该图一般需查询PLC 产品的说明书。

（2）端子接线图，该图纸为每一个I/O 点的机柜内接线方式。

（3）回路供电端子接线图，该图主要针对I/O 回路供电进行规划和分布。

6.3 PLC数据库的建立

一份完整的PLC 数据库应该包括数据点的归类、编程位号、所在电缆号、功能描述、信号类型、I/O 类型、量程、单位、报警值设定、所在的I/O 通道情况、与上位机通信的地址位和其他信息的备注。

6.4 工厂测试验收（FAT）

主要工作内容有：

（1）硬件/软件设备检查。

（2）上位机基本功能测试（系统启停、用户权限、历史数据处理、时钟同步、冗余切换等）。

（3）人机界面验收（画面完整性及功能测试）。

（4）PLC 机柜内设备检查及冗余切换测试。

（5）程序结构检查。

（6）I/O 通道100%连通性测试（包括DI、DO、AI、AO、RTD 等 为FAT 主要工作内容）。

（7）对模块化编程后的程序模块进行模拟测试。

（8）对水击超前保护系统进行模拟联调。

（9）对全线控制逻辑（如全线启/停输等）进行模拟联调。

（10）完成FAT 记录报告并由相关方面进行签字确认（设计、建设及施工三方签字）。

6.5 现场测试验收（SAT）

主要工作内容有：

（1）PLC 机柜及柜内设备的现场验收。

（2）PLC 程序结构验收。

（3）数字量输入回路测试（液位/流量/压力开关、可燃气体报警等）。

（4）数字量输出回路测试（声光报警等）。

（5）模拟量输入回路测试（压力、温度、液位、流量、泵保护参数等，同时需与PLC 核对量程）。

（6）单体受控设备测试（风机、污油泵、电动阀、调节阀、泵机组等受控设备）。

（7）站控逻辑测试（包括泵切换、泵顺序启停、收发球、压力保护停泵等）。

（8）PID 调节系统的参数整定（在正式投产后进行整定）。

（9）全线控制逻辑测试（全线启停输等）。

（10）全线水击超前保护测试（事故甩泵、泵全停、干线阀门误关等）。

（10）全线ESD 保护测试（进站ESD、进站压力超高等）。

（12）完成SAT 记录报告并由相关方面进行签字确认（设计、监理、建设、施工及运行五方签字）。

7 结束语

长输油气管道SCADA 的站控系统由以AB PLC控制器为核心，实现了输油气站场内的各种工艺设备、工艺参数的采集、监视、控制，可以说以PLC 为核心的站控系统是整个SCADA 系统逻辑控制的主要承载体，实现对整个生产过程的数据采集、监视与控制。