构架原油长输管道SCADA/OPS系统的探讨

摘要：结合国内石油集输行业的特点，对长输管道（站库）的SCADA系统进行了探讨，首先对SCADA/OPS系统进行简要分析，包括控制器的硬件构成、常规的通信方式和其特点比较等。然后对系统功能的中心站功能、现场站功能和系统辅助功能等进行了阐述。最后在系统安全上，主要对INTERNET和INTRANET接入进行了重点分析包括和风险评估等。
关键词：SCADA/OPS,构架，硬件，软件，安全
The Study of the Crude Oil-pipeline SCADA/ OPS System Frame
Abstract: According to the domestic petroleum gather-transport characteristics, discusses the preparatory frame of the oil-pipeline-station SCADA system. Mainly includes SCADA/OPS is systematic and the brief analysis, including by PLC/RTU/LED and so on for controller hardware constitution and frame composition, conventional mailing address and its characteristic comparison; The system function mainly includes the control center function, the local controls the system function, the system assistance function, as well as present domestic system basic function application situation; In the systematic security, mainly turned on to INTERNET and INTRANET has carried on the key analysis including with the risk assessment and so on.
Keyword: SCADA/OPS，Frame，Hardware，Software，Safety.
前言
       SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监督控制系统。该系统是以计算机技术、网络技术和现代控制理论为基础的生产过程控制与调度自动化系统。系统通过对现场运行设备和工况的监督和控制，以实现数据采集、设备控制、状态检测、参数调节以及各类信号报警、历史数据查询等多项功能。

1、原油长输管道的特点
       长距离输油管道通常是指距离长、管径大、输量高的原油管道，输送压力高、流量和温度相对平稳，主要是由输油站（Oil-Stations）和管路(Oil-Pipeline)两部分组成。输油站分为首站、若干中间加压站、若干中间加热站及末站，其任务是供给原油一定的动能和热能，将原油安全、经济地输送支目的地；管路上每隔一定距离设有为减少事故危害、便于抢修，可紧急关闭的若干截断阀室以及阴极保护站等。在地理位置上，跨度较大、站库及管道分散;在功能上，设备操作相对简单，站库间具有相似性，调节时间要求低;在安全性上，可靠性较高，要求有故障检测功能等。

2、构架SCADA/OPS系统及分析
         SCADA/OPS(Supervisory Control And Data Acquisition for Oil Pipeline and Stations)原油长输管道的数据采集与监督控制系统，该系统由设在控制中心的主机/服务器、设在各站的远程控制终端（RTU）或智能控制设备（LED）或可编程逻辑控制（PLC）和高性能的通信系统构成分布式控制系统。控制中心的计算机通过数据传输系统对各泵站、计量站、加热站或远控阀室的RTU/LED/ PLC设备定期进行查询，连续采集各站的操作数据和状态信息，并向这些设备发出操作或调整设定值的指令，从而实现对整条长输管道的统一监视、控制和调度管理。各站控系统的RTU/LED/ PLC等控制器与现场传感器、变送器和执行器或泵机组、加热炉的操作站直接连接，具有扫描、信息预处理及监控等功能，并能在与中心计算机通信一旦中断时独立工作。
通过构架SCADA/OPS系统不只是简单地完成流程切换、安全参数监视，更重要是将长输管道视为有机整体来进行管理、监督和调度，从而可以开发出系统优化运行程序、GIS系统、泄漏检测系统、管道模型、安全风险动态评估等一系列系统应用软件，以保证原油管道的经济、可靠、安全运行。
2.1硬件
       管道工业所采用的现代SCADA系统的配置形式如图1所示。它一般由远程终端装置RTU和PLC、控制中心计算机系统、数据传输及网络系统、应用软件等组成[1]。

图1 SCADA/OPS构架图示
       SCADA/OPS系统控制中心的服务器按冗余（双机）方式配置，互为热备用。主机可以与控制中心的操作站和各站场的RTU/LED/PLC进行通信。控制中心的操作人员能够在控制台通过显示终端及输入终端，向现场控制器发出操作指令，实现对原油站库（管道）设备的遥控。该系统的外围设备，如磁盘、打印机、通信控制器等均采用热备用方式，一旦在线主机（服务器）发生故障时，备用主机在安全策略的管理下自动地切换到运行状态，而将故障主机或设备设置为备用或故障状态。
        该系统还设立多台以微处理机为核心的调度监视终端、浏览终端、工程师终端和安全管理终端等，用来进行程序编制、修改系统功能和不同层次的管理要求。中心站服务器可以与现场站上近百台RTU/LED/PLC控制器进行通信并对其进行控制。
       根据目前SCADA系统的应用和经验总结，长输管道的控制层次通常分为三级：控制中心级、站控级和设备控制级，该结构充分体现了集中管理、分散控制的现代系统控制原则，特别适用于原油长输管道这种分散性大、跨地域广、功能相似系统的运行管理和控制。控制中心站通过服务器对全线进行集中参数据采集、监视、控制和调度管理，站控级通过本站的RTU/LED/PLC控制器来实现对输油站进行控制与监视，设备控制级是对泵机组、加热炉、阀门等工艺设备进行本地控制。 
         在SCADA/OPS系统选型上，硬件设备选型上概括起来有四种形式：PC+板卡、PLC、DCS、RTU及IED设备。从功能上来说，这四种模式都有完成数据采集与控制的能力，但它们各有不同的适用范围。在目前应用的系统中，几乎没有单纯的控制设备构成SCADA/OPS系统，而是多类型的设备的不同现场具体要求的组合。就PLC和RTU设备而言，在同一系统中，还有可能采用不同的产品的设备。这主要是由于电子技术的不断深入发展，控制设备的专业性越来越强，功能越来越强大，在不同的应用现场只需增加相关的控制就可以“无缝”构成SCADA/OPS系统。
2.2通信[1]
         网络建设的构架及选型直接关系到系统的安全性和稳定性。SCADA/OPS系统的数据传输系统由通信控制器（CCM）及相关通信设备与线路组成。在长输管道的系统应用中，安全性相对较高，控制时间上要求相对较低，允许一定时间中断和周期性的维护。在网络的选择上，冗余是必须的，如何选择具体的网络结构的介质，需要与具体考察。目前主流的SCADA系统通信方式如下：
微波 该方式应用较为广泛，有成熟的设计、施工及运行经验。它的主要优点是投资少、通信容量大，可靠性高、建站灵活等。缺点是受雷雨影响较大，并交纳一定的无线电管理费用。根据原油输送站库间距相对均匀特点，微波通常是首选通讯方式。目前主流设备的载波频率为5.8G，具有容量大，方向性强，抗干扰能力强等特点。
光纤 由于光纤通信的载波介质是光而不是电，故不受外界电磁干扰，传输速率高，通信容量大，保密性好；光纤的抗腐蚀能力强、重量轻。缺点是光纤施工必须走线杆或深埋，成本较高，而且工业级光纤通信设备价格较高。由于光纤的可靠性最佳，在现场允许的情况下，光纤通讯也是重点选择之一。
卫星 甚小天线地球站卫星通信系统即VSAT（Very Small Aperture Terminal）系统是一种可以传输话音、数据、图像等信息的通信系统。它包括通信卫星、主地面站和甚小口径终端。卫星通讯的优点之一是投资与通信距离无关，特别适用系统跨地广、距离长、范围大的情况。缺点是该方式资源有限，对高可靠性系统可做备用通信方式。由于国内卫星通信资源的匮乏，该方式国外应用较多。
高频无线电 为了提高通信系统的可靠性和灵活性，为SCADA系统和重要的调度通信提供备用通信手段，为巡线、抢修提供移动通信手段，常采用高频无线电通信。常采用的无线电系统有VHF和UHF两种，频带范围分别为30－300MHz和300－1000MHz。它用于短距离通信是比较经济的。缺点是受其它高频无线电影响较大，不能做稳定的通信方式。
GRPS 通用分组无线系统是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。GPRS能更有效的利用无线网络信息资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输。它具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。缺点是通信量有限，系统滞后时间较长，主要用于现场数据的动态采集，在控制上应用相对较少。
专线 按照提供方式的不同，专线业务可分为由运营商提供的基于网络的专线和与运营商网络无关的基于终端的VPN业务。基于网络的专线以点到点的互连专线和上网专线为主，其中VPN业务主要面向的是少数跨国大企业集团，如基于Internet的各种隧道方式的专线，也获得了广泛应用。主要有TDM专线、点到点Ethernet专线、点到多点汇聚型Ethernet专线、波长专线、SAN专线、VPN业务等。该方式运营费用较高，一般作为系统通信的备用链路。
2.3软件
        软件是硬件设备的灵魂。SCADA/OPS系统平台主要由各种功能模块组成。从软件开<