输油管道监控与数据采集(SCADA)系统209

输油管道监控与数据采集（SCADA）系统

输油管道自动化是管道安全经济运行的重要保证。随着自控技术、计算机技术、通信技术的发展，油气长输管道的自动化进展迅速。目前，计算机监测控制与数据采集（SCADA，SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION）系统已广泛应用，成为管道自控系统的基本模式。我国铁大线和东黄复线引进的SCADA系统达到了国外80年代中期水平。

目前，SCADA系统一般由设在管道控制中心的小型或超级微型计算机，通过数据传输系统对设在泵站、计量站或远控阀室的远程终端装置（RTU）定期进行查询，连续采集各站的操作数据和状态信息，并向RTU发出操作和调整设定值的指令。这样，中心计算机对整个管道系统进行统一监视、控制和调度管理。各站控系统的核心是RTU可可编程序控制器PLC。它们与现场传感器、变送器和执行机构可泵机组、加热炉的工业控制计算机等连接，具有扫描、信息预处理及监控功能，并能在与中心计算机的通信一旦中断时独立工作。站上可以做到无人值守。SCADA系统是一种可靠性高的分布式计算机控制系统。

1、SCADA系统的发展科史

SCADA系统的概念是60年代中期开始形成的。当时，主控站能够与远控站进行通信并对其进行控制。那时的SCADA系统采用固态逻辑线路、硬布线扫描器、大型模拟显示盘及在预定的表格上打印报表的打印机等。这种系统主要起监视作用，而管道运行管理的大部分工作需调度人员完成。当时的系统不灵活而且故障率高。

70年代，大规模集成电路研制成功，低功耗存储器出现，小型、微型计算机的应用及软件开发，使SCADA系统的硬件和软件水平均有较大的提高。开发出来标准的SCADA软件包已初步具有数据库管理、显示生成和记录生成的功能。70年代中期，可编程序控制器PLC开始应用于输油管道。PLC是一种给系统提供控制和操作的电子装置，专为在工业环境下使用而设计。它采用可编程序的存储器，可以执行逻辑、顺序、计时、计数或演算等功能，通过数字或模拟输入/输出，控制各种形式的工艺过程。它运行可靠、维护检修方便，特别适于在长输管道SCADA 系统的站控级使用。PLC在输油管道上应用发展迅速，并有逐渐取代早期的远程终端装置RTU的趋势，而生产RTU的厂家也在不断提高产品性能，引入微处理机并扩大功能。

80年代初，16位微处理机问世，智能RTU及功能更强的PLC出现。SCADA系统主机向容量更大、功能更能、价格更低的方向发展，人机

对话、数据检索能力、硬件可靠性进一步提高，管道控制及实时模拟软件开发等，使SCADA系统功能更强，更加可靠和灵活。

90年代，管道自动化向着智能化发展。“智能”RTU配上先进的软件，能在现场进行集散式控制。SCADA系统由集中控制、集中管理的方式发展成集中管理、分散控制。控制中心的主机更多地用于数据采集与分析，常常不必以实时方式运行。“智能”RTU能在现场存储、处理数据，即使失去通信联系后，仍能保持监控的功能，这进一步提高了系统的可靠性。随着计算机及软件技术的发展、人工智能和专家系统技术的应用，SCADA系统的功能将更加扩充和完善。

2、现代SCADA系统的构成

管道工业所采用的现代SCADA系统的配置形式如下图所示。它一般由远程终端装置RTU可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。

SCADA系统控制中心的主计算机经常按冗余（双机）方式配置，双机互为热备用。主机可以与控制中心的操作员控制台及安装在站场的RTU 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RTU发出操作指令，实现对管道系统的遥控。该系统的外围设备、如显示终端、打印机等均为两台主机共享。一旦在线主机发生故障，外部设备即可自动地切换到备用主机上。

系统还装有一台或多台以微处理机为核心的工程师终端，配有CRT、键盘和打印机，用来进行程序编制、修改，工程计算和管理等。它与备用主机共用文件。

现在，一台主机可以与上百台可更多的RTU进行通信并对其进行控制。主机监控RTU的数量，取决于主机的存储容量大小。通过以微处理器为基础的通信控制器，通过调制解调器（MODEM）及通信线路来控制系统的通信。通信线路可以是电话线路、微波线路、光纤或卫星线路。

现代SCADA系统是一种集散型控制系统（DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM），其控制层次通常分为三级：控制中心级、站控级、及设备控制级，在一些大型系统中还设有分控制中心这一级。这种结构体现了集中管理、分散控制的现代系统控制原则，特别适用于油气长输管道这种分散性大系统的运行管理和控制。控制中心级对全线进行集中监视、控制和调度管理，站控级的任务是对输油站进行控制，设备控制级是对泵机组、加热炉、阀门等设备进行就地控制。

自动化仪表包括检测仪表、变送器和执行器等，是计算机控制系统的基础部分。各种检测装置是监控与数据采集系统的数据源。检测的准确性直接影响监控的有效性。应根据安全可靠、经济合理的原油选择仪表、

变送器等的类型，其检测精度及安全防爆性能等应满足使用要求。（一）控制中心计算机系统

控制中心的主计算机是SCADA系统的核心。要求系统具有很的高可靠性，故采用全冗余结构、热备用运行。国外供SCADA系统选用的计算机型号很多，目前多采用小型机，对一些小规模系统也可采用档次较高的微机。

系统的主机、外存储器、通信控制器、外围设备接口、彩色显示终端、系统文件打印机等全部设置两套。一台主机在线监控，另一台处于热备用状态，可进行程序开发等工作。正常时，主机定时把数据送入备用计算机的内存储器中。一旦检测到主机或相关设备出现故障时，传输即中断，使主机自动脱离在线控制，由备用机代之。外围设备也自动切换到备用机上。这种切换可以手动进行，以便定期维护主机及相关设备。（二）站控计算机系统

长输管道的自控对象除了过程变量如压力、温度、流量、液位等以外，较多的是位式控制，如阀门的开关，机泵的启停，事故的跳闸等。它们都不是一般的开关、启停，设备的动作必须按一定的逻辑顺序。设置在站场可所监控设备处的控制装置必须具备较强的逻辑功能、通信能力和数据处理能力。远程终端装置RTU与可编程序控制器PLC就是SCADA 系统站控系统常采用的站控装置。对于小规模站，也可采用小型PLC或以微处理器为基础的各种数字控制器。

在现代SCADA系统中，控制中心对各站场的控制是由各站控系统分别实施的。控制中心对站场发出一个做什么的指令，而如何去完成指令则由站控系统实施，故它是SCADA系统中一个很重要的控制级。为了提高其可靠性，站控系统的RTU或PLC多数采用双机冗余配置，热备用运行。

1、可编程序控制器（PC或称PLC）

可编程序控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER）的缩写为PC。PC的早期设计只是用作基于逻辑的顺序控制，所以称为可编程序逻辑控制器（PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER），简记为PLC。现代的可编程序控制器可以接受、输出数字或模拟信号，起到了过程控制器的作用，美国电气制造商协会于1980年正式命名为

PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER）。但此缩写容易与许多其它缩写词混淆，如POCKET CALCULATOR，PERSONAL COMPUTER 等，故仍常用缩写符PLC代表可编程序控制器。

（1）PLC的主要组成部分 PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器和输入/输出模块以及编程器、外部设备组成。

与通用微机的CPU一样，它是PLC系统的神经中枢，按PLC的系统程序