SCADA系统培训教材

精品文档 1欢迎下载 SCADASCADA 系统培训教材系统培训教材 精品文档 2欢迎下载 基础部分基础部分 第一章 SCADA 系统概述 5 一 SCADA 系统基本概念 5 二 长输管道使用 SCADA 系统的目的和必要性 5 三 SCADA 系统基本组成 6 1 生产经营管理级 7 2 中心监控级 7 3 站控级 7 4 就地控制级 8 四 SCADA 系统的发展历程 8 五 SCADA 系统在我国长输管道的应用情况 9 第二章 长输管道 SCADA 系统功能 10 一 调控中心主计算机系统的功能 10 二 站控系统功能 12 第三章 SCADA 系统硬件配置 13 一 调控中心主计算机系统 13 1 系统功能 14 2 一般的硬件配置 14 二 站控系统 16 1 站控系统的结构 17 2 站控系统的功能 17 3 一般硬件配置 17 三 远控阀室 18 四 通信系统 19 第四章 SCADA 系统软件配置 20 一 计算机操作软件 20 二 SCADA 系统软件 20 三 应用软件 23 第五章 SCADA 系统控制逻辑 25 一 几种常见控制方式 25 1 顺序控制 25 2 联锁保护控制 25 精品文档 3欢迎下载 3 简单 PID 单回路控制 25 4 复杂回路控制 27 二 典型泵站的控制逻辑 28 1 阀门的控制 28 2 机泵的启停控制 28 3 收 发球控制 29 4 下载控制 30 5 站启 停控制 30 6 全线自动启 停控制 30 7 联锁保护 31 四 水击及控制 31 第六章 SCADA 系统的安全性要求 32 一 对油气管道 SCADA 系统的要求 33 1 安全性 33 2 先进性 33 3 可靠性好 33 4 冗余性 34 5 开放性 35 6 模块化 35 7 扩展性 35 8 可操作性 可维护性好 35 二 SCADA 系统的其他安全性要求 36 1 电源系统 36 2 环境要求 36 3 信号安全要求 37 4 软件的设计要求 37 5 实现管道的三级控制 37 6 硬件及网络安全方面 38 第七章 SCADA 系统的实施过程 39 一 SCADA 系统实施应注意的几个问题 39 二 系统培训 40 1 操作人员培训 40 2 维护人员培训 40 3 管理人员培训 41 第八章 SCADA 系统组态 42 一 SCADA 系统网络的建立 42 二 站控系统组态 42 1 I O 点的建立以及通道的分配 42 2 与现场设备通讯 42 精品文档 4欢迎下载 3 PLC 控制逻辑组态 44 4 站控上位机的组态 46 三 调控中心控制系统的组态 47 1 画面的组态 47 2 上位机数据库的组态 48 3 逻辑功能的组态 49 第九章 SCADA 系统测试 49 一 测试的几个阶段 49 1 工厂验收测试 49 2 现场调试 49 3 现场验收测试 50 二 测试依据 50 三 测试内容 50 1 硬件及系统软件检查 50 2 系统功能测试 50 3 应用功能测试 51 第十章 SCADA 系统维护 52 一 维护人员应具备的知识 52 二 日常的维护 52 三 组态修改 54 四 故障处理 54 1 常见故障 54 2 故障处理的一般程序 56 3 故障处理应注意的问题 56 五 大修 56 1 大修准备 56 2 大修内容 57 参考文献 59 精品文档 5欢迎下载 第一章 SCADA 系统概述 一 SCADA 系统基本概念 SCADA 系统是英文 Supervisory Control and Data Acquisition 的缩写 即数据采集 与监视控制系统 SCADA 系统的应用领域很广 它可以应用于电网 水网 输油气管网 智能建筑等领域 它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统 它能收集远处 现场的操作信息 并通过通讯线路将远方信息传送到调控中心进行显示和报告 控制中心 的操作员监视这些信息 并能向远方的设备发布命令 以实现数据采集 设备控制 测量 参数调节以及各类信号报警等各项功能 二 长输管道使用 SCADA 系统的目的和必要性 1 目的 长输管道 SCADA 系统是利用各种检测仪表 执行器 显示仪表 调节仪表 控制装置 或电子计算机 通信技术等自动化技术 对管道输送生产过程进行自动检测 监视 控制 和管理 其目的是保证安全的情况下 以对供需双方最少地限制 用最经济地方式 最快 的手段将产品从供方输送到用户手中 此外 使用 SCADA 系统还能改善劳动条件 节省人 力和提高环保水平 2 必要性 早期的长输干线管道大部分是点对点的形式 即一个首站 相继几个中间升压站 一 个接收 分配末站 原油从一个站的油罐用泵输送到下一站的油罐 这是一种非密闭的输送 方式或称开式输送方式 其特点是每两个站之间的管线都可当作一个独立的热力 压力和 管理系统 对站内自动控制和全线自动化控制及管理要求不高 每个站有人值守即可 长输管道距离长 范围广 生产指挥难度大 尤其是采用了密闭输送工艺管道全线构 成了统一的水力系统 管道任意点的扰动都将迅速波及全线 为了保证管道的安全平稳运 行 相关设备必须及时作出正确反映 特别是成品油管道 沿途可能有好多进油和下载点 还有好几种油品在管道中输送 要求操作者必须在规定的时刻对管道的几百个设备进行正 确的操作 另一方面 随着管线的增加 越来越多的赊购年产方要通过管理输送产品 越 来越多的用户要从管线得到产品 供需双方对产品质量和供需变化的要求也越来越苛刻 再者 管线终点越来越接近最终用户 怎样防止易燃易爆和有毒产品对雇员 设备和居民 精品文档 6欢迎下载 的伤害 保证安全显得更加重要 最初是由中心调度人员通过电话来指挥管线的运作 传 统的人工记录 逐级汇报的长输管线监控方式已不适应生产调度快速化和城市发展数字化 信息化战略的要求 显然 这种调度支护方式过于缓慢 任务也太繁重 难以满足密闭输 送协调运行 供需变化及安全经济运行的要求 这些要求往往是非人力所能及的 因此需 要借助现代化的自动控制系统管理输油管道 输油管道自动化是管道安全 经济运行的重 要保证 而使用 SCADA 系统可以确保输油管道的自动化 可以节省了大量人力 大大提高 了生产调度速度 确保管线安全 平稳 经济的运行 三 SCADA 系统基本组成 长输管道 SCADA 系统以 4C computer control communication CRT 技术为基础 网 络结构主要由调度控制中心网络 DCC 站控系统 SCS 以及通信系统 COMM 三部分 构成 管道 SCADA 系统的配置由远程终端装置 控制中心计算机系统 数据传输及网络系 统 应用软件组成 公司管理计算机 其他网络 显示 打印 经营策略 市场信息 调控中心服务器调度员站 调度员站 工程师 维护 打印 泄漏检测 批次跟踪 站场服务器 操作员站 通信线路 控制器 现场仪表 设备 站场服务器 操作员站 控制器 现场仪表 设备 阀室 RTU 现场仪 表 设备 阀室 RTU 现场仪 表 设备 生产经营管 理级 中心监控级 站控级 就地控制级 MIS系统 站场1站场N远控阀室N远控阀室1 生产管理网络结构示意图 精品文档 7欢迎下载 1 生产经营管理级 1 1 基本功能 它根据管道公司的经营策略 公司所属其他管道经营状况及市场信息等 并考虑本管 道生产运行状况 由生产经营管理级计算机级计算机系统中有关管理软件作出决策 向本 管道的 SCADA 系统下达生产计划 管理命令等 其最佳目标通常是获取最大的经济效益 该级还可以对 SCADA 系统进行监督 通过人机接口掌握生产状况 如系统或站的流程图及 动态数据 历史数据与趋势 有关数据库并制作图等 该级决策的特点是 目标宏观 决策周期长 1 2 组成 一般由一个性能较强的微型计算机系统组成 在离 SCADA 较远时 往往需要卫星 微 波或光纤等远程通信设施 由于该级不直接参与生产过程控制 因此对该级主机的可靠性 要求不如 SCADA 高 通常不必采用冗余技术 2 中心监控级 2 1 基本功能 该级负责整个管线的调度和监控 例如对供方和需方产品的监视和计算 产品输送过 程 对各站下达控制命令 全线生产协调控制 水击控制 清管 越站等 如果 SCADA 还设有分控中心或称区域控制中心 则分控中心可以完成上述控制中心的 某些任务 2 2 组成 控制中心的计算机一般为网络冗余结构 冗余方法有热备 自动切换 冷备 人工切 换 等 当今 几乎所有管道控制中心都采用了热备技术 除主机可热备用外 外部设备 关键部件也可以采用冗余技术 控制中心的计算机软件一般有三类 计算机操作系统 由计算机生产厂家随机提供 SCADA 系统软件 一般由 SCADA 系统厂家提供 也可由第三方提供 用户应用程序 可由 用户编制 也可由 SCADA 供应商提供或第三方提供 3 站控级 3 1 基本功能 站控系统的基本功能是对站内装置 辅助系统及生产过程进行监督和控制 站控系统 精品文档 8欢迎下载 具有下述基本的技术性能 模拟量数据采集 模拟量定值设定控制 数字量的采集与报 警信号采集 数字量控制 3 2 组成 站控系统一般由工业控制计算机及相应的人机接口 卡件 AO AI DI DO 及通信接口 组成 现在多用 PLC 充当 RTU 大型的站控系统也可以采用 DCS 站控系统的软件包括计算机操作系统和用户应用软件 用户应用软件可在控制中心编 制 下载到 PLC 4 就地控制级 4 1 基本功能 站内大型设备 如泵机组等 往往配有自己的控制系统 这就是装置控制系统 它直 接对生产设备进行控制 这类控制系统往往由设备生产厂家配套提供 在长输管道中 通 常认为就地控制级是指站控级以下 通过各类设备的控制系统 现场手动动作设备 4 2 组成 在管道系统中 就地控制级主要各类的现场设备以及各智能设备的控制系统 如上图 由于生产经营管理级和中心监控级具有接受外部管理及生产过程信息 并据 此对整个生产和经营进行管理的功能 因此 将这两级合并起来成为管理信息系统 英文 缩写为 MIS 中心监控级 站控级和就地控制级具有监视控制和数据采集的功能 通常我 们将这三者合称为监视控制与数据采集系统 即 SCADA 系统 一般来将 我们所说的 SCADA 系统的三级控制主要是指中心控制 站控和就地控制 四 SCADA 系统的发展历程 SCADA 系统发展到今天已经经历了三代 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的 SCADA 系统 如电力自动化研究院为华北 电网开发的 SD176 系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的 H 80M 系 统 这一阶段是从计算机运用到 SCADA 系统时开始到 70 年代 第二代是 80 年代基于通用计算机的 SCADA 系统 在第二代中 广泛采用 VAX 等其它 计算机以及其它通用工作站 操作系统一般是通用的 UNIX 操作系统 在这一阶段 SCADA 精品文档 9欢迎下载 系统在电网调度自动化中与经济运行分析 自动发电控制 AGC 以及网络分析结合到一 起构成了 EMS 系统 能量管理系统 第一代与第二代 SCADA 系统的共同特点是基于集中 式计算机系统 并且系统不具有开放性 因而系统维护 升级以及与其它联网构成很大困 难 90 年代按照开放的原则 基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大 范围联网的 EMS SCADA 系统称为第三代 这一阶段是我国 SCADA EMS 系统发展最快的阶 段 各种最新的计算机技术都汇集进 SCADA EMS 系统中 这一阶段也是我国对电力系统 自动化以及电网建设投资最大的时期 国家计划未来三年内投资 2700 亿元改造城乡电网 可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度 第四代 SCADA EMS 系统的基础条件已经或即将具备 预计将与 21 世纪初诞生 该系 统的主要特征是采用 Internet 技术 面向对象技术 神经网络技术以及 JAVA 技术等技术 继续扩大 SCADA EMS 系统与其它系统的集成 综合安全经济运行以及商业化运营的需要 五 SCADA 系统在我国长输管道的应用情况 20 世纪 80 年代以前 我国长输管道基本上是常规仪表检测 就地控制 90 年代以后 我国通过开发和引进全面掌握了 SCADA 系统的技术 逐步对在役管道实施改造 对新建管 道进行装备 基本上使我国长输管道的 SCADA 系统达到国际先进水平 目前 油气长输管 道的计算机监测控制与数据采集系统已经成为管道控制的基本模式 1 1992 年 7 月投产的轮南 库尔勒管道 全长 192KM 自控系统采用汉字显示 交互图 象 语言综合系统进行监控和管理 2 1997 年投产的库尔勒 善鄯管道是我国首次面对具有大落差地段的管道 该管道在 100km 长度内落差达 1800m 在该管道上开发的 SCADA 系统解决了大落差管道水击防护问题 并且采用卫星通讯技术为 SCADA 系统传输数据 3 2002 年投产的兰成渝管道是我国第一条真正意义上的成品油管道 管道的 SCADA 系 统 主要包括 成都调度中心 首站 中间加压分输站 7 座中间分输站 末站的仪表检 测系统和站控系统 10 座远控线路截断阀室的仪表检测系统和控制系统 由成都调控中心 对全线进行监控 4 由中石化投资兴建的西南管线 珠三角管线都已经顺利投产 并且使用了非常先进 精品文档 10欢迎下载 的 SCADA 系统 所有的控制操作都由中心调度员发出 自动化水平又有了很大的提高 比 如 西南管道 SCADA 系统的设计特点 1 SCADA 系统是一个分布式的控制系统 所有的 数据库分布在各站场 采用当今先进的自动化技术 系统控制分为就地 站控和中心控制 通过软件设置可较方便完成各权限的切换 2 调控中心计算机系统由高性能计算机工作 站 高速数据网及在网络中运行的软件等组成高可靠性的实时控制管理系统 3 对油品顺 序 输送和分输跟踪监控 4 对远控阀室有效监控以保证管道在大落差山区的防静压和防 泄漏的运行安全 5 使用光纤通信为通信传输主信道 采用公网作为备用通信 以确保 光纤中断时 能及时切换到公网上保证生产的正常监控 5 软件的软件先进 成熟 而 易于操作 修改 维护 有较强的人机对话能力 现在我国的管网建设初具规模 近年来随着通讯技术的发展 我国的长输管道控制呈 现区域化趋势 将某地区的多条管道集中管理 形成区域化管理 在美国 全国管网在休 斯顿设置了一个控制中心 加拿大也在蒙特利尔设置了一个全国管网的调度控制中心 并 且 其对管网的自动化监控程度已经具备相当高的水平 在我国 中石化华北销售管道网 调控中心和华南调控中心也将成立 届时每个调控中心都将同时统一指挥几条管道的运行 最后将有可能发展成成立全国的管道控制中心 由计算机群管理所属的管道系统 在计算 机群中的每台计算机都能随意切换到某管道上 操作员通过显示终端监视系统运行状态 向沿途泵站的站控机甚至主要设备发操作命令 实现对管道的遥控 SCADA 系统将发挥更 大的作用 第二章 长输管道 SCADA 系统功能 一 调控中心主计算机系统的功能 1 监视各站的工作状态及设备运行情况 采集各站主要运行数据和状态信息 监视过程是以扫描方式进行的 即按一定顺序依次对各站的 PLC 进行查询 若发现某 站的运行状态异常或运行参数超限 则通过屏蔽显示及打印机打印自动报警 2 根据操作人员的要求或控制软件的要求向 PLC 发出操作指令 对各站进行遥控 因为每个电动阀门都有就地 远控操作功能 如果置为远控那么根据操作权限的需要可 精品文档 11欢迎下载 以在站场或调控中心控制设备 3 根据操作人员的要求 在显示屏幕上随时提供有关管道系统运行状态的图形显示及历史 数据的存储 比较和趋势显示 3 1 提供动态显示画面 通过一定的方式可以比较直观的显示管线是处于运行还是停止状态 如管线的颜色变 化 由于某些泵站流程较为复杂 通过设备及相应管线颜色的变化 操作员可以较为清晰 的显示当前的油品流程走向 3 2 自动存储数据 系统内部可以自动存储历史数据 比如参数的变化 操作员的操作记录 系统内部的 运行情况等 3 3 趋势显示 趋势显示是一种提供浏览数据的方法 包括实时趋势和历史趋势 实时趋势用于记录 生产过程中各参数的动态变化过程 而历史趋势则用于提取特定的历史数据文件 趋势可 以提供多种方式进行浏览 比如棒状图 曲线图 数字列表等 提供显示连续的趋势曲线 还可以读取曲线上的任意点的实际数据和时间 进行曲线压缩显示和细化显示 每一趋势 图可以显示多个参数的数据 便于各参数的比较 趋势调用和显示 一是为工况分析提供依据 如启泵或停泵过程压力及流量的变化 分输过程中阀门切换开关导致压力及流量的变化曲线 我们可以通过这些数据 优化操作 过程 二是系统的监视参数前后的变化 为操作员决策提供依据 运行人员能够确认管线 上出现的变化的大小以及其对全线的影响 并采取正确的控制以减小其对全线的影响 4 在显示终端上进行操作人员培训 一般 SCADA 软件都提供一种仿真环境的软件 即在本机上建立一个仿真控制器 与现 场设备隔离 操作人员可以在此机器上模拟操作 而不影响现场设备的运行 5 按规定时间间隔记录和打印各站的主要运行状态的图形显示及历史资料的比较和趋势显 示 报表等 6 记录管道系统所发生的重大事情的报警 操作指令等 6 1 报警 报警的概念 异常情况发生时 以某种方式提示信息给操作员 以引起操作人员的注 意并及时采取措施 系统报警 当服务器与控制器 卡件 及通讯网络出现故障时 所发出的报警为系统 精品文档 12欢迎下载 报警 过程报警 当过程控制对象发生异常时 系统所发出的信息为过程报警信息 当报警条件不存在时 操作员确认后 报警即可消除 由于全线距离长 设备多 重要的工艺参数多 如果发生异常情况 操作员不能及时 的发现 那么将导致较大的危害 所以我们对较为重要的参数都已经设置了报警提示 当 出现异常时将以声音或颜色的显示提示操作员 当然由于设备多 参数多 我们对参数的 重要程度也设置了报警的级别 在一定程度上为操作员减轻了工作量 而且也能够及时处 理将维护管线运行安全的异常情况 报警的级别可以分为紧急 高报 低报等 每级报警 相应的描述及颜色有所区别 如紧急为红色 高报为黄色 低报为其他不显眼的颜色 系 统按照一定的时间顺序以及级别的优先顺序进行显示 提醒操作员注意 并督促采取相应 措施 报警支持中文描述功能 6 2 事件 事件记录 记录某项操作过程或者是系统内部执行的命令 并按照时间的顺序进行保 存到历史数据库中 且事件是不可以清除的 事件画面记录所有的操作过程 包括数据库 修改和操作员对现场设备的操作 用户名的更改 级别的更换等信息 为事故分析及工艺 操作过程的分析提供依据 做到凡事有据可查 确保安全操作 责任到人 7 报表生成和打印 报表有多种格式 比较常用的是 EXCEL 格式 从内容上 报表可以分为日报表 周报 月报等 根据需要进行编排 报表可以定期生成 且可以实现自动打印 及时准确的提供 参数记录 减轻操作员的工作量 8 运行有关的应用软件 对水击 检漏 清管 批量跟踪等工况进行检测 控制 进行数 据分析 处理 系统优化模拟 调度决策指导等 9 时钟同步功能 通过域控服务器同步全线的服务器 而域控服务器指向 GPS 从而确保整个 SCADA 系 统的时钟统一 准确 保障整个系统的记录时间及其相关事件 数据的可靠性和有效性 二 站控系统功能 站控系统主要由服务器 PLC 智能卡件及其他自动控制设备组成 主要功能如下 1 过程变量巡回检测和数据处理 精品文档 13欢迎下载 2 向控制中心报告经选择的数据和报警 3 提供运行状态 工艺流程 动态数据的画面 图像显示 报警 存储 记录 打印 4 除执行控制中心的控制命令外 还可独立进行工作 实现 PID 及其他控制 5 实现流程切换 6 进行自诊断程序 并把结果报告控制中心 7 可燃气体浓度检测与消防设施状态检测 8 站场与线路阴极保护参数检测与记录 9 提供给操作人员操作记录和运行报告 第三章 SCADA 系统硬件配置 一 调控中心主计算机系统 精品文档 14欢迎下载 1 系统功能 调控中心作为 SCADA 系统最高级别的一层 主要负责采集站控系统的数据及系统数据 库的生成 对整个系统的工艺生产进行管理 优化 决策及控制 调控中心负责对全线进 行集中监视 控制和调度管理 是长输管线 SCADA 系统的核心 一般位于管道的总调度室 今年来随着通讯技术的发展 我国的长输管道控制呈现区域化趋势 将某地区的多条管道 集中管理 并且成立全国的管道控制中心 由计算机群管理所属的管道系统 在计算机群 中的每台计算机都能随意切换到某管道上 操作员通过显示终端监视系统运行状态 向沿 途泵站的站控机甚至主要设备发操作命令 实现对管道的遥控 一般调控中心布局分为 调度长办公室 控制室 机房 工程师维护室和培训室 2 一般的硬件配置 SMSCS 包括一套完整的带有标准的 非用户设计的 硬件与软件的计算机系统 主要 硬件应包括 管线调度员站 双 LCD 应用软件工作站 包括泄漏检测 批次跟踪和计量 等 PLC 的远程维护及故障处理站 1 台工程师站 带 1 台 A4 彩色激光打印机 调度主 管站 培训站 针式宽行打印机 打印报警及事件 A3 激光打印机 打印报告及报表 A4 彩色喷墨打印机 2 台互为冗余的 SCADA 系统 2 台互为冗余的应用服务器 1 台域服 务器 1 台 Web 服务器 一个大屏幕投影仪 DLP 用户提供 以太网接口 通讯采用局域 网 上述的这些操作站 服务器及投影仪作为该局域网的节点 并通过工程师站 或具有 工程师站功能的操作站 进行组态 SMSCS 还包括必要的接口硬件 软件及通讯协议以完 成和沿线所有的站控系统及截断阀室的通讯 SCADA 系统的通讯协议应是基于 TCP IP 的工 业以太网协议 如 DNP 3 0 IEC 60870 5 等 1 SCADA 系统服务器 主要作为数据采集及处理 为了保证可靠 稳定的运行 一般实冗余配置 热备运行 SMSCS 应有 2 台 SCADA 系统服务器以持续的获取全部的管线运行数据 状态及报警信 息并为所有的操作站节点提供实时数据库 主从服务器同时管理冗余的磁盘阵列系统中的 历史 实时数据库 以达到数据的实时同步功能要求 其中 1 台作为主服务器 另 1 台作 为备用服务器 热备形式 备用服务器持续检测主服务器是否处于正常工作状态 一旦 发现主服务器出现故障 备用服务器将自动取得控制权成为主服务器并取得通讯接口 SCADA 系统服务器 1 主 1 备 需提供实时数据库 从各站 SCS 及远程截断阀室 精品文档 15欢迎下载 获取数据供 SMSCS 各操作站节点用 SCADA 服务器应配置全部的系统功能 可以启 动所有的控制命令和数据输入 为各站 LCD 提供图形及表格 提供数据获取 报警 记录 图形 实时趋势线 历史趋势线及历史数据 历史趋势可对每个记录变量提 供可选的采样频率 死区及时间周期 SCADA 系统服务器应通过工程师站 或具有工程师站功能的操作站 进行组态 服务器节点还应包括必要的局域网接口硬件 软件以及通讯协议以便操作员节点获 取其实时数据库 SCADA 系统服务器还应具有必要的局域网通讯接口硬件 应用软件及通讯协议 以完成和沿线所有的站控系统及截断阀室的通讯 以使各种数据如流量计算机数据 各站运行状态及报警信息 操作员操作命令等保持一致性 SCADA 系统的通讯协议 应是基于 TCP IP 的工业以太网协议 如 DNP 3 0 IEC 60870 5 在最大工作负荷 下 服务器的资源利用率不应超过 60 为提高可靠性 服务器 服务器电源 存 储介质应采用冗余配置 并可实现模块化的在线热插拔维护工作 服务器的硬件 网络和软件最少应具有 100 的扩展能力 并应必须保证将来数据库 存贮器 磁盘 容量和通信信道等的扩展 2 调度员工作站 主要作为调度员监视画面和发送指令使用 根据调度人员的数量及需要进行多台配置 操作站节点还应包括必要的 SMSCS 局域网接口硬件 硬件串行通讯口 应用软件以及获取 SCADA 系统服务器实时数据库的通讯接口 最小配置要求 具有完整的 SCADA 系统各站流 程图画面 能获取全部的服务器实时数据 进行控制操作 通过活动画面进行数据输入 3 工程师维护站 主要作为维护工程师使用 完成修改 SCADA 数据库 修改控制器组态内容及日常的维 护 4 交换机 主要完成调控中心局域网的网络连接 并提供与广域网的的接口 一般实行冗余配置 5 打印机 主要完成日常报表及报警 事件 趋势打印的功能 根据需要可以共用一台或分别配 置完成各自的功能 精品文档 16欢迎下载 6 域控服务器 主要完成整个 SCADA 的时间同步及管理全线服务器 工作站的的功能 域服务 器用于完成全线网络管理功能 在备用调度控制中心设置同样的一台域服务器用于 网络数据备份 7 Web 服务器及防火墙 主要完成 SCADA 画面以网页的形式向办公网发布信息的功能 方便管理人员通过浏览 网页获取管线的运行情况 Web 服务器是 SCADA 系统与 MIS 之间的衔接服务器 与 SCADA 系统使用路由器 隔离 SCADA 将有关信息写入 Web 服务器并实时更新 在 MIS 网络中以网站形式出 现 它既为 Web 服务器提供生产信息 又避免了与 SCADA 无关的计算机直接访问 SCADA 服务器 该路由器 Web 服务器的软硬件由 SCADA 供货商负责 同时 SCADA 供货商要负责在 Web 服务器上成功地接收到来自 SCADA 服务器的信息 并依据这些 信息建立站点 供 MIS 调用 Web 服务器上要安装专业网络防火墙和病毒防火墙 进一步保护 SCADA 系统 二 站控系统 站按设备及功能可分为泵站 分输泵站 集输泵站和分输泵站 按位置可分为首站 末站 中间站 站控系统是指它们的中央控制系统 它除了要对站内重要设备的控制系统 进行监控和协调以外 还要完成许多功能 如与调控中心的数据传输等 精品文档 17欢迎下载 1 站控系统的结构 站控系统的结构形式很多 常用的两种形式是 点对点结构 也称星型机构 这种结 构下 下级控制单元的通信线路分别连接到站控系统 各下级单元之间不能之间通信 另 一种结构是多点结构 各级间公用一条总线 即采用在线总线的方式 站控服务器与控制 器之间的通讯通常采用 OPC 或其他方式通讯 控制器与 I O 卡件的通讯通常是采用 MODBUS 协议或 PROFIBUS 协议实现通讯 2 站控系统的功能 完成本输油站参数的监视和控制 主要由站控计算机和智能远程终端等设备组成 3 一般硬件配置 从硬件角度 站控系统一般由服务器 控制器 紧急停车控制器 ESD 通信网络接 口 火焰及可燃气体探测器 二次仪表及调节器组成 通过现场仪表及设备进行监控 1 站控 SCADA 系统服务器 主要作为数据采集及处理 为了保证可靠 稳定的运行 一般实冗余配置 热备运行 一般服务器可以兼作为工作站使用 作为上位机 对站内工艺参数进行集中显示 记录 报警等 显示运行状态 动态趋势 工艺模拟流程图 遥控设备 2 站场工作站 主要作为操作员监视画面和发送指令使用 3 交换机 主要完成站控局域网的网络连接 并提供与广域网的的接口 一般实行冗余配置 4 打印机 主要完成日常报表 报警 事件和画面打印的功能 5 PLC 控制器及一定数量的 I O 卡件 可编程序控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 是以微处理器为基础 综合了计算机技术 自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型 通用的自动控制装 置 PLC 的硬件组成与微型计算机相似 其主机由 CPU 板 存储器 输入 输出 I O 接口 电源等几大部分组成 可配备如编程器 图形显示器 通信接口等外部设备 完成现场数据的轮询采集 以微处理器为基础的智能装置 它以模拟的和数字的输入 输出信号与工艺生产现场的仪表和控制设备相连 实时采集所需要的各种工艺参数 并实 精品文档 18欢迎下载 现就地控制 CPU 也称中央处理器 是由一片或几片大规模集成电路芯片组成的 相当于人的大脑 是 PLC 的核心部分 CPU 的作用是可通过接口及软件向系统的各个部分发出各种命令 同 时对被测参数进行巡回检测 数据处理 控制运算 报警处理及逻辑判断等 实现对整个 PLC 的工作过程进行控制 I O 接口是输入 IN 输出 OUT 接口的简称 是 PLC 主机与被控对象进行信息交 换的纽带 PLC 通过 I O 接口与外部设备进行数据交换 PLC 的输入输出信号有开关量 模拟量 数字量三种类型 所有的输入输出信号均经过光电等隔离 大大增强了 PLC 的抗 干扰能力 三 远控阀室 长输管线距离长 沿线地形复杂 部分地段如果出现事故危害严重 如人口密集 重 要的水源区等 出现事故时人员无法及时达到处理 为了控制事故的维护 在部分地段设 置线路截断阀室 重点部位设置了可以远程操作的阀室 远控阀室主要由自动阀和 RTU 远 程终端单元组成 通过采集阀室的压力 温度 阀门的状态 对远控阀进行实施监控 RTU Remote Terminal Unit 中文可译为远程终端单元 通常由信号输入 出模块 微 处理器 有线 无线通讯设备 电源及外壳等组成 一般室外应用 恶劣环境中 比如在一 精品文档 19欢迎下载 些无人值守的站 用于完成 SCADA 系统对远控阀室的数据的实时采集及远程开关控制 主 要侧重于通讯 执行较为简单的控制 RTU RTU 交换机 现场仪 表 阀门 交换机 WAN 四 通信系统 1 功能 SCADA 系统工作的有效性和可靠性 取决与调控中心和站控系统的数据传输情况 数 据通信系统的主要功能是将控制中心计算机系统与分散在远处的站控系统连接起来 实现 资源的共享及数据互传 由于调控中心和站场之间距离都很遥远 为保证通信不被中断 大多采用通信冗余技术 即采用一主一备双通信信道 2 常用的通信方式 1 微波通信 起步早 发展快 传输速率高 通信容量大 传输宽带宽 但属于地面无线通信 受 地形条件限制 2 卫星通信 属于空中无线通信 具有覆盖面广 通信质量高 不受地形因素制约 设备体积小 投资少 建设周期短 建设费用与通信距离无关等优点 已被国内外管道建设行家看好 如 兰成渝管道使用卫星作为数据传输信道 公网信道作为备用 3 光纤通信 传输速率高 通信容量大 传输宽带宽 不受外界磁场干扰 可与管道同沟铺设 现 是长输管道的最佳通信手段 本管道采用光纤通信方式 光纤随管道敷设 传输设备采用 朗讯的产品 各站及主备调控中心设有备用信道 公网 用于光纤通信中断时的数据传输 精品文档 20欢迎下载 保证传输通信的可靠性 现在长输管道的通信方式主要采用光纤通信方式 第四章 SCADA 系统软件配置 SCADA 系统计算机软件由操作系统 图形用户接口 GUI 软件 应用功能软件 数据采 集软件以及离线编译器 图形编辑 编程软件 系统诊断软件等组成 总的来说 SCADA 系统软件可以分为三个部分 计算机操作系统软件 SCADA 系统软件和应用软件 一 计算机操作软件 目前的操作系统有两大主流 一是以 Microsoft Windows 2000 xp 为操作系统的软件 群 随着微机性能的提高和普及 以 Microsoft Windows 2000 xp 为基础的应用越来越被 广大的 SCADA 系统商和用户采用 另一个是以 DEC 的 OPENVMS 和 UNIX 为基础的操作系统 它有相当成熟的 SCADA 系统软件和应用软件 二 SCADA 系统软件 SCADA 系统软件主要包括 HMI 软件 控制器组态软件 SCADA 系统数据库软件 1 HMI 软件 HMI Human Machine Interface 人机界面软件 该软件大多采用以 Windows 为 标准的软件 该软件可以安装在服务器 工作站中 通过该软件可以完成于趋势显示 报 警 事件显示 动态地图 动态数据和动态符号等的组态 操作员通过图形 表格显示 以 及打印好的事件记录及报表 利用颜色 CRT 显示 和数值获取站场及单元状态 如 总 貌显示 表格显示 测量图形显示 测量表格显示 泵单元图形显示 泵单元表格显示 泵单元操作曲线显示 设定点控制显示 控制回路参数显示 参数维护显示 实时趋势显 示 历史趋势显示 通讯状态显示 报警汇总显示 报警 事件历史显示 报表 2 SCADA 上位机监控软件 精品文档 21欢迎下载 该软件通常安装在服务器中 只有通过授权后 即插上软件狗 方可正常运行 如 HONEYWELL PKS 系统的 QuikBuilder 和 STATION 软件 ABB SCADAVISION 系统的 SCADAVISION 软件 都是运行在 Windows 界面 SCADA 上位机监控软件主要完成以下工作 2 1 上位机数据库点的建立 在上位机中需要建立各个显示的点 并可以设置该点的名称 描述 是否存在报警设置 以及量程范围等 2 2 各站部分逻辑的组态 如 涉及全线水击控制的逻辑 由于该逻辑涉及到上下游站的联系 所以需要通过在上 位机编写脚本实现逻辑控制 2 3 提供如下数据库 1 实时数据库 存放各站的模拟量 数据量 2 历史数据库 存放各站的历史数据 3 事件数据库 存放 SCADA 系统 包括系统所有控制器 计算机和外围设备的运行情 况以及现场仪表 控制设备的运行状态 操作记录等 2 4 报警的显示方式以及报警级别显示 2 5 趋势以及趋势组的组态 2 6 与第三方设备通讯的参数设置 如通过 OPC 方式与第三方设备的通讯 2 7 内部网络结构的设置 如与控制器通讯的网络设置 3 控制器编程软件 如 Honeywell C200 的编程软件 Controlbuilder 软件 ABB AC800M 软件 都提供了可 编程逻辑控制的软件包 一般运行在 Windows 界面 提供梯形图和功能块的编程语言 并可离线完成编程和组态 即程序的开发和存储是在编程终端内部进行 且提供了仿真模 拟控制器环境 可以在该环境中进行基本的测试 基本测试完成后下装到控制器进一步的 测试以及现场调试 该软件提供各种可编程控制器的指令 包括继电器指令 定时器指令 定时器和计数器 计算指令 数据转换 比较 选择和 PID 控制以及顺序功能图等 并主 要完成以下功能 精品文档 22欢迎下载 1 过程点的建立及通道的分配 2 控制器与上位机通讯参数的设置 3 控制逻辑的组态 4 历史数据储存的设置 5 设备组的组态 6 报警的设置 7 控制器硬件冗余的设置等 4 SCADA 数据库结构 SCADA 数据库主要包括实时数据库和历史数据库 SCADA 服务器通过 OPC 或其他 通讯方式从控制器采集数据 先储存在实时数据库中 并根据预先定制的格式储存 于历史数据库 并定期进行归档 所有的 SMSCS 实时数据 状态 报警 历史趋势 及报警 事件日志记录都应驻留在 SCADA 系统服务器数据库中并可被读取 数据库应具备自维护或自修复功能 系统可以自动诊断数据库的状态 发生 异常时向用户发出报警并自动进行切换或修复 并提供人工修复的工具软件 数 据库具有定时自动备份管理功能 数据库系统应具备硬盘空间管理功能 可根据 用户预先定义的要求对数据进行转储或删除操作 以确保服务器的工作效率 西南管道 SCADA 系统的数据库结构为 DSA 分布式服务器机构 实现对全线各站场监 控点的操作 控制 在 DSA 机构中 主备控制中心服务器可以共享 19 个站场服务器的数据 报警 时间 历史等 而两个站场可以共享相邻上下游站场的数据 报警等 并在一定权 限下允许操作控制相邻的站场 全管线 SCADA 系统的数据库被划分为不同的区域 允许用 户访问数据库中工艺流程或程序中的某一个特定的部分 区域分配限制操作员访问被分配 区域以外的图形 报警和数据 提供有效的设备划分 精品文档 23欢迎下载 当前值 测量值 平均 历史数据库 实时镜像数 据 平均数据 镜像过程 实时数 据库 控制器 本地硬盘 或远程硬 盘 备 份 其他硬盘 归档文件 趋势显示 数值历史 显示 报表 现场设备 采集数据 实时显示 报警 组态信息 三 应用软件 应用软件将安装在应用工作站上 专门的管道应用软件通过 API 或 OPC 和 SCADA 数据 库连接 监控结果以图形形式显示在各应用工作站和操作员工作站上 SCADA 系统软件和应用软件相互独立 应用软件可分为在线部分和离线部分 在线部 分用于完成泄漏检测 泄漏定位 清管器跟踪 批次输送管理 批次界面跟踪以及油库油 罐管理等 离线部分用于完成过程预估模型等 应用软件分为在线和离线软件 1 水击控制软件 具有如下功能 1 水击超前保护 2 记录水击事故源 3 记录所发生的水击事故状况和发生时间 4 显示各种水击事故的控制决策方案 精品文档 24欢迎下载 5 播放记录水击事故发生后一段时间内管线的压力流量变化 一般管道并没有单独的水击控制软件 都是应用 SCADA 软件的模块进行组态 编程来实 现水击控制 2 在线仿真软件 在线仿真软件可实时对管道连续的操作运行进行仿真模拟 在线仿真软件系统是动态模 拟 需要读取 SCADA 系统的流量 压力 油品密度 温度等数据 并根据管线系统的特性 进行实时模拟 以图形形式动态实时为用户提供管道运行状态下全线各点的压力 流量 密度和混油段位置等信息 3 清管球跟踪软件 在清管球的进站和出站处都设有指示器 实现对清管球进出站的报警 通过读取 SCADA 系 统的流量 累计量等可以详尽了解清管球在管线的位置 4 运行工况预测软件 预测软件对管道未来某时段的运行状况进行预测 软件以用户选择的时刻为预测点 读取 各站的进出站压力 流量 密度以及管道沿线测量点的压力 流量 按照预定的运行计划 通过管道预测模型 预测管道各关键点压力 流量 密度随时间的变化 5 系统优化运行软件 管道系统优化软件分为准稳态优化运行和动态优化运行两种 所给出的优化运行方案 为某一个周期内的各站不同时段的开泵方案和控制方案 6 泄漏检测定位软件 泄漏检测 LEAK DETECTION 以质量守恒 动量守恒 质量守恒为基础 并利用管线各处 的边界条件 来计算机管线各处压力 温度 流量和密度 经过把计算结果和实测结果相 比较 来计算是否泄漏 泄漏量及位置 当计算结果超过值时 系统报警 7 批输控制软件 批输软件承担着油品切换 混油段跟踪及末站混油切割等操作控制 8 模拟培训软件 培训软件是利用离线仿真模型 操作者在上面进行现场情况的模拟操作 看到操作带来的 结果 从而训练操作者处理各种情况的能力 精品文档 25欢迎下载 第五章 SCADA 系统控制逻辑 通过 SCADA 控制系统实现要求的全线启输停输控制 站启站停控制 批输下载 清管 球发送与接收 泵切换 水击联锁保护等控制 一 几种常见控制方式 1 顺序控制 通常指设备开 停时执行一组人为事先编排好的逻辑动作 这类控制允许由操作人员 决定是否投用 2 联锁保护控制 信号报警和联锁系统包括信号报警系统和联锁系统 信号报警起到自动监视的作用 当工艺参数超限或运行状态异常时 以灯光或音响的形式发出警报 提示操作员注意 并 及时加以处理 联锁保护实际是一种自动操作系统 能使有关设备按照规定的条件或程序 完成操作任务 达到消除异常 防止事故的目的 联锁保护的最高级别是 ESD 保护 ESD 是 Emergency Shutdown System 的简称 中文意思是紧急停车系统 它用于监视装置或独 立单元的操作 如果生产过程超出安全操作范围 可以使其进入安全状态 确保装置或独 立单元具有一定的安全度 联锁保护系统有 3 部分组成 1 发信元件 包括工艺参数或设备状态检测接点 控制盘开关 按钮 选择开关 以及操作指令等 它们起到参数检测 发布指令的作用 这些元件的通断状态也是系统的 输入信号 如泵入口压力开关 2 执行元件 也叫输出元件 如阀门的执行机构等 3 逻辑元件 又叫中间元件 它们根据输入信号进行逻辑运算 并向执行机构发出 控制信号 逻辑元件以前多采用有触点的继电器 接触器线路和无触点的晶体管等 现在 普遍采用 PLC DCS 和 SCADA 系统的控制器 3 简单 PID 单回路控制 3 1 了解几个名词 被控对象 自动控制系统中 工艺参数需要控制的生产过程 设备或机器等 精品文档 26欢迎下载 被控变量 被控变量内要求保持设定数值的工艺参数 操纵变量 受控制器操纵的 用以克服干扰的影响 使被控变量保持设定值的物料量 或能量 扰动量 除操纵变量外 作用于被控对象并引起被控变量变化的因素 设定值 被控变量的预定值 偏差 被控变量的设定值与实际值之差 3 2 简单控制系统 通常是指由一个被控对象 一个检测元件及传感器 一个调节器和一 个执行器所构成的闭环控制系统 也称单回路控制系统 调节器执行器被控变量 检测变送装置 给定值偏差 测量值 控制信号操纵变量被控变量 干扰简单控制回路方块图 3 3 调节器的正 反作用 将调节器的输入偏差信号定义为测量值减去给定值 那么当偏差增加时 其输出也增 加的调节器称为 正作用 调节器 反之 调节器的输出信号随偏差的增加而减少的称为 反作用 调节器 3 4 在 PID 调节中 比例作用是根据 偏差的大小 来动作 它的输出与输入偏差的大小 成比例 比例调节及时 有力 但有余差 它用比例度来表示其作用的强弱 比例度越小 调节作用越强 比例作用太强时 会引起振荡 积分调节依据 偏差是否存在 来动作 它的输出与偏差对时间的积分成比例 只有当余差消失时 积分作用才会停止 其作用是 消除余差 用积分时间 T 来表示其作用的强弱 T 愈小 积分作用愈强 但积分作用太强 时 也会引起振荡 微分调节根据 偏差变化速度 来动作 它的输出与输入偏差变化的 速度成比例 其效果是阻止被控变量的一切变化 有超前调节的作用 它使调节过程偏差 减少 时间缩短 余差也减小 但不能消除 它用微分时间 Td 来表示其作用的强弱 Td 大 作用强 但 Td 太大 也会引起振荡 3 5 对于一个控制回路 通常由一个 PID 调节器来实现反馈控制 为了使控制调节的反应 速度和开度变化更加快速合理 需要对 PID 调节器的 PID 参数进行整定 根据自控回路上 的设备的综合系统特性 调试出一个比较合理的 P I D 参数匹配值 在长输管道的单回 精品文档 27欢迎下载 路控制中 常常用来控制进出站压力 流量和下载流量 在自动调节一般只用到比例和积 分控制 4 复杂回路控制 4 1 串级控制 串级控制系统是由其结构上的特征而得名得 它是由主 副两个调节器串接工作的 主调节器的输出作为副调节器的给定值 副调节器的输出去操作调节阀 以实现对主变量 的定值控制 如图 调节器执行器副对象 副测量 变送 控制信号 副变量 主变量 干扰 串级控制回