测试和认证石油和天然气设备的系统和方法

测试和认证石油和天然气设备的系统和方法

古小杰1周菁2李玉龙3蒋才虎4

1西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川省德阳市，618000      2四川吉瑞祥能源技术服务有限责任公司 四川省德阳市，618000     3四川京川大正油田技术服务有限公司 四川省德阳市，618000          4西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川省德阳市，618000

摘要：随着天然气行业的进一步发展，也对输气站的运行提出了更高的要求，传统的人工值班、人工统计分析数据信息等工作方式已经不能满足实际需要。这就需要引入数据采集和监控系统(以下简称SCADA系统)来实现自动实时控制、实时数据采集和监控等工作目标。通过SCADA系统的应用，有助于提高输气站的运行质量和安全性，进一步降低成本，其现实意义更加突出。因此，仍有必要进一步探讨SCADA系统的设计和实现。

关键词：天然气；输气场站；SCADA系统；系统设计;

为探究天然气输气场站的自动化监控管理，研究人员基于数据收集与检测控制系统（即SCADA系统）设计的理念和方法，从硬件选型、协议设计和自动化监控等多个角度入手，详细探讨了天然气输气场站SCADA系统的设计要点内容，并在设计完成后对系统进行初步测试，测试结果表明，该系统基本实现了预期功能，且具有较高的精准度，预计其在今后的工作中具有潜在的应用价值。

一、系统整体设计

结合当前天然气输气场站的实际运营情况，研究人员采用分层和分布式的设计思路，对本次SCADA系统进行整体设计，由此，系统的整体设计结构，本次SCADA系统功能较为复杂，覆盖了数据采集、监控、通信、数据储存、以及其他安全辅助模块等多个组成部分。在实际运行过程中，数据采集模块采集到的数据将存储在数据库中，并通过监控中心控制系统显示在HMI界面上，由此，工作人员即可根据显示的数据，通过现场执行系统进行调度。

二、ＳＣＡＤＡ控制系统简介

随着科技发展，天然气管道输送和生产运行自动化程度越来越高，要保障长输管道及输气站安全平稳输送，就需要稳定性极高的自动化控制系统。ＳＣＡＤＡ系统，即数据采集与视频监控系统，可以对管道运行全过程进行动态监视、控制，对线路及设备状态进行诊断并采取相应的保护措施。输气场的ＳＣＡＤＡ控制系统由上位机、ＰＬＣ、通讯服务器、串口服务器、ＥＳＤ系统及通信系统组成，主要实现输气站内工艺数据采集、监视、控制，向调度中心传送实时数据，接受调度中心下达的工作数据等任务。ＰＬＣ通过与现场设备或仪表相结合，感知设备各种参数的状态，将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信网络传递到上位机系统中；通讯服务器通过转换数据格式、通信协议和电缆信号提供设备仪表与上位机的连接，并提供调控中心远程访问本地信息。第三方串口设备采用ＲＳ４８５或ＲＳ２３２接口进行数据传输。上位机系统包括调控中心工作站和输气站工作站，在接受ＰＬＣ传输的数字信号后，以声音、图形、图象等方式显示给用户，以达到监视的目的，同时接受操作人员的指示，将控制信号发送到ＰＬＣ中，达到控制现场设备仪表的目的。ＥＳＤ紧急停车系统对生产中的超压、火灾、泄漏事件进行检测并处理，可以自动连锁触发全站停输，也可手动触发使全站停输及放空，确保人员安全、防止事故扩大。

三、系统主要功能模块设计

1.监控中心。监控中心是整个SCADA系统数据信息的交汇点，对输气场站的安全运行影响最为突出。在本次设计中，研究人员主要对监控中心配置各类服务器，以完成通信、数据存储等任务，同时配备监控大屏设备，以确保数据实时显示。为提高通信效率和质量，监控中心以冗余设计理念，同时配置有线和无线网络进行数据传输。具体来看，监控中心的硬件选型。

2.站控系统。在站控系统设计中，设计人员主要从以下两方面着手进行。一方面是针对现场仪表设备进行选型，确保选择的仪表符合整个系统的通信协议，且具备通用接口，以便于数据的快捷接入，同时仪表也需要具有防爆功能。另一方面则是对PLC设备进行选型。在该步骤中，为最大程度上避免在测量环节中受到电磁干扰等问题，在本次设计中，采用PLC的下位机，具体选型则使用西门子S7-300PLC，该下位机具有突出的模块化特点，且具有较高的稳定性。

3.通信系统。在本次设计中，输气场站的SCADA系统通讯方式包括有线和无线两种形式。其中，有线形式采用有线光纤接入方式进行通信。在具体的通信协议选择上，考虑到各个硬件设备均需通信畅通，因此统一了通信协议，均使用Modbus通信协议。而在无线网络布局中，则采用GPRS协议进行无线通信。在确定通信协议后，为进一步提升通信的安全性，设计人员搭建VPN专线网络，其基本拓扑结构。基于该结构，网络的搭建分为以下几个步骤：（1）连接计算机与防火墙配置端口，登陆防火墙页面，配置IDC的IKE协议；（2）根据VPN连接的IPsec协议信息，配置IDC的IPsec协议；（3）对VPN对端进行配置；（4）配置本地IP、掩码和网段等参数；（5）确定安全域，创建VPN。

4.数据库。在本次设计中，考虑到实际需要，SCADA系统的数据库使用Oracle软件进行设计，在该数据库中，主要存储瞬时数值、管段数据、故障数值、管线资料、场站资料、天然气组分、管段生产情况、用户使用数据和用户信息等多项内容。结合上述需要的内容，设计人员进行数据库的搭建，并设置各个数据表的主键，以完成数据库的布置。在数据库初步设计完成后，为进一步提高数据安全性，为确保数据库的安全性，设计人员将数据库文件系统设置于云端，并采用RAS整合AES的加密方法，对数据库中的数据进行加密设计。

5.其他辅助模块。为进一步提升输气场站SCADA系统的完整性与稳定性，设计人员也对辅助模块的设计给予了一定的重视，在辅助模块设计中，主要包括以下三个部分。一是安防系统模块设计，该模块以监控室终端为核心进行布局，通过实时采集和存储摄像信息以实现有效的安防监控，此模块的设备选型情况。二是消防火灾报警系统设计，在该模块的设计中，采用集中报警模式进行设计，在探测器采集到的火灾信号后，通过联动控制器激发相关报警装置以发出相应信号，其整体组成及连接情况。三是防雷接地系统设计。结合输气场站的特殊性，在接地方式上选择TN-S制，即PE线（保护线）和N线（中性线）从变压器开始分开进行设置。同时所有运行时的电气设备外部金属构架和壳体等均与PE保护线进行稳固连接。在此基础上，针对系统内部电子设备的接地，则预先在地板下方设置铜排网，并将设备的接地线通过地板预留缺口连接地板下方铜排网上。

四、系统调试

在系统整体设计完成后，研究人员对系统进行调试，以检验系统性能。调试过程中，操作人员首先应用监控中心计算机启动Viewstar软件，以启动本次设计的SCADA系统，输入正确账号密码后登陆到HMI主界面中，而后对各项主要功能进行查看，测试结果。从以上信息分析可知，本次系统能够基本实现预期功能，且精确度相对较高，整体性能较具优势，仅在功能切换时间上稍长，初步推断其原因是计算机设备自身缓存和垃圾文件过多，导致系统运行时占用较多资源，后续预计可通过提升硬件性能加以解决。

总之，结合天然气输气场站运营管理工作的实际需要，以SCADA系统的基本原理和检测依据等内容为基础，对天然气输气场站的SCADA系统进行了较为全面的设计，包括相关协议、硬件和自动化监控等多个模块。从实际测试效果来看，该系统能够精准完成多项监控管理功能，其性能相对较为优异。当然在今后的工作中，仍需对其效率做进一步提升，以推动其实际应用。

参考文献：

[1]白科.输气场站高流速工况分析与管控措施研究.2022.

[2]王浩宇.测试和认证石油和天然气设备的系统和方法.2020.