1          概述
1.1         横河SCADA系统简介
        横河SCADA系统主要包括三大部分：除了传统意义的数据库、人机界面HMI和远程终端单元RTU，还包括安全联锁系统ESD。其中数据库和人机界面软件是横河的FAST/TOOLS，该软件包安装于服务器和一般PC工作站，用于数据的采集存储，流程画面的显示等。远程终端单元是横河的STARDOM控制系统，该系统是由传统PLC控制器的基础上发展而来，用于提供给各种现场仪表接口，采集各种仪表的数据，实现一般逻辑控制，并将数据上传给人机界面或从人机界面接收操作命令并将命令实现到现场控制阀等仪表。安全联锁系统是横河的PROSAFE-RS控制系统，该系统符合安全等极SIL3，用于工艺中的安全联锁逻辑和一些紧急关断的执行。
        当然介于这三个部分之间是必不可少的通讯网络部分，其中FAST/TOOLS和STARDOM之间一般采用光纤以太网通讯，也可以采用卫星、无线等通讯方式。而FAST/TOOLS和PROSAFE-RS之间可以用同轴电缆、串口电缆通讯或横河专用的Vnet/IP电缆。
        横河SCADA系统常用于石油、天然气开采，石油、天然气管道输送等上游行业，同时也可以用于水处理，水输送，电厂工业现场。
1.2         FAST/TOOLS简介

图1.1 横河FastTools软件
        从通俗角度讲，FAST/TOOLS是一个HMI软件。FAST/TOOLS 意义为Flexible、Advance、System、Techniques、TOOLS，它具有灵活可靠的特性和先进的技术优势。它可以给用户提供集成的TOOLS（工具包）解决方案，包括以下功能：
Ÿ         图形化操作员界面；
Ÿ         报警处理与管理；
Ÿ         历史数据存储与回装；
Ÿ         趋势图显示；
Ÿ         面向对象的过程建模；
Ÿ         提供与其它应用系统的接口；
Ÿ         报表生成；
Ÿ         跟踪审计；
Ÿ         可编程的顺序控制；
Ÿ         用户应用开发；
 
1.3         STARDOM简介

图1.2 横河Stardom控制器
         横河Stardom是一个基于网络的控制系统（NCS），其定位介于低端的PLC控制器和高端的DCS系统之间。其控制模块上提供直接的RJ45网络接口，因此非常方便用于以以太网为控制网络的系统中。
         从硬件角度来讲，它是一个模块化的系统，按不同功能分有底板模块、供电模块、CPU控制模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块以及串口通讯模块等。并提供标准的19英寸安装尺寸。其中供电模块、控制模块和网络接口都采用冗余配置。
        从软件角度来讲，它以IEC61131标准语言作为逻辑编程语言，其中包括功能块（FB）、梯形图（LD）、顺控图（SFC）、结构体文本（ST）、指令表（IL）。同时支持多种通讯接口（协议）：如TCP/IP、OPC、HART、Foundation Fieldbus、Web服务器和E-mail服务器。
1.4         PROSAFE-RS简介

图1.3 横河Prosafe-RS控制器
        横河PROSAFE-RS是一个紧急关断系统或安全仪表系统（ESD/SIS），符合IEC61508标准国际安全完整性等级SIL3。本系统采用符合国际标准的规范安全编程方式，通过安全软件和硬件的协同工作 ，保证安全信号采集和处理的可靠性。
        PROSAFE-RS可用于石油、天然气开采，石油、天然气输送，炼油厂，烯烃厂等工业现场的安全控制。主要负责事故紧急停车，阀门紧急关断，火灾气体检测报警控制等。并通过PC工作站对生产过程中所发生的与安全有关的事件作记录。

2          天然气管道输送的应用
2.1         天然气管道输送
        天然气输气管线一般具有管线长、距离远，控制点分散，控制工艺相对简单等特点。这些特点再综合性价比等因素宜采用SCADA系统。
        下面举例横河于2005年底投入现场使用的珠海－中山天然气管道SCADA系统来详细介绍横河SCADA系统在天然气管道输送中的运用。
2.2         珠海－中山天然气管道工程概况
        珠海－中山天然气输送管线起始于广东省珠海市横琴岛，终止于广东省中山市南朗镇横门，包括一条干线和两条支线，全长64.5公里。全线共设工艺站场5座，截断阀室5座，其中站场包括横琴首站，南屏分输站、南朗分输站，洪湾电厂末站、横门电厂末站，截断阀室包括洪湾分输阀室、坦洲分输阀室、金鼎分输阀室、翠亨分输阀室、横门分输阀室。
        该管线已于2006年2月全线投产供气，采用横河SCADA系统作为管线自控系统，目前系统运行良好，为客户的生产节约了劳动成本，提高了安全可靠性，带来了较大的经济效益。
2.3         珠海－中山天然气管道SCADA系统结构
        如下图所示，为珠海－中山天然气管道SCADA项目的系统结构图。整个SCADA系统分调度中心、站控系统、阀室RTU、通讯网路几部分。

图2.1 珠海－中山天然气管道SCADA系统结构图
         调度控制中心的主要任务是通过各站的站控系统或RTU/ESD对该站场和阀室进行数据采集及控制，同时实现管道模拟、输送计划、设备运行优化、计量管理、模拟培训等任务。调度控制中心的操作人员通过计算机系统的操作员工作站所提供的管道系统工艺过程的压力、温度、流量、密度、设备运行状态等信息，完成对管道全线的运行监控和管理。操作人员还可通过调度管理计算机完成输送计划、贸易结算等调度管理工作。
         站控系统和阀室的RTU将完成对本工艺站场或阀室的监控及连锁保护等任务，并接受和执行调度控制中心下达的命令。
通讯网络则是沿线各站控系统、阀室RTU与调度中心相互间交换数据的纽带。
2.4         调度中心
        调度中心设有2台SCADA冗余服务器、1台工程师站、2台双屏操作员站、1台报表打印机、1台报警打印机、1台彩色趋势图打印机，另外还有1台培训工作站、2台管道仿真和漏点检测（LDS）工作站、1套大屏幕投影系统、1台GPS网络时间服务器、1台硬件防火墙，以及冗余的交换机和路由器各2台。
        SCADA服务器安装FastTools服务器端软件，这里采集整个管线的所有实时工艺数据，形成数据库，并将相关数据作历史存储。SCADA服务器采用冗余配置，即任何情况下只有1台服务器处于工作状态，另外1台服务器处于备用状态，一旦处于工作状态的服务器发生故障，控制功能将立即自动切换到备用服务器中，而且任何时候两台服务器上的数据将自动同步一致。
        操作员站安装FastTools客户端软件，这里聚集了整个管线的所有动态工艺流程图，作为SCADA服务器的客户端，它的所有数据取至SCADA服务器，它只提供图行操作界面，相当于图行工作站。现场生产操作人员的所有与生产有关的操作、调度都将通过这2台操作员站完成。
        工程师站安装FastTools客户端软件，同时也安装本SCADA系统中的其它组态软件，如Stardom和Prosafe-RS的编程组态软件。用户工程师可以通过工程师站对SCADA系统的组态、程序等作修改。
        报表打印机将完成生产日报、月报，调度运行日报、月报，计量日报、月报的答应输出，采用A3激光打印机。
报警打印机采用点阵打印机，对生产过程中发生的所有报警信息和事件实时打印输出。
彩色趋势图打印机将主要提供趋势图的打印输出功能，同时也满足用户打印相关流程画面的需求。
        培训工作站将安装横河FastTools、Stardom、Prosafe-RS等软件，则用于对操作员如何使用横河SCADA系统进行日常操作的培训，也可以用来培训工程师熟悉横河的SCADA软件。
        管道模拟仿真和漏点检测（LDS）系统由第三方－英国ATMOS公司提供，其主要功能是作为输气管道控制和管理的工具，应完成准确地评价管道的过去、解释管道当前发生的事件、预测管道的未来等任务，为操作调度人员提供调度和操作参考，以保证管道安全、平稳、高效、经济运行。同时它能提供漏点检测功能，即如果整个天然气输气管线某一个地方发生泄漏，通过软件能判断出泄漏所在地。该系统采用OPC协议从SCADA服务器读取数据。
大屏幕投影系统则是完成将操作员站等图行工作画面放大的功能，以方便操作员和人员较多时监控。
        GPS网络时间服务器是整个SCADA系统的时间同步服务器，它通过天线定位卫星，获取最准确的时间数据，然后SCADA系统的其它设备，如SCADA服务器、操作员站、RTU控制器、流量计量子系统等都可以作为GPS的客户端来完成时间的同步。
硬件防火墙测试对整个SCADA网络上的所有设备进行防病毒和防入侵的保护。
此外交换机和路由器将连接到第三方公司提供通讯设别上完成通讯功能。
2.5         站控系统
首站、分输站、末站等5个站场都各设有1套站控系统。
        站控系统的最主要组成部分是远程终端单元RTU（或称过程控制系统）和安全联锁系统ESD。其中还辅以1台操作员站、打印设备和网络设备等。
         过程控制系统采用横河Stardom控制器，将采集本站的一般的工艺过程数据。如进站压力、温度，出站压力、温度，过滤器差压，流量撬阀门开关控制，调压撬温度、阀门开关控制，流量调节等，这些信号中模拟量都采用标准的4～20mA信号，数字量采用干触点或24VDC有源节点。同时提供RS485接口给站场其它子系统或智能仪表，如流量计量子系统通过RS485接口采用MODBUS通讯协议将流量数据上传给Stardom控制器，然后再上传至站控操作员站和调度中心服务器，流量数据包括瞬时标况体积流量、累积标况体积流量、每日累积体积流量、每月累积体积流量等。
        安全联锁系统采用横河Prosafe-RS安全控制器，主要采集一些站场和管线中的重要的压力数据，和进、出站总阀数据，并对进、出站总阀门进行安全联锁逻辑关断控制。如发生紧急情况（如管线压力超高），则系统将自动发出命令关闭进站、出站阀门。同时Prosafe-RS安全控制器还提供给可燃气探测、火灾报警等子系统RS485接口，采集可燃气浓度和火灾报警数据传给站控操作员站和调度中心。
         站控操作员站将只采集和显示本站以及本区域内的阀室的工艺数据和动态流程图。并提供报表、报警打印功能等。站控操作员站的设置主要是起辅助性作用，即当站场与调度中心的通讯线路发生故障时，操作人员可以在站场内对本站数据进行监控。下图为操作员站流程图示例：

图2.2 流程图示例
2.6         阀室RTU
        5个截断阀室在生产过程中是无人值守的，每个阀室内都设1套远程终端单元RTU（或称过程控制系统）。过程控制系统采用横河Stardom控制器，采集本阀室内的温度、压力、可燃气浓度等数据，并控制本阀室的气液联动阀。Stardom控制器通过交换机、路由器和其它网络设备如光纤等将数据上传至调度中心或附近的站场操作员站。
2.7         通讯网路
           由于整个天然气管线的各站场、阀室等都相距较远，有的几公里，有的十几公里甚至二十几公里），所以采用光纤和邮电公网进行通信。光纤通信作为主通信通道，邮电公网作为备用通信通道。当主通信通道故障时，应自动切换到备用通信通道上。该切换应由SCADA系统自动完成并记录备案。 IP地址识别和路由转换由设在调度中心、站场和阀室内的交换机和路由器来具体执行和完成。

3          缩略语