輸油氣管道站控系統(tǒng)程序標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵問(wèn)題探討

魏國(guó)富，黃忠勝，丁建輝

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司 西部管道分公司 生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，烏魯木齊 830000）

0 引言

站控系統(tǒng)（SCS）是輸油氣管道SCADA 系統(tǒng)的遠(yuǎn)方控制單元，是保證SCADA 系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。典型站控系統(tǒng)主要由操作員工作站、工藝PLC 系統(tǒng)、ESD PLC 系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等組成。站控系統(tǒng)PLC 是控制系統(tǒng)的核心，PLC 采集現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)傳信號(hào)后，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，并向現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能[1]。實(shí)際工程中，站控系統(tǒng)程序的編制沒(méi)有明確統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，往往依據(jù)最后程序執(zhí)行的結(jié)果來(lái)判定控制質(zhì)量。由于PLC 編程人員的個(gè)人習(xí)慣和素質(zhì)差異，會(huì)造成程序風(fēng)格迥異，程序的質(zhì)量層次不齊，互通性差，甚至同一個(gè)人在不同時(shí)期、不同項(xiàng)目中編寫(xiě)的程序也會(huì)存在不統(tǒng)一或隨意性[2]。對(duì)PLC 編程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一，規(guī)范控制程序結(jié)構(gòu)和邏輯，使程序結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)明易懂，實(shí)現(xiàn)站控系統(tǒng)控制程序標(biāo)準(zhǔn)化，可提高控制程序的可靠性、可維護(hù)性和可移植性。

1 結(jié)構(gòu)化站控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法

隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種程序設(shè)計(jì)思想，如結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想以及事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)思想等。其中，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是一種應(yīng)用廣泛、易于理解和實(shí)現(xiàn)，且比較契合工業(yè)控制程序開(kāi)發(fā)要求的設(shè)計(jì)方法[2]。站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)以模塊化設(shè)計(jì)為中心，將站控系統(tǒng)中工藝PLC、ESD PLC、水擊保護(hù)系統(tǒng)PLC、閥室RTU 等從程序的功能上劃分為多個(gè)相互獨(dú)立的模塊，各模塊相互獨(dú)立、功能單一，使得程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰、接口簡(jiǎn)單。采用“自頂而下、逐步細(xì)化”的結(jié)構(gòu)化站控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法和“單入口單出口”的控制結(jié)構(gòu)，主要在以下多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)程序的標(biāo)準(zhǔn)化：①程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，即根據(jù)輸油氣管道站場(chǎng)工藝流程和設(shè)備功能，將站控系統(tǒng)要完成的功能分解為多個(gè)小模塊，再將各個(gè)小模塊進(jìn)行逐步細(xì)化；②功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化并形成庫(kù)，即某一段程序可以被多次、重復(fù)調(diào)用，也就是設(shè)計(jì)通用化的功能模塊[3]；③變量定義標(biāo)準(zhǔn)化，即將輸油氣管道站控系統(tǒng)程序中常用的通信變量、設(shè)備變量、聯(lián)鎖程序變量等命名格式的標(biāo)準(zhǔn)化；④程序注釋標(biāo)準(zhǔn)化。

2 輸油氣管道站控系統(tǒng)程序標(biāo)準(zhǔn)化

2.1 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

輸油管道或輸氣管道的各類(lèi)型站場(chǎng)工藝流程可能不盡相同，但對(duì)于PLC 程序而言仍具有很多共性，如信號(hào)處理、通信處理、系統(tǒng)診斷和單體設(shè)備控制等，因此可根據(jù)輸油氣管道站場(chǎng)工藝流程和設(shè)備功能的特點(diǎn)，將站控系統(tǒng)程序按功能分解為以下幾部分：

1）數(shù)據(jù)映射處理程序：完成PLC 硬件地址與程序變量的映射、模擬量輸入和輸出數(shù)據(jù)的量程轉(zhuǎn)換、輸入信號(hào)的濾波處理、回路斷線(xiàn)檢測(cè)、冗余輸入通信的數(shù)據(jù)選擇等程序。

2）人機(jī)交互程序：完成上位機(jī)下發(fā)的復(fù)位命令、投用屏蔽命令、手自動(dòng)切換命令、單體設(shè)備開(kāi)關(guān)（啟停）控制命令、中控站控權(quán)限切換命令、設(shè)備預(yù)選命令、旁路命令等程序。

3）聯(lián)鎖控制程序：完成工藝PLC 中啟站邏輯、停站邏輯、空冷器聯(lián)鎖啟停邏輯、風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖啟停邏輯、泵的聯(lián)鎖控制邏輯、爆管檢測(cè)邏輯等程序；在ESD PLC 程序中完成全站工藝邏輯、壓縮機(jī)廠(chǎng)房工藝邏輯、超壓保護(hù)聯(lián)鎖邏輯等程序。

4）單體設(shè)備控制程序：完成泵、閥、壓縮機(jī)組、空壓機(jī)、加熱器、發(fā)電機(jī)、加熱爐等單體設(shè)備的啟停（開(kāi)關(guān)）控制等程序。

5）數(shù)據(jù)通信程序：完成PLC 與PLC、PLC 與其他第三方設(shè)備的通信控制指令、通信數(shù)據(jù)位映射等程序。

6）系統(tǒng)診斷程序：完成PLC 系統(tǒng)內(nèi)部硬件狀態(tài)、程序狀態(tài)等診斷數(shù)據(jù)的采集功能，并完成與外部遠(yuǎn)程維護(hù)診斷系統(tǒng)的通信地址或標(biāo)簽的接口等程序。

7）其他類(lèi)型程序：完成能耗計(jì)算、設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)計(jì)算、設(shè)備誤動(dòng)作判斷、程序修改記錄、時(shí)鐘同步等程序。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化功能塊管腳排列示例Fig.1 Example of pin arrangement of standardized function blocks

8）自定義邏輯功能塊：將控制系統(tǒng)程序中常用的、重復(fù)性、通用性的控制邏輯封裝為用戶(hù)自定義功能塊，如閥門(mén)的單體控制程序、壓縮機(jī)的啟停機(jī)控制程序等。

按照以上程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，可對(duì)站控系統(tǒng)工藝PLC、ESD PLC、水擊保護(hù)PLC、閥室RTU 等控制程序的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)化，并規(guī)范程序的命名和執(zhí)行順序。

2.2 通用控制功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化

功能塊已成為各個(gè)PLC 產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)模式，并且被廣泛應(yīng)用在實(shí)際的工業(yè)控制中，縮短了程序的編制時(shí)間，程序的結(jié)構(gòu)也變得更加清晰，提高了效率，降低了維護(hù)成本[4]。輸油氣管道站控系統(tǒng)程序許多單體設(shè)備或功能塊相同的邏輯可使用功能塊實(shí)現(xiàn)，但由于項(xiàng)目實(shí)施方和編程人員的不同，造成相同設(shè)備的相同控制邏輯形成功能塊后差異性較大。通用控制功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)展有以下兩方面內(nèi)容：

1）制定標(biāo)準(zhǔn)化功能塊編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合輸油氣管道站控系統(tǒng)程序中功能塊的特點(diǎn)，制定標(biāo)準(zhǔn)化功能塊編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范功能塊輸入輸出管腳的排列、管腳變量命名、功能塊內(nèi)部變量命名、功能塊注釋等要求，圖1 為輸油主泵單體控制功能塊管腳排列要求。

2）建立通用控制功能塊庫(kù)。對(duì)輸油氣管道站控系統(tǒng)程序中常用的功能塊進(jìn)行梳理和統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)現(xiàn)有功能塊控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)尚未實(shí)現(xiàn)功能塊的邏輯完成功能塊編程，并將梳理出的功能塊按照功能進(jìn)行分類(lèi)，選擇輸油氣管道站控系統(tǒng)主流PLC 產(chǎn)品編程軟件，建立輸油氣管道常用通用控制邏輯功能塊庫(kù)。功能塊庫(kù)中通過(guò)兩種不同編程語(yǔ)言和軟件編寫(xiě)的ESD 閥門(mén)主體控制功能塊如圖2 所示。

2.3 變量定義標(biāo)準(zhǔn)化

良好的變量定義方法不僅有利于提高程序的可讀性，同時(shí)也有利于程序的排錯(cuò)和調(diào)試[2]。輸油管道站控系統(tǒng)程序中常用各類(lèi)型變量的規(guī)劃和定義應(yīng)從以下方面實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化：

圖2 基于RSLogix5000和Concept軟件的標(biāo)準(zhǔn)化ESD閥門(mén)主體控制邏輯功能塊Fig.2 Standard ESD valve body control logic function block based on RSLogix5000 and Concept software

1）與上位機(jī)系統(tǒng)通信變量的標(biāo)準(zhǔn)化。站控系統(tǒng)程序與上位機(jī)系統(tǒng)通信的變量通過(guò)別名的方式將通信地址標(biāo)簽關(guān)聯(lián)起來(lái)，不再單獨(dú)進(jìn)行程序變量到上位機(jī)通信地址標(biāo)簽的映射編程。通信地址區(qū)分?jǐn)?shù)字量和模擬量，且應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)備類(lèi)型，對(duì)通信地址進(jìn)行分段。

2）設(shè)備變量的標(biāo)準(zhǔn)化。輸油氣管道站控系統(tǒng)中常用設(shè)備如電動(dòng)閥、調(diào)節(jié)閥、加熱器、壓縮機(jī)組、空冷器等相關(guān)變量的名稱(chēng)宜由設(shè)備類(lèi)型字母代號(hào)、設(shè)備工藝編號(hào)、設(shè)備的狀態(tài)或控制命令屬性等三部分組成。例如，設(shè)備變量“ESDV1101_ZSH”“ESDV”表示設(shè)備的類(lèi)型字母代號(hào)為ESD 閥門(mén)；“1101”表示設(shè)備的工藝編號(hào)；“ZSH”表示設(shè)備的開(kāi)到位狀態(tài)屬性。常用設(shè)備的命名和屬性字母代號(hào)應(yīng)形成標(biāo)準(zhǔn)。

3）模擬量變量的標(biāo)準(zhǔn)化。輸油氣管道站控系統(tǒng)常用的模擬量信號(hào)如壓力、溫度、液位、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、流量等變量的名稱(chēng)宜由變送器類(lèi)型字母代號(hào)、變送器工藝編號(hào)等兩部分組成。例如，模擬量變量“PT1101”，其中“PT”表示壓力變送器字母代號(hào)，“1101”表示變送器的工藝編號(hào)。常用模擬量的信號(hào)類(lèi)型母代號(hào)應(yīng)形成標(biāo)準(zhǔn)。

4）其他常用變量的標(biāo)準(zhǔn)化。輸油氣管道站控系統(tǒng)程序中常用的邏輯聯(lián)鎖中間變量、計(jì)時(shí)器變量、常數(shù)變量等應(yīng)形成標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 程序注釋標(biāo)準(zhǔn)化

程序的注釋對(duì)解讀控制程序、掌握程序變更記錄等具有重要意義，應(yīng)從程序整體信息注釋、程序段注釋、變量注釋、功能塊整體介紹注釋、程序變更記錄等多方形成注釋標(biāo)準(zhǔn)。如圖3 所示，功能塊應(yīng)有介紹性注釋?zhuān)⑨寖?nèi)容應(yīng)包括功能塊的名稱(chēng)、版本、創(chuàng)建時(shí)間、創(chuàng)建者和修改記錄，介紹性注釋?xiě)?yīng)放置于功能塊程序首頁(yè)的頂部中間位置。

圖3 功能塊介紹性注釋Fig.3 Introductory notes on function blocks

2.5 其他編程要求標(biāo)準(zhǔn)化

對(duì)輸油氣管道站控系統(tǒng)程序中其他細(xì)節(jié)部分應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一規(guī)定，如工程命名、硬件模塊命名、程序的執(zhí)行順序、編程語(yǔ)言的選擇、程序代碼的布局及分頁(yè)、常用邏輯的編寫(xiě)等方面內(nèi)容。

3 輸油氣管道站控系統(tǒng)程序管理規(guī)范化

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、管理規(guī)范化是保證自動(dòng)化系統(tǒng)工程能夠?qū)崿F(xiàn)完善、先進(jìn)、實(shí)用化功能的必要舉措[5]。輸油氣管道運(yùn)行單位宜從用戶(hù)角度出發(fā)，結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)和工藝控制需求，制定相應(yīng)輸油氣管道站控系統(tǒng)程序的架構(gòu)設(shè)計(jì)、編寫(xiě)、測(cè)試、投用、維護(hù)、變更等全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)輸油氣管道站控系統(tǒng)新建或改造項(xiàng)目中站控系統(tǒng)程序編寫(xiě)，規(guī)范日常維護(hù)中程序標(biāo)準(zhǔn)化方面的要求和內(nèi)容，從技術(shù)和管理兩方面實(shí)現(xiàn)輸油氣管道站控系統(tǒng)程序標(biāo)準(zhǔn)化。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著輸油氣管網(wǎng)向智能化、信息化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)站控系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，對(duì)提升站控系統(tǒng)可靠性、易維護(hù)性等均有重要意義。本文結(jié)合當(dāng)前輸油氣管道站控系統(tǒng)程序標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀，以結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，探討了有關(guān)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、通用控制功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化、變量定義標(biāo)準(zhǔn)化、程序注釋標(biāo)準(zhǔn)化和其他編程要求標(biāo)準(zhǔn)化等幾方面，以實(shí)現(xiàn)輸油氣管道站控系統(tǒng)程序標(biāo)準(zhǔn)化的方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)輸油氣管道站控系統(tǒng)程序標(biāo)準(zhǔn)化具有一定參考意義。