长输管道数据采集与监视控制系统组网结构及实现

尚瑞琪

摘 要：随着经济发展和对环境的重视，天然气成为现今最受人们欢迎的能源，推动着天然气长输管道的建设和发展。遵循长输管道无人值守站的设计原则，长输管道大力建设站场和调控中心SCADA 系统，通过 SCADA 系统进行现场数据采集和控制，实现长输管道自动化、信息化建设。为了实现长输管道站场和调控中心 SCADA 系统，网络平台是其中最为关键、最为重要的一部分；长输管道的特点是距离长，地形复杂，站点分散，网络可靠性、安全性要求高；和其他行业自控组网不同，长输管道自控组网需要依靠主备两条物理链路将沿线几百公里甚至上千公里内的站场网络连通起来，同时必须保证网络的安全性、可靠性和可管理性。

关键词：长输管道；通信； SCADA；物理链路

结合某地区天然气长输管道 SCADA 项目自控组网实例应用，详细描述了长输管道自控网络实现；该项目采用专线链路和 DDN 链路构建冗余网络，通过对其物理链路、逻辑链路的管理及划分，将全线划分为三层网络拓扑结构，构建站场及阀室独立的物理子网结构，实现阀室数据上传上下游站场，完成数据上传调控中心的功能需求。 全线站场、阀室及调控中心网络 IP 地址采用 C 类地址规划，通过路由器实现多重网络冗余机制，为站场及调控中心提供安全可靠的网络环境，实现站场及调控中心 SCADA 系统平台搭建。

1 网络架构方案论证

天然气长输管道距离长，站场和阀室分散；为了实现全线管线自动化控制和信息化 SCADA 平台，根据阀室数据流走向，可通过以下两种网络结构方案实现自控网络平台搭建。

1.1 方案一

阀室 RTU 设备放置于站场和调控中心的中间网络层，通过站场路由器和调控中心路由器读取阀室 RTU 设备数据，实现该阀室 SCADA 系统监控及控制。

该方案下，阀室需配备路由器设备，调控中心、阀室、站场路由器形成环状结构，同时需开放阀室至管理站场的数据链路，保证阀室数据能传输至站场和调控中心，同时站场数据需上传至调控中心；因此站场数据服务器数据管理难度较高。。

1.2 方案二

阀室 RTU 设备放置站场下的第三层网络，先将阀室数据上传至站场，然后通过站场将数据上传至调控中心，实现该阀室SCADA 系统监控及控制。

该架构将整个网络划分为三层网络，阀室无需部署路由器设备，可直接将阀室网络与上下游站场网络打通，数据上传至上下游站场，由站场统一上传至调控中心

结合两种方案，根据网络架构可实现性、安全性、可管理性和数据流结构的多种因素考虑，在设计未要求阀室数据需直接上传调控中心时，建议采用方案二实现长输管道自控组网，本文参照方案二具体说明长输管道 SCADA 系统网络的实现。

2 长输管道 SCADA 系统网络的实现

长输管道 SCADA 系统网络在实现中主要包括站场控制网和信息网、站场局域网（将上下游阀室划分至站场局域网）、调控中心局域网三个子网结构； 调控中心和站场通过敷设光纤建立物理链路，实现整个长输管道的网络结构。

2.1 站場控制网和信息网

站场采用中控 VxSCADA 软件实现 SCADA系统平台搭建，使用 AB L1756 系列控制系统进行站场数据采集及控制，通过协议转换器完成第三方设备异构通讯，获取第三方设备数据。站场配有两台 RCI 服务器、一台工程师站和一台操作员站。站场服务器及控制系统通过 A 网、B 网交换机形成冗余网络结构。站场上下游阀室通过专线光纤接入站场 A 网交换机，通过RCI 服务器采集阀室数据，同时站场的路由器设备通过专线光纤和 DDN 数字链路实现与调控中心的通讯网络。

2.2 站场局域网建设

项目采用管道敷设光纤的方式建立全线物理链路，通过光电交换机将所有站场、阀室和调控中心网络打通，完成物理链路组网；该物理链路不仅为自控数据提供数据通道，还为站场和阀室的视频监控和周界安防系统提供数据通道。

2.2.1 VLAN 隔离

VLAN 的中文名称为虚拟局域网，工作在 OSI 参考模型的第2 层和第 3 层。VLAN 是建立在物理网络基础上的一种逻辑子网，因此建立 VLAN 需要相应的支持 VLAN 技术的网络设备，当网络中的不同 VLAN 间进行相互通信时，需要路由的支持；长输管道SCADA 网络的 VLAN 划分目的是将每个站场隔离为单独的局域网，长输管道通过工业交换机和光纤将所有各站各阀室的物理链路连接起来，形成一个大的物理局域网，站场及阀室通过工业交换机进行 VLAN 划分，将每个站场及上下游阀室规划为单独的局域子网，形成一个完整稳定安全的物理网络环境。

2.2.2 逻辑链路隔离

站场及阀室所有SCADA系统网络设备通过 IP地址及子网掩码划分，将每个站场及阀室划分为独自局域网地址。SCADA 系统网络安照 C 类 IP 地址标准进行规划，将站场、阀室及调控中心网络进行逻辑隔离，最终建立安全可靠的站场局域网系统。

2.3 调控中心网络结构

调控中心 SCADA 系统部署两台实时数据服务器、两台历史数据服务器、一台工程师站、一台远程维护站、一台调度员站、 三台操作员站、 一台 OPC 服务和一台 Web 服务器，其中使用两个物理防火墙将 OPC 服务器、Web 服务器和生产网和办公网隔离出来，保证 OPC 服务器、Web 服务器工作网络环境安全，更保证调控中心 SCADA 系统的网络安全。

2.4 自控网络组网模型

2.4.1 模型解析

如图 1所示，2#节点是由站场主路由器和调控中心主路由器通过专线链路搭建的物理链路节点，3#节点是由站场备路由器和调控中心备路由器通过 GPRS 数字链路搭建的物理链路节点，2#节 点 的 WAN口和 3#节点的WAN口形成公网网络节点，公网网络节点使用静态IP的方式设定WAN口端口地址，调控中心和站场路由器的2#节点和3# 节点的 LAN 口形成 A、B网冗余结构，A 网和 B 网至少有一个正常工作，整个自控网络均可正常工作，提高自控网络的可靠性和稳定性。

在该网络正常工作中，2#节点优先级高于 3#节点优先级，例如2#节点设备重启过程中，网络先切换到 3#节点进行网络通讯，当 2#节点设备正常时，则会自动切换到2#节点设备；当节点处于备用状态时，其节点网络处于等待状态，使用 Ping 命令进行网络检测时，网络为断开状态。

2.4.2 网络特性

网络结构采用星型网络结构，将全线网络层级做出鲜明划分，同时设有多重冗余机制，保证自控网络的稳定性、安全性和可靠性，同时大大增强了该网络的可维护性。

2.4.3 路由管理

长输管道自控网络配置路由器进行网络路由管理及通道切换，实现路由器主备切换功能和内网切换功能。在完成路由器配置后，站场和调控中心通讯服务器需要配静态路由。

3 结束语

长输管道自控网络采用星型网络结构，将全线站点、阀室和调控中心划分为三层网络拓扑结构，即站场和其上下游邻近阀室为底层局域网络，调控中心为上层局域网络，站场至调控中心为中间层广域网；全线站场及调控中心链路采用主备两条链路构成冗余网络结构；正常工作时，站场和调控中心通过主链路进行通讯，当沿线某地区站场通讯故障或光纤切断时，其上游站场和阀室可通过主链路和调控中心进行正常通讯，下游站场自动切至备用链路与调控中心进行通讯，主链路至备用链路的切换时间小于 10 s，完全满足行业标准要求。

参考文献：

[1]王昆， 李琳， 李维校. 基于物联网技术的智慧长输管道[J]. 油气储运， 2018（1）：15-19.