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安全监控系统升级改造技术标准设计

文档作者：赵晨阳王超群文档来源： 1．中石油昆仑燃气有限公司 2．上海航天能源股份有限公司		点击数：	更新时间： 2021年12月15日
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安全监控系统升级改造技术标准设计
赵晨阳 ， 王超群
(1．中石油昆仑燃气有限公司，北京100101；2．上海航天能源股份有限公司，上海201201)
摘要： 分析昆仑燃气公司安全监控系统的现状与存在的问题，探讨安全监控系统总体架构
和通信协议设计，各级调度室系统、站控系统、SCADA系统报警、SCADA系统人机界面、数据库变
量组态、数据通信等子项的标准设计。
关键词： 安全监控系统； SCADA系统； 视频监控系统； 标准设计； 通信协议
中图分类号：TU996．8 文献标志码：B 文章编号：1000—4416(2016)02—0A22—05
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1 概述
中石油昆仑燃气有限公司(以下简称昆仑燃
气)是一家集城市燃气管网与厂站建设、城市燃气
输配、天然气与液化石油气销售以及售后服务等多
种业务为一体的大型综合燃气企业。昆仑燃气所属
各运行单位分布区域点多面广、经营业务范围复杂，
导致生产管理难度较大。目前，各级单位安全监控
系统正在逐步建设，自控水平、自控设备配置隋况不
尽相同，导致已建安全监控系统存在诸多问题。由
于没有总体指导标准，各级调度室、各厂站系统功
能、生产调度情况各异，对昆仑燃气集中管理、科学
收稿日期：2015—11—30； 修回日期：2015—12—18
调度、应急抢修等各方面带来诸多隐患。因此，迫切
需要设计一套高起点、高质量、统一先进的安全监控
系统建设技术标准，对现有安全监控系统进行升级
改造，并规范各级调度室及厂站安全监控系统的新
建及改扩建工作¨ 。
2 安全监控系统现状及存在的主要问题
2．1 系统现状
昆仑燃气规模庞大，拥有1个总部机关，26家
区域公司，200多家燃气项目公司，若干厂站。安全
监控系统采用了四级监控管理模式，自上而下分别
为，第一级：总部调度室；第二级：区域调度室；第三
级：项目公司调度室；第四级：站控室。
总部调度室设置在昆仑燃气北京总部，管辖所
属全部区域公司、项目公司及厂站。区域调度室设
置在区域公司，是昆仑总部管理职能的延伸，管辖其
范围内的项目公司及厂站。总部调度室与区域调度
室仅在管理范围上有区别，在管理功能上基本一致，
均以远程监视为主，主要负责所辖范围内厂站数据
的采集、统计和分析。项目公司调度室设置在各项
目公司，管辖其公司范围内的厂站。站控室设置在
项目公司的厂站内，管理各厂站的安全生产调度。
项目公司调度室和站控室以实时监控为主，负责厂
站的实时生产调度、安全运行，两者的区别在于控制
权的优先级别不同。
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WWW．gasheat．cn 赵晨阳，等：安全监控系统升级改造技术标准设计 第36卷第2期
2．2 系统存在的主要问题
① SCADA系统稳定性与功能急需完善
已建的SCADA系统在数据稳定性方面，准确
度、更新效率及数据的完整性有待提高。在功能应
用方面，原系统未能从整体上考虑各级调度室的需
求和应用，在系统页面布局、趋势曲线查询、报警管
理、报表等功能应用方面需要规范 J。
② 安全监控系统差异性较大
昆仑燃气安全监控系统前期建设没有较全面的
总体指导方针，建设标准不统一，不同系统集成商的
建设有明显的差异化，系统的管理目标、设备配置、
软件功能等不尽相同，造成昆仑燃气集中化、统一化
管理困难。
③ SCADA系统报警设计不合理
SCADA系统报警设计较为简单，未对昆仑燃气
四级报警模式进行深入研究和规划，在报警分级、报
警分类、显示方式、处理方式、报警数据同步等方面
未有明确的标准，导致各级调度室报警系统紊乱，各
级间报警信息不同步，误报、漏报情况较多，调度人
员难以应付数量巨大的报警，报警功能基本失去意
义，不能为安全调度、应急指挥提供应有支持。
④ 通信协议为非标准工业协议
各级调度室与站控室之间数据通信协议为非标
准工业协议，导致系统扩展性和兼容性较差。
3 安全监控系统总体架构和通信协议设计
昆仑燃气SCADA系统应主要完成对燃气管网
和厂站运行状况的监控，为生产调度提供及时、准
确、可靠的厂站及管网运行数据，实现对燃气系统的
进气、计量、输配、调压全过程的监控、管理和调度，
并作为燃气管网实时数据端为燃气GIS、管网仿真、
负荷预测等应用分析系统提供基础数据。
针对昆仑燃气地域广、规模庞大、多级管控较为
复杂的特点，SCADA系统总体设计应按照国家、行
业标准，从实际出发，根据公司业务结构、管理职责、
功能需求、存在问题等方面，进行顶层设计；然后分
别从总体规划、架构设计、标准制定、系统安全性、可
靠性、扩展性、先进易用性等角度进行总体考虑。
其中，SCADA系统架构设计、通信协议设计、视
频监控系统架构设计尤为关键 。
3．1 SCADA系统总体架构设计
原SCADA系统建设时，由于昆仑燃气处于组
建初期，各级组织架构尚不明晰，系统采用星型架
构，即总部调度室、区域调度室、项目公司调度室均
直接通过有线方式从站控室获取数据。该种架构的
优势在于管理模式简单，第一、二、三级调度室与站
控室直接建立连接，三级调度室互不影响，通信链路
清晰明了。但该结构的劣势也非常明显，监视层与
监控层未隔离，导致系统安全性差，各级调度室直接
访问站控室对系统网络带宽有较高要求，并对站控
室工业设备造成非常大的通信压力。由于昆仑燃气
安全监控系统的网络带宽相对较窄，导致系统的稳
定性较差。
因此，本次设计提出了另外两种系统架构：
第一种为层级架构，即总部调度室从区域调度
室获取数据，区域调度室从项目公司调度室获取数
据，项目公司调度室从站控室获取数据。该种架构
优势明显，其与昆仑燃气四级行政管控一致，一级接
管一级，管理模式清晰，管理层与控制层进行有效隔
离，安全性好；同时对网络带宽、各级通信链接压力
小。缺点是该种架构稳定性差，由于一级接管一级，
每级数据均受制于上一级，中间任一节点出现故障，
均会影响上一级；另外，该结构系统造价相对较大，
每级调度室均需投资相应的设备与软件进行数据通
信的转化。
第二种为混合架构，即总部调度室与区域调度
室分别从项目公司调度室获取数据，项目公司调度
室从站控室获取数据。该种架构的优点是，以项目
公司调度室为核心节点，考虑了厂站是项目公司的
直接管控单元，总部调度室和区域调度室管理职能
相同的特点，对系统监视与控制进行了有效隔离，确
保生产控制层安全；同时，保证了总部、区域调度室
数据彼此互不影响，在一方系统出现问题时可以互
为冗余应用，大大提高了系统稳定性。该种架构的
缺点是，对项目公司调度室的网络带宽要求较高。
但从昆仑燃气整体情况来看，网络带宽压力最大的
地方主要集中在厂站至项目公司调度室的通信链路
上，而从项目公司至区域公司、总部的带宽相对较
好。
通过以上分析，系统架构最终选择混合架构。
3．2 SCADA系统通信协议的设计
由于SCADA系统选用混合架构，总部调度室、
区域调度室均从项目公司调度室获取数据，面对这
种跨地域、网络不稳定的状况，通信协议应满足以下
要求：
· A 23·
第36卷第2期 煤气与热力
① 应采用问答与变化传输并存的数据交互方
式，即在有特殊要求时，总部调度室、区域调度室可
主动询问，项目公司调度室被动应答；而常规时，则
采用项目公司调度室在数据有变化时主动上传的交
互方式，从而大大减少对网络带宽的占用。
② 通信协议应具备断点续传的功能，即项目
公司调度室与总部调度室、区域调度室在系统故障
或网络中断不能通信的情况下，通信协议能储存数
据，待系统或网络恢复正常后，将储存的数据续传至
总部调度室、区域调度室。
③ 通信协议必须安全可靠，特别是操作过程
应有交互确认，保证执行安全。
通过筛选，总部调度室、区域调度室与项目公司
调度室之间选用功能全面、稳定安全的IEC104协
议。IEC104协议是公开的标准工业协议，应用于电
力、油田、煤矿等行业，采用异步通信传输，数据交互
方式有问答与变化传输两种，具备逢变上报和断点
续传功能；数据有交互确认过程，确保系统安全。
项目公司调度室与站控室以监视和控制为主，
负责实时生产调度，其对通信协议的核心要求是简
单、高效。因此，通过筛选，在项目公司调度室、站控
室之间的通信协议选择实时性强又简单可靠的
MODBUS TCP协议。MODBUS TCP协议是公开的
标准工业协议，广泛应用于各种工业现场；用异步通
信传输，数据交互方式为问答方式，简单可靠，通信
效率极高，非常实用。
3．3 视频监控系统架构设计
昆仑燃气视频监控系统需要将厂站视频数据传
输至各级调度室，各级调度室可通过视频综合平台
对厂站摄像头进行监视及转动、调焦等控制，并可在
大屏幕、投影及电视墙系统上显示。
昆仑燃气视频监控系统现有架构为：站控视频
监控系统负责采集厂站各区域视频图像，并就地储
存在本地硬盘录像机。第一、二、三级调度室通过有
线网络直接访问厂站硬盘录像机，给厂站通信链路
造成很大压力，经常出现视频图像传输卡堵、视频信
号不稳定情况。
因此，昆仑燃气视频监控系统设计的关键是：在
现有网络带宽较低的情况下，以占用最少量带宽、最
低成本的方式保证视频信息的传输与监控。
视频监控系统从架构和软件平台方面着手设
计。提出的第一种方式为，站控室视频监控系统负
责采集厂站各区域视频图像，并就地储存在本地硬
盘录像机。项目公司调度室设置流媒体软件平台，
通过TCP／IP接口协议访问厂站硬盘录像机。通过
流媒体转发功能向总部及区域调度室传输厂站视频
信号。该种方式有较大优势，不但各级调度室和站
控室对网络带宽的压力大大降低，各厂站硬盘录像
机负载少，而且对公司其他业务系统网络影响较小。
其缺点是要求各项目公司调度室投资流媒体软件平
台，面对昆仑燃气200多家项目公司的规模，造价较
高。
第二种方式为，站控室视频监控系统负责采集
厂站各区域视频图像，并就地储存在本地硬盘录像
机。在区域调度室设置流媒体软件平台，通过TCP／
IP接口协议访问厂站硬盘录像机。通过流媒体转
发功能向项目公司调度室与总部调度室传输厂站视
频信号。由于流媒体软件平台建设在区域调度室，
区域调度室数量26家，相对较少，造价大幅度降低；
而且，各厂站硬盘录像机负载少，并降低了总部调度
室、项目公司调度室、站控室对网络带宽的压力。
经过分析，视频监控系统选用第二种方式。
4 安全监控系统技术标准设计
昆仑燃气安全监控系统功能不完善、系统差异
性大的问题，核心所在是缺少较全面的系统建设指
导标准。标准不但能够让已建系统参考对标，找出
问题和差距，指导升级改造，还能指导新建系统建
设，规范设计单位与系统集成商的设计方案，有利于
规模化燃气集团的统一管理。
4．1 各级调度室系统标准设计
调度室系统标准设计应遵循昆仑燃气四级监控
管理模式，充分结合生产运行实际，从系统结构、功
能、性能、安全、软件、硬件等方面着手设计。需要特
别说明的有如下3点。
① 层级功能标准设计
总部调度室与区域调度室为管理监视层，主要
关注数据采集、统计、分析方面内容，调度指令下达
通过电话方式进行。项目公司调度室与厂站为监视
控制层，主要关注生产调度、安全运行，完成实时控
制与调节。管理权限等级从高到低依次为总部调度
室、区域调度室、项目公司调度室、站控室。操作权
限等级从高到低则相反，依次为站控室、项目公司调
度室、区域调度室、总部调度室。各级调度室与站控
室监控内容应有不同侧重及明确层级划分。数据采
· A 24 ·
赵晨阳，等：安全监控系统升级改造技术标准设计 第36卷第2期
集内容应为金字塔型，在一个纵向链条中数据监视
量从站控室到总部调度室应是逐级减少的，金字塔
顶端关注的应是最重要的数据，底端则应关注所有
厂站数据。为此，昆仑燃气梳理了各种类型厂站的
工艺参数，按重要程度和管理需要划分为一、二、三
级，形成各级调度室和站控室的主要数据监控表，从
而规范了各级调度室的数据接人，避免“西瓜芝麻
一把抓”的状况，有利于提高管理效率。
② SCADA系统结构标准设计
各级调度室均由中心机房与主控中心组成，中
心机房是生产调度系统的核心所在，几乎所有的核
心硬件(服务器、网络设备等)均安装在中心机房
中，所有系统服务均由此提供，如数据采集、设备控
制、报警、实时曲线、历史曲线、报表、WEB服务等
等。主控中心则是整个SCADA系统的人机窗口，
值班人员通过SCADA系统人机界面(HMI)的操
作，实现燃气厂站、燃气管网的安全监控与生产调
度。SCADA系统采用C／S(客户初／服务器)和B／S
(浏览器／服务器)架构，主控中心操作员工作站访
问SCADA采用C／S架构，其他应用管理部门访问
SCADA系统采用B／S架构。
③ 软、硬件标准设计
调度室系统软、硬件设计需要从软件与设备的
性能、稳定性、成熟度、兼容性、集成度、投资最优化
等方面整体考虑。在软件平台方面，总部调度室、区
域调度室管辖范围较大，地域跨度大，总体监视数据
点较多，需要选择具备支持海量通信点、跨地域、分
布式部署的大型复杂SCADA软件平台。对于项目
公司调度室，管辖站点有限，常规SCADA平台就可
以满足要求。
硬件设备方面则应选择市场主流产品，既能充
分满足燃气SCADA系统运行稳定性及数据精确性
的要求，又要考虑避免选用过高档次的产品造成不
必要的浪费，同时应是有成功市场应用的产品 。
需要说明的是，本次总部调度室设计了时钟同步服
务器，便于各级调度室以及站控室网络上的所有节
点(服务器、工作站、PLC、RTU等)均可作为客户端
访问时钟服务器，与标准时钟同步，确保各级调度室
和站控室在数据采集和数据统计时间上的一致性。
4．2 站控系统标准设计
昆仑燃气站控系统从厂站分级、系统功能、系统
软硬件配置、数据采集、逻辑控制等方面进行设计。
需要特别说明的有如下3方面。
① 厂站分级标准设计
昆仑燃气拥有分输站、门站、CNG站、LNG站、
LPG站等多种类型厂站，站控系统建设差异性大。
设计首先对厂站性质、功能、类型、规模进行分析，划
分为三种级别厂站，有关内容详见昆仑燃气企业标
准《中石油昆仑燃气有限公司安全监控系统建设规
定》。不同级别对应不同要求的系统功能与软、硬
件配置，例如，一级厂站建设需使用PLC冗余系统，
三级厂站建设则推荐使用RTU控制系统等，保证系
统建设的一致性。
② 数据采集标准设计
针对不同项目公司的厂站采集和上传至调度室
的数据不尽相同的现状，设计通过对各类厂站工艺
区进行划分，明确了各工艺区的自控数据采集点名
称与作用，形成各厂站数据采集表单。表单对各类
型厂站数据采集进行了归类和规范，明确了数据采
集的最低要求。
③ 逻辑控制标准设计
逻辑控制标准对厂站设备的控制权限进行了统
一规定，分为现场手动控制、站控远程控制、项目公
司调度室远程控制三种权限，其中以现场手动控制
权限为最高。在远程控制时，项目公司调度室与站
控室均可通过人机界面对厂站设备进行远程控制，
但项目公司调度室远程控制权限高于站控室，既能
直接主动获取控制权，也能将控制权授予站控系统，
站控系统只能被动获取控制权。控制权限的切换是
通过人机界面(HMI)上“中心／站控”按钮来完成，
且控制权唯一并互锁。
逻辑控制标准对厂站使用的电动阀、调节阀、紧
急切断阀(ESD)等设备也进行了逻辑控制规定。需
要说明的是，为能够有计划地调节控制燃气的销售
量，针对项目公司的重点用户进行了“日指定流量”
控制逻辑设计，即当厂站或用户每El进销气量大于
或小于“日指定流量”时，会产生高或低报警，提示
调度人员关注趋势变化，必要时对具备远控条件的
超计划用气用户进行限气处理，为气量调度管理提
供了极大的便利 。
4．3 SCADA系统报警标准设计
SCADA系统报警标准分别从报警属性、报警分
级、报警限值、报警管理、报警信息确认、报警信息同
步、报警系统指标、报警权限设置、报警改进完善等
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第36卷第2期 煤气与热力
方面进行了设计。特别需要说明的有如下3点。
① 报警分级
划分三个报警级别，直接影响或威胁城镇燃气
管道或厂站安全运行的为I级报警，燃气设备运行
状态发生重要异常变化的为II级报警，除上述I
级、Ⅱ级报警以外的其他报警为III级报警。
② 报警信息确认
总部调度室只显示I级报警信息，区域调度室
显示I级报警和II级报警信息，项目公司调度室及
站控室则显示全部报警信息。报警产生后，只有当
现场报警被成功处理后，站控系统才不再报警，总部
调度室、区域调度室、项目公司调度室则需在各自确
认后，报警才会从各自SCADA系统报警界面消失。
③ 报警信息同步
原SCADA系统所有报警限值都设置在各级调
度室及站控室的上位机软件中。这种设计的缺陷是
当某级调度室报警限制设置修改时，如果管理衔接
出现问题，其他级别调度室报警限值未能同步进行
设置修改，就会导致各级调度室间报警信息不同步，
出现误报、漏报情况。新标准设计要求I级、Ⅱ级报
警限值设置在站控系统PLC或RTU中，Ⅲ级报警限
值设置在站控室和项目公司调度室上位机软件中。
总部调度室、区域调度室仅能显示报警限值，不可进
行设置修改，项目公司调度室和站控室都具有报警
限值修改的操作权，但审批权在项目公司。由此可
确保报警信息在各相应级别调度室的同步。
4．4 SCADA系统人机界面(HMI)标准设计
结合昆仑燃气SCADA系统的应用特点，HMI
标准对人机界面进行了统一规定。主要从人性化操
作、系统功能、统一管理、便于维护等方面进行设计。
HMI标准规定了昆仑燃气各级调度室与站控室
HMI画面的色调与基本布局，统一了管线、元器件
的色标与图标，明确了系统的功能模块(信息显示、
报警、趋势曲线、报表)的实现方式以及HMI系统操
作维护权限的内容。建立统一标准，有利于解决当
系统集成商不同、软件品牌不同、制作HMI的技术
人员不同时差异性太大的问题，有利于规范后继项
目建设。
4．5 数据库变量组态标准设计
SCADA系统数据库变量在整个系统中起到连
接纽带作用，是PLC、RTU软件、通信、数据库、报
表、HMI软件的输入输出接口 。规范数据库变量
命名，使其带有确切清晰的含义，将有利于明确
PLC、RTU、通信及HMI软件之间的接口，提高项目
的编程效率，减少维护量。
昆仑燃气SCADA系统变量名由工艺站类型、
区域公司编号、项目公司编号、厂站编号、信号功能、
厂站区域编号、仪表回路编号、扩展编号组成。
4．6 安全监控系统数据通信标准设计
规定了昆仑燃气SCADA系统的数据传输、通
信协议、通信网络等各方面要求。
5 结语
中石油昆仑燃气安全监控系统升级改造项目在
标准设计过程中，采用多项国内燃气行业领先设计
理念和措施，形成一套高质量、统一先进的安全监控
系统建设标准，不但可以指导现有的安全监控系统
进行升级改造，而且还规范了昆仑燃气后继的安全
监控系统的新建项目，将会创造巨大的经济效益和
社会效益。
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Standard Design for Upgrading Technology
of Safety M onitoring System
ZHAO Chenyang，WANG Chaoqun
Abstract： The current situation and problems of
the safety monitoring system of the PetroChina Kunlun
gas company are analyzed．The design of overall archi—
teeture of the safety monitoring system and the eommu—
nication protocol as well as the standard design of dis—
patching room system at all levels，station control systern，
SCADA system alarm，SCADA system man．ma．
chine interface，database variable configuration，data
communication and other sub．items are discussed．
Key words： safety monitoring system；SCADA
system； video monitoring system； standard design；
communication protocol
· A 26 ·

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