★北京和利時工業軟件有限公司趙志鵬，劉明，殷強，劉明輝

關鍵詞：全國產化；油氣長輸管道；SCADA系統；通訊系統；自動化控制；數據傳輸

1　引言

油氣長輸管道是連接油氣生產地、儲存地和消費地的重要基礎設施，具有輸送距離長、輸送量大、運行壓力高等特點。為確保油氣長輸管道的安全、穩定、高效運行，需要實時監測和控制管道的運行參數，及時發現和處理故障。SCADA系統和通訊系統作為油氣長輸管道自動化的核心組成部分，能夠實現對管道全線的數據采集、監視、控制和管理，提高了管道運行的可靠性和安全性，降低了運行成本。為了實現油氣長輸管道生產的自主可控、打破國外長期以來的技術壟斷，以及降低系統全生命周期成本和安全風險，和利時開發出自主芯片和操作系統100%國產化的油氣長輸管道SCADA系統，獲得了業界一致好評。

2　油氣長輸管道SCADA數據采集與監控系統建設方案

2.1　全國產化HiaSCADA系統建設方案概述

HiaSCADA系統是和利時順應高端自動化市場及應用行業市場需求，并結合傳統控制技術以及互聯網、信息安全、大數據存儲等新技術推出的全新一代面向高端自動化市場的全國產自主可控的數據采集與監控系統。該系統在油氣長輸管道數字化建設方案中起核心支撐作用。本系統能夠實現多個分散現場的集中管控、最大限度地減少現場值守人員和維護巡檢人員數量、提高單位人工效率，有效滿足了用戶降低運營成本、提高企業競爭力的需求。

HiaSCADA系統已經全面實現了從“控制芯片”至“工程物資”的國產化更新。

（1）控制器采用龍芯安全芯片的雙核處理器2K1000，基于微內核工業操作系統，實現工業控制系統的自主可控，硬件元器件國產化率達到100%，完成工業嵌入式控制領域的創新突破，同時基于國密算法的安全組件，具備靜態可信啟動和動態可信度量的安全功能。

嵌入安全可信芯片，防止惡意程序攻擊，創新實現可信計算在工業嵌入式控制的突破性應用，并依托可信計算3.0架構，基于自主研發微內核操作系統與國密算法，構建核心控制系統的內生安全可信與動態主動防護。

圖1控制系統100%全國產化

（2）基于銀河麒麟操作系統，結合高可靠性及安全性技術，研發出適用于油氣長輸管道運行操作需要的HMI系統，滿足油氣長輸管道業務SCADA系統可靠性高及安全性高的要求。

圖2基于MACSV7的信創SCADA系統-HiaSCADAV4

（3）采用國家標準GBT20540-2006_PROFIBUS規范（IEC_61158_TYPE3）發布的協議作為底層基礎通訊協議，符合國家規范標準與要求。

（4）安全可信控制系統基于可信計算技術體系設計，具備全生命周期安全主動免疫能力，同時具有嵌入式可信計算內生安全技術架構、靜態可信啟動、全生命周期可信防護體系、固件可信升級技術等關鍵核心技術創新，確保系統運行環境安全可信，實現控制設備安全、網絡通信安全等全生命周期可信防護。

2.2　油氣長輸管道場景SCADA數據采集與監控系統架構

油氣長輸管道SCADA系統通常采用分層分布式架構，如圖3所示，主要包括調度中心層、站控層和現場設備層。調度中心層是SCADA系統的核心，負責對全線管道進行集中監視、控制和管理，實現數據的匯總、分析、決策和調度指令的下達；站控層負責對各站場的工藝過程進行數據采集、控制和本地監視，執行調度中心下達的控制指令，并將數據上傳至調度中心；現場設備層由各種傳感器、執行器、智能儀表等組成，負責采集現場的工藝參數和設備狀態信息，并根據控制指令執行相應的操作。各層之間通過通訊網絡實現數據傳輸和信息交互。

圖3油氣長輸管道SCADA系統架構

2.3　油氣長輸管道場景SCADA通訊系統架構

2.3.1　工業以太網系統在油氣長輸管道中的應用

（1）系統概述

利用油氣長輸管道同溝光纜構建專用的光纖以太網傳輸系統，用于管道沿線各閥室的數據傳輸。站場和閥室的工業以太網設備利用光纜中獨立的兩芯傳輸，分兩個方向傳到就近的站場。閥室的SCADA數據、安防監控、話音、陰保等四類業務首先上傳到就近站場落地，然后通過接入站場已有的SDH光傳輸系統，并通過管線通信傳輸專網上傳至主備調控中心，并在調控中心配置網管系統及網管終端設備。

（2）拓撲結構

所有站場、閥室配置工業以太網交換機，相鄰閥室之間手拉手連接，匯同站場系統接入SDH設備，交換機配雙光口，利用光纖4芯，2主2備。網絡拓撲結構如圖4所示。

圖4工業以太網系統網絡拓撲圖

每個閥室配置兩臺工業交換機，其中一臺用于自控數據傳輸，另外一臺用于安防監控、話音、陰保等通訊數據的傳輸。兩臺交換機占用不同光纖，實現物理隔離。交換機支持路由功能，通過VLAN技術實現安防監控、話音、陰保三類數據在同一臺設備上的虛擬隔離，提高了網絡安全性與數據傳輸效率。

（3）冗余鏈路

采用鏈路聚合技術，將多條物理鏈路捆綁成一條邏輯鏈路，增加鏈路帶寬并實現冗余備份。在工業以太網交換機與重要場站接入交換機之間通過STP協議、OSPF等路由配置設置冗余鏈路，當主鏈路故障時，備用鏈路能自動切換，保障數據傳輸不間斷。

2.3.2　光傳輸系統在油氣長輸管道場景中的應用

（1）光傳輸系統原理與特點

光傳輸系統是利用光纖作為傳輸介質，通過光信號來傳輸自控數據、語音和視頻等信息。其具有傳輸容量大、傳輸距離遠、抗干擾能力強、保密性好等優點，非常適合油氣長輸管道這種遠距離、高可靠性的信息傳輸需求。

（2）系統組網

在長輸管道沿線各個站場配置華為公司自主研發的全國產化的E6616智能光傳輸設備，與同溝光纜組成光傳輸系統，為油氣長輸管道各站的通信業務提供主用通信方式。光傳輸采用1+1MSP線路保護，為站場SCADA數據、視頻監控圖像、視頻會議、語音業務以及OA辦公局域網等業務提供傳輸通道。其組網如圖5所示。

圖5光傳輸系統網絡拓撲圖

（3）環網保護及自愈功能

為了保證建成后的網絡安全可靠，光傳輸設備提供多級保護：設備級關鍵部件1+1熱備份；網絡級支持多種保護類型，故障倒換時間小于50ms；業務級提供TPS等保護，倒換達電信級標準，時間小于50ms，以達到最高效、最安全的承載要求。

2.4　SCADA系統在油氣長輸管道業務場景拓展應用

2.4.1　SCADA系統與三維技術結合

和利時HiaSCADA系統與三維技術結合，可將SCADA系統的實時數據與三維可視化技術相融合，以更直觀、更形象的方式展示和監控工業過程和設備運行狀況。

圖6 SCADA系統與三維技術融合

如圖6所示，通過對油氣長輸管道進行三維建模，構建出與實際工藝流程場景高度相似的三維虛擬環境，依托SCADA系統的數據接口采集現場的實時數據，如設備運行狀態、工藝參數、報警信息等，最終將數據映射到三維模型上，通過顏色、閃爍、動畫等動態特性直觀地展示設備的運行狀態和數據變化。

實時數據與三維模型的結合，能夠優化生產流程，實現生產過程的可視化管理，使操作人員能夠更直觀感知生產工藝過程，幫助管理人員快速獲取關鍵信息，并做出準確決策，提高了生產效率和質量。

2.4.2　SCADA系統與GIS地圖結合

通過整合GIS地圖與和利時HiaSCADA系統，可以提升油氣管道調控運行水平，實現對油氣長輸管道的實時、全面監控與管理，提高了運營效率，增強了應急響應能力，保障了管道安全穩定運行。

SCADA系統致力于實時采集管道沿線的壓力、流量、溫度、報警等數據，存儲于關系型數據庫。GIS地圖服務可基于GIS平臺，發布地圖切片、要素服務，實現地圖瀏覽、查詢、分析功能，支持Web和移動端調用，數據涵蓋管道地理位置、地形地貌、周邊環境等空間數據。依托空間數據庫存及標準化接口，可實現SCADA系統與GIS平臺間的數據交互。

SCADA系統與GIS地圖融合，能夠實現管道實時監控、優化應急指揮調度。在GIS地圖上動態展示管道運行參數，異常數據自動預警，以顏色、閃爍等方式突出顯示，發生事故時，結合GIS地圖周邊信息（如交通、人口分布）與SCADA實時數據，可制定應急預案、調配資源。

2.4.3　SCADA系統無線儀表數據采集

油氣長輸管道覆蓋范圍廣，環境復雜。傳統有線儀表布線成本高、維護困難，無線儀表應運而生。和利時HiaSCADA系統可高效穩定地與無線儀表通訊，MQTT協議以其輕量級、低帶寬占用、支持多種網絡環境等優勢，成為理想選擇。

圖7無線儀表通訊網絡拓撲圖

無線儀表層：各類無線儀表如壓力變送器、流量傳感器等，采集管道實時數據。這些儀表內置MQTT客戶端，將采集到的數據按照MQTT協議格式進行封裝，準備發送。

通訊網絡層：通過多種無線網絡（如4G、NB-IoT等）將無線儀表發送的MQTT消息傳輸至SCADA系統的MQTT服務器。對于偏遠地區，可將衛星網絡作為補充，確保數據傳輸的連續性。

SCADA系統層：包含MQTT服務器和數據處理模塊。MQTT服務器接收來自無線儀表的消息，進行協議解析和數據校驗；數據采集模塊將處理后的數據存入數據庫，并提供給SCADA系統的監控界面，用于實時監測和分析。

安全機制：

身份認證：采用用戶名和密碼認證方式，無線儀表在連接MQTT服務器時，需提供正確的用戶名和密碼。同時，可結合證書認證，進一步增強安全性，防止非法設備接入。

數據加密：在數據傳輸過程中，使用SSL/TLS加密協議對MQTT消息進行加密，確保數據的保密性，防止數據被竊取或篡改。

方案優勢：

MQTT協議的特性確保數據能夠及時、可靠地傳輸，滿足了SCADA系統對實時性的要求，同時減少了布線成本，降低了安裝和維護難度，尤其適用于長距離、復雜地形的油氣管道。

2.4.4　SCADA系統工控信息安全

SCADA系統作為油氣控制系統的核心神經，其信息安全直接關系到生產安全、設備安全、公共安全甚至國家安全。和利時HiaSCADA系統配備自主研發的工業安全信息產品（網閘、防火墻、日志審計等），可構建工控安全+安全工控整體解決方案。

圖8控制網絡及信息安全設備部署圖

如圖8所示，該方案構建了站場工控系統三級防護體系：

邊界防護：通過工業防火墻實現OPC/Modbus等通訊協議過濾，工業網絡審計系統通過深度解析工業協議通信數據，實時監測網絡攻擊、違規操作、入侵檢測和惡意軟件傳播，并記錄所有網絡行為的網絡安全設備，進行全局全流量監測。

主機防護：工業主機安全設計從配置管理（賬戶/補丁/軟件）、網絡管理（關閉冗余服務/端口）、接入管理（外設/訪問控制）、安全審計（系統日志審核）、惡意代碼防護（白名單防病毒）五個維度實施加固。部署時重點在工程師站和操作員站加裝主機加固軟件，并安裝工業防病毒系統實現白名單防護。

日志管理：工業日志審計系統通過Syslog、SNMPTrap等協議采集工控網絡設備、安全設備及上位機系統的日志，集中存儲（滿足等保6個月要求），并利用歸一化和關聯分析技術幫助管理員快速識別安全威脅，及時響應。

2.4.5　SCADA系統與駕駛艙

駕駛艙是一個高度集成化、可視化的綜合監控平臺，主要包含關鍵設備運行狀態監測、關鍵指標分析、能耗分析、安全預警等模塊。基于和利時HiaSCADA系統采集的數據，駕駛艙通過大屏幕、多屏展示等方式，以直觀的圖表、圖形、地圖等形式，對油氣長輸管道的整體運行情況進行全面展示，方便管理人員快速掌握管道的實時運行狀態、關鍵性能指標以及潛在風險，以進行科學決策和資源調配，實現了對油氣長輸管道的高效管理。駕駛艙生產看板如圖9所示。

圖9駕駛艙生產看板

3　方案價值

本方案依托國產化芯片、操作系統、數據庫及工業軟件系統，全面實現了從硬件到軟件的全鏈條的國產化更新。和利時HiaSCADA系統與三維可視化、GIS地圖、無線儀表、信息安全、高級報表等技術的深度拓展應用，有效實現了油氣長輸管道運行的全方位、多維度監控與管理，為油氣行業數字化轉型樹立了新標桿。其成果不僅是技術上的重大突破，更是國家能源戰略安全與工業自主發展的重要里程碑，將為我國數字化轉型的自主可控智能化升級提供重要參考。

作者簡介：

趙志鵬（1994-），男，高級實施工程師，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，主要從事油氣田及長輸管道SCADA系統實施與項目管理工作。

劉　明（1985-），男，解決方案專家，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，擁有十余年智能工廠實施經驗，具有深厚的智能工廠專業知識，精通化工行業，油氣行業等智能工廠行業應用。

殷　強（1992-），男，高級實施工程師，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，主要從事油氣、冶金等行業的工程實踐及項目管理工作。

劉明輝（1991-），男，實施工程師，現就職于北京和利時工業軟件有限公司，主要從事SCADA系統應用和數據采集相關工作。

摘自《自動化博覽》2025年7月刊