摘 要：為了保證油氣管道安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，文章設(shè)計(jì)了一種使用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)構(gòu)建基于S7-400系列PLC的管道監(jiān)控系統(tǒng)，并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)、監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)三個(gè)方面論述了系統(tǒng)的組建過(guò)程。鑒于站場(chǎng)分散與管道運(yùn)行管理的實(shí)際，本監(jiān)控系統(tǒng)采用集中監(jiān)測(cè)、分散控制的模式，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。在中石油蘭成渝成品油長(zhǎng)輸管線(xiàn)中的應(yīng)用表明，系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足油氣長(zhǎng)輸管道現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)多、位置分散，對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)性和抗干擾能力要求高等實(shí)際要求，大大節(jié)省了管道的維護(hù)成本，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：油氣管道；PROFIBUS；PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

1 概述

原油燃?xì)夤艿酪坏┌l(fā)生泄漏、火災(zāi)甚至爆炸等事故，會(huì)造成輸送停止、油氣損失、污染周邊環(huán)境甚至人員傷亡等嚴(yán)重后果。長(zhǎng)期以來(lái)，盡管有巡視員或維修工的定期巡查，但是仍不可能做到完全的巡檢，而且浪費(fèi)大量的人力物力。因?yàn)楣芾砩系娜毕?，社?huì)上一些不法分子猖狂盜竊集輸管線(xiàn)中的原油，原油泄漏事故頻有發(fā)生，再加上自然的因素，從而造成了不必要的重大財(cái)產(chǎn)損失。針對(duì)國(guó)內(nèi)油氣管線(xiàn)當(dāng)前現(xiàn)狀，我們急需一套完整的管道管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原油燃?xì)廨斔瓦^(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析和上傳，實(shí)時(shí)跟蹤、監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)而對(duì)輸送管道運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行分析和診斷。

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)為自動(dòng)控制系統(tǒng)與設(shè)備級(jí)分散I/O之間進(jìn)行通信而設(shè)計(jì)的，具有支持多主站，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)[1]。文章探討了一種基于PLC和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的油氣長(zhǎng)輸管道監(jiān)控系統(tǒng)，并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)、監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)三個(gè)方面論述了具體的實(shí)現(xiàn)方法[1]。

2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)

PROFIBUS是目前應(yīng)用最廣、最成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。它被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造自動(dòng)化、流程控制自動(dòng)化和交通電力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，它具備如下特點(diǎn)：

2.1 開(kāi)放式

允許用戶(hù)在系統(tǒng)中集成自己的控制算法、工藝流程，使控制系統(tǒng)更加具備靈活性。

2.2 實(shí)時(shí)性

高達(dá)12Mb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸速率決定了PROFIBUS總線(xiàn)具有更高的實(shí)時(shí)性。

2.3 分散性

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制裝置和儀表、傳感器可就地構(gòu)成控制回路，而不再依賴(lài)于中控室，實(shí)現(xiàn)控制的分散性，使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單化、實(shí)時(shí)化。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)分為兩級(jí)，采用“集中監(jiān)視、分散控制”的模式。第一級(jí)（上層監(jiān)控系統(tǒng)）為工程師站和操作員站，負(fù)責(zé)生產(chǎn)調(diào)度，監(jiān)控管道泵、閥門(mén)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及介質(zhì)的溫度、流量、壓力等參數(shù)。第二級(jí)（底層控制系統(tǒng)）包含I/O現(xiàn)場(chǎng)主控制站以及多個(gè)遠(yuǎn)程分布式I/O站，負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集、工程量變換，控制泵啟停和閥門(mén)開(kāi)關(guān)，對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，并通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果傳送到工程師站和操作員站。

油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)的組成及配置

系統(tǒng)的上層監(jiān)控系統(tǒng)由1臺(tái)工程師站和3臺(tái)操作員站組成，其中工程師站配置CP5611網(wǎng)卡，以連接PLC MPI多點(diǎn)接口，并安裝STEP7軟件，使工程師站具備PG功能。工程師站負(fù)責(zé)硬件配置、測(cè)試、維護(hù)及操作診斷等；操作員站為監(jiān)控站，安裝WinCC監(jiān)控軟件，負(fù)責(zé)通信組態(tài)、報(bào)表生成與打印、過(guò)程參數(shù)顯示等。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)PLC監(jiān)控相應(yīng)設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟停控制、聯(lián)鎖及保護(hù)。上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是連接工程師站/操作員站與現(xiàn)場(chǎng)控制站節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，采用通信速率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的MPI通信方式[2]。

底層控制系統(tǒng)由基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的主控制器及分布式I/O模塊組成，每個(gè)I/O模塊具有獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)。其中，主控制器采用西門(mén)子S7-400系列的CPU414-2DP，CPU414-2DP上連接4個(gè)通信模塊CP441-2，每個(gè)通信模塊上連接多個(gè)智能設(shè)備及儀表。分布式I/O模塊選擇西門(mén)子ET200M，連接安裝在各工藝站場(chǎng)的工藝管線(xiàn)上的不帶有DP通信接口的儀表，用于工藝過(guò)程的監(jiān)控與站場(chǎng)安全的監(jiān)視。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)主控制器和I/O模塊的地址設(shè)定

底層控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)主控制器和分布式I/O模塊通過(guò)主從方式通信，主控制器為PROFIBUS-DP主站，I/O模塊為I/O模塊從站。通信時(shí)每個(gè)總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)必須設(shè)置一個(gè)PROFIBUS地址以在PROFIBUS-DP上實(shí)現(xiàn)唯一標(biāo)識(shí)。本現(xiàn)場(chǎng)主控制器的地址設(shè)定為2，通過(guò)軟件設(shè)定。將I/O模塊的前門(mén)打開(kāi)后可以看到8個(gè)滑塊DIP撥碼開(kāi)關(guān)，通過(guò)它們可以設(shè)定I/O模塊的PROFIBUS地址，允許的地址是1至125。最底部的開(kāi)關(guān)不起作用，其余撥碼開(kāi)關(guān)從下到上依次為第1～7位，ON為1，OFF為0，地址換算方法如下：

地址=20×k0+21×k1+22×k2+23×k3+24×k4+25×k5+26×k6（1）

式中：ki=1表示第i位的開(kāi)關(guān)撥到ON位置；ki=0表示第i位的開(kāi)關(guān)撥到OFF位置（i=0～6）。如地址為10，則k1、k3=1（ON）；k0、k2、k4、k5、k6=0（OFF）。

4 控制組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)的控制組態(tài)軟件為西門(mén)子STEP7，STEP7中的梯形圖和語(yǔ)句表為PLC編程常用的編程語(yǔ)言，所有模塊的組態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)組態(tài)軟件向PLC下載。STEP7通過(guò)帶標(biāo)準(zhǔn)用戶(hù)接口的軟件工具來(lái)為PLC的所有模塊設(shè)置參數(shù)。CPU用智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯(cuò)誤和模板更換等事件[2]。

在網(wǎng)絡(luò)連接好之后，使用STEP7對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)包括從站的硬件配置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置兩部分。為了滿(mǎn)足上層監(jiān)控軟件WinCC的需要和報(bào)表生成的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了相關(guān)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)塊，既為上層監(jiān)視和控制提供了相應(yīng)的變量和狀態(tài)，也為報(bào)表系統(tǒng)提供了相關(guān)原始數(shù)據(jù)。在從站配置中，采用ET200M的IM-153帶模擬量和數(shù)字量的輸入輸出模塊連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，來(lái)采集溫度、壓力、流量等各種參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時(shí)，需要設(shè)置相應(yīng)的通信模塊CP441-2作為通信主站，同時(shí)設(shè)定它的PROFIBUS地址，通訊速率及MPI地址等參數(shù)[3]。組態(tài)完畢后，編譯無(wú)誤后，下載到PLC控制器中去，即完成了整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控層的硬件組態(tài)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

開(kāi)發(fā)控制組態(tài)軟件時(shí)，采用結(jié)構(gòu)法編制控制程序，將復(fù)雜的自動(dòng)化程序分解成可以反復(fù)使用的小程序塊，由相應(yīng)的程序塊來(lái)調(diào)用執(zhí)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量信號(hào)，編寫(xiě)了采樣子程序、加權(quán)平均子程序和工程量變換等一系列子程序。

5 監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)

上層監(jiān)控軟件由人機(jī)界面系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，使用組態(tài)軟件WinCC進(jìn)行開(kāi)發(fā)。WinCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息報(bào)警、過(guò)程參數(shù)歸檔以及可靠的數(shù)所管理功能[4]。

根據(jù)管道監(jiān)控的工藝要求和工作人員監(jiān)控需要，在WinCC中進(jìn)行圖形組態(tài)，提供系統(tǒng)動(dòng)態(tài)流程的監(jiān)控畫(huà)面，設(shè)定各I/O設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，用全局腳本生成C項(xiàng)目函數(shù)，并連接到PLC中需要被監(jiān)控的變量，以實(shí)現(xiàn)記錄、顯示、報(bào)表生成等功能。

通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，能夠直接監(jiān)視控制管道沿線(xiàn)各遠(yuǎn)控線(xiàn)路緊急截?cái)嚅y，向管道沿線(xiàn)各站下達(dá)壓力和流量設(shè)定值。當(dāng)出現(xiàn)管道泄露、發(fā)生威脅管道安全的水擊、沿線(xiàn)各站非正常關(guān)閉等事件時(shí)，通過(guò)監(jiān)控界面可立即觀(guān)察到事件的發(fā)生地點(diǎn)，并且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采取報(bào)警、歸檔、打印記錄和故障工況的聯(lián)鎖保護(hù)等措施。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)油氣長(zhǎng)輸管道現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)多、位置分散，對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)性和抗干擾能力要求高等實(shí)際的要求，文章設(shè)計(jì)了一種基于PLC與PROFI

BUS總線(xiàn)技術(shù)的油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集中監(jiān)測(cè)、分散控制的功能，大大節(jié)省了管道的維護(hù)成本，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，此系統(tǒng)目前已在中國(guó)石油蘭-成-渝成品油長(zhǎng)輸管線(xiàn)蘭州首站進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：陳江（1979-），男，漢族，山東高密，單位：天津綠清管道科技股份有限公司，副經(jīng)理，工程師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械電子技術(shù)。

曲衛(wèi)冬（1979-），女，漢族，黑龍江北安，單位：國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心，副教授，碩士研究生。