宋春花

(中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司 濰坊輸油處，山東 濰坊 261021)

總線(xiàn)控制系統(tǒng)在輸油管線(xiàn)SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

宋春花

(中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司 濰坊輸油處，山東 濰坊 261021)

原油長(zhǎng)輸管道的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)的可編程控制器(PLC)控制技術(shù)。某原油輸送管線(xiàn)站控監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)的升級(jí)改造中，成功地采用總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)與傳統(tǒng)的PLC技術(shù)相結(jié)合，從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接線(xiàn)盒到中心控制室僅用1對(duì)雙絞線(xiàn)即可完成數(shù)字通信，所有智能設(shè)備之間共用1對(duì)雙絞屏蔽線(xiàn)進(jìn)行連接，極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)施工費(fèi)用以及控制電纜及輔助材料數(shù)量，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)全線(xiàn)設(shè)備及管網(wǎng)進(jìn)行集中監(jiān)視、管理和控制的目的。

可編程控制器 總線(xiàn)控制系統(tǒng) 閥門(mén)控制器 智能設(shè)備

先進(jìn)的監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)為原油長(zhǎng)輸管道安全平穩(wěn)地輸油提供了可靠的保障，目前SCADA系統(tǒng)通常采用傳統(tǒng)的可編程控制器(PLC)技術(shù)。隨著現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化智能設(shè)備的出現(xiàn)以及總線(xiàn)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，推進(jìn)了總線(xiàn)控制系統(tǒng)FCS(fieldbus control system)技術(shù)的發(fā)展。PLC技術(shù)和FCS技術(shù)各有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，兩者融合使得工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用更加豐富。

1 東臨輸油管線(xiàn)SCADA系統(tǒng)

1.1工藝管網(wǎng)概況

東臨輸油管線(xiàn)包括東臨老線(xiàn)及東臨復(fù)線(xiàn)，東臨老線(xiàn)1977年投產(chǎn)，全長(zhǎng)171km，全線(xiàn)設(shè)東營(yíng)首站、臨邑末站各1座，濱州、惠民、商河分別設(shè)中間加壓站1座。東臨復(fù)線(xiàn)1998年建成投產(chǎn)，全長(zhǎng)154km，全線(xiàn)設(shè)東營(yíng)首站、臨邑末站各1座，濱州設(shè)中間加熱、加壓站1座，淄角、喬莊分別設(shè)中間加壓站1座。全線(xiàn)采用密閉加熱輸油工藝，其中濱州加壓站、東營(yíng)加壓站為東臨老線(xiàn)和東臨復(fù)線(xiàn)的共用站場(chǎng)。

1.2SCADA系統(tǒng)現(xiàn)狀

東臨輸油管線(xiàn)各加壓站SCADA系統(tǒng)均采用2009年升級(jí)版本，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)，由于濱州加壓站、東營(yíng)加壓站為共用站場(chǎng)，東臨老線(xiàn)和東臨復(fù)線(xiàn)共用了1套SCADA系統(tǒng)。2014年?yáng)|臨輸油管線(xiàn)進(jìn)行隱患治理，在各輸油現(xiàn)場(chǎng)增加了部分新的智能設(shè)備，通過(guò)PLC技術(shù)和FCS技術(shù)融合應(yīng)用，完成了東臨輸油管線(xiàn)SCADA系統(tǒng)的升級(jí)，升級(jí)后的站控SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 PLC系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的核心部件，站控PLC系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖1 東臨輸油管線(xiàn)站控SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

圖2 東臨輸油管線(xiàn)站控PLC系統(tǒng)配置示意

2.1PLC處理器

站控PLC系統(tǒng)采用基于Unity Pro開(kāi)發(fā)環(huán)境的Schneider Quantum系列雙機(jī)熱備系統(tǒng)，主PLC處理器執(zhí)行應(yīng)用程序并且控制輸入輸出(I/O)，備用PLC處理器駐留在后臺(tái)，必要的時(shí)候取代主PLC處理器工作?！爸鳈C(jī)”和“備機(jī)”之間通過(guò)集成在CPU中的100Mbit/s高速光纖鏈路相連接，備用PLC處理器中的用戶(hù)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)通過(guò)該光纖鏈路被周期性地更新。在主PLC處理器出現(xiàn)故障時(shí)，“主機(jī)”和“備機(jī)”自動(dòng)切換，由備用PLC處理器使用最新的數(shù)據(jù)執(zhí)行應(yīng)用程序并更新I/O。一旦發(fā)生切換，備用PLC處理器就將變?yōu)橹鱌LC處理器，在發(fā)生故障的主PLC處理器修復(fù)并重新連接到系統(tǒng)時(shí)，它將繼續(xù)承擔(dān)備用PLC處理器的角色。使用Unity Pro軟件的雙機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主備機(jī)之間平穩(wěn)、無(wú)縫的切換，切換過(guò)程透明，能夠減少停機(jī)時(shí)間，從而提高了安全運(yùn)行效率。該P(yáng)LC處理器支持TCP/IP以太網(wǎng)通信、Modbus Plus通信、端口RS-232及RS-485通信。

2.2遠(yuǎn)程機(jī)架分站

與遠(yuǎn)程機(jī)架(RIO)相關(guān)的I/O卡件，主要輸入/輸出為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)、1～5V直流電壓信號(hào)、熱電阻RTD信號(hào)、設(shè)備狀態(tài)及控制信號(hào)等。例如輸油泵的本體溫度、振動(dòng)、泄漏、狀態(tài)的參數(shù)采集及控制信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)、調(diào)節(jié)閥、工藝管網(wǎng)參數(shù)的采集及控制信號(hào)等，均通過(guò)相互獨(dú)立的控制電纜分別接入PLC控制柜中RIO分站相應(yīng)的I/O卡件上。

3 FCS控制系統(tǒng)

3.1總線(xiàn)閥門(mén)控制器

隨著工業(yè)設(shè)備智能化的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備逐步采用總線(xiàn)通信方式替代傳統(tǒng)的硬接線(xiàn)方式，為提高總線(xiàn)通信的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的總線(xiàn)通信從單總線(xiàn)向環(huán)網(wǎng)發(fā)展。東臨輸油管線(xiàn)隱患治理中更新的閥門(mén)電動(dòng)裝置全部采用了帶有RS-485通信接口的總線(xiàn)設(shè)備，閥門(mén)控制器采用閥門(mén)環(huán)網(wǎng)通信控制器，環(huán)網(wǎng)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1) 該控制器采用離線(xiàn)式組態(tài)，利用該閥門(mén)控制器的組態(tài)軟件可獨(dú)立完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配置。

2) 該控制器帶有工業(yè)級(jí)液晶觸摸屏及通信網(wǎng)絡(luò)LED狀態(tài)指示，直觀(guān)簡(jiǎn)潔的人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)等設(shè)備的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，并能夠及時(shí)反映各系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)。

3) 雙工業(yè)級(jí)交換模塊，實(shí)現(xiàn)了冗余式TCP/IP通信功能，同時(shí)提供控制器的級(jí)聯(lián)功能，可滿(mǎn)足大型堆疊式應(yīng)用需求；浮動(dòng)IP技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)切換時(shí)的自動(dòng)IP切換。

4) 三層式帶隔離防浪涌設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足了苛刻的總線(xiàn)防浪涌要求；直流12～30V的寬電壓輸入，保證了控制器的正常穩(wěn)定工作。

圖3 環(huán)網(wǎng)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

5) 工作環(huán)境溫度為-25～80℃，具有抗強(qiáng)電磁干擾、抗沖擊性能。

6) 具有雙CPU、雙電源、雙以太網(wǎng)通信模塊、8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立RS-485模塊及2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立RS-485/RS-232模塊。為了提高通信的實(shí)時(shí)性，采用多環(huán)型通道獨(dú)立配置，每通道能同時(shí)支持30臺(tái)閥門(mén)或其他設(shè)備。

7) 該控制器與閥門(mén)采用RS-485的通信方式，通信協(xié)議為Modbus RTU，根據(jù)閥門(mén)特性，接線(xiàn)方式可以采用串聯(lián)或并聯(lián)；與上位機(jī)或上級(jí)控制器的連接可采用RS-485/RS-232串行通信方式或采用TCP/IP通信方式，通信協(xié)議為Modbus RTU或Modbus TCP。

該控制器能夠?qū)Σ捎肦S-485總線(xiàn)Modbus通信協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)連接，無(wú)論是串聯(lián)型組網(wǎng)、并聯(lián)型組網(wǎng)還是混合型組網(wǎng)，均能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的可靠通信；所有設(shè)備的連接均可以通過(guò)組態(tài)軟件進(jìn)行配置，閥門(mén)控制器的組網(wǎng)方式如圖4所示。

在東臨輸油管線(xiàn)隱患治理項(xiàng)目中，只有東營(yíng)首站和濱州加壓站增加了智能型閥門(mén)電動(dòng)裝置，根據(jù)圖1對(duì)應(yīng)的站控SCADA系統(tǒng)，F(xiàn)CS采用串聯(lián)組網(wǎng)方式?，F(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)電動(dòng)裝置通過(guò)雙環(huán)串聯(lián)分別接入到閥門(mén)控制器第1通道的A口和B口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)雙網(wǎng)的冗余。閥門(mén)控制器通過(guò)NET1口與A網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，接入站控A網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)NET2口與B網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，接入站控B網(wǎng)絡(luò)。閥門(mén)控制器第2通道通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與變電所的控制系統(tǒng)相連，采用RS-485的串行通信方式，通過(guò)總線(xiàn)讀取變電所控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

圖4 閥門(mén)控制器的組網(wǎng)方式結(jié)構(gòu)示意

3.2電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

原油長(zhǎng)輸管道現(xiàn)場(chǎng)原有閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)品種繁多，在東臨輸油管線(xiàn)隱患治理項(xiàng)目中采用具有總線(xiàn)控制方式的智能型執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？偩€(xiàn)智能型設(shè)備除了能實(shí)現(xiàn)基本的控制功能，通常還具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)分析及故障自診斷功能，系統(tǒng)可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

在控制器數(shù)據(jù)傳輸模式設(shè)置時(shí)，同1個(gè)網(wǎng)絡(luò)上所有Modbus通信協(xié)議的設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口通信參數(shù)。

4 系統(tǒng)信息交換

從圖1所示站控SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出： PLC與DCS具備了物理連接架構(gòu)，讓數(shù)據(jù)在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)信息交換，同樣也是采用Modbus通信協(xié)議。通過(guò)Modbus通信協(xié)議，控制器與控制器、控制器和其他設(shè)備均可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)串行通信，該協(xié)議已經(jīng)成為通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

PLC的邏輯功能可通過(guò)環(huán)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的控制和數(shù)據(jù)采集。

5 上位機(jī)HMI

在東臨輸油管線(xiàn)SCADA系統(tǒng)中上位機(jī)利用Intouch組態(tài)軟件，在工作站上實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)工藝流程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)輸油工藝過(guò)程參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、趨勢(shì)記錄、事件記錄、數(shù)據(jù)歸檔等。

6 結(jié)束語(yǔ)

在東臨輸油管線(xiàn)SCADA系統(tǒng)的改造中，利用原有的PLC與FCS技術(shù)融合，較好地完成了SCADA系統(tǒng)的升級(jí)改造，避免了原有控制室空間限制引起的站控系統(tǒng)擴(kuò)容困難等難題。FCS技術(shù)的應(yīng)用，允許在1條通信線(xiàn)纜上掛接多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不再需要A/D和D/A等I/O組件；當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，該設(shè)備只要具備總線(xiàn)Modbus 通信協(xié)議，可就近連接在總線(xiàn)通信環(huán)路上，只需在總線(xiàn)控制器上對(duì)該設(shè)備進(jìn)行配置即可將該設(shè)備組態(tài)到站控SCADA系統(tǒng)。

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ApplicationofFCSinSCADASystemofOilPipeline

Song Chunhua

(Weifang Department， Sinopec Pipeline Storage & Transportation Co. Ltd., Weifang, 261021, China)

Traditional PLC control technology is mainly used in automatic control system of crude oil long distance pipeline.The combined technology of FCS and traditional PLC is successfully applied in SCADA system upgrading for a crude oil pipeline station. Digital communication can be realized through one twisted-pair wire from the field device junction box to central control room. All intelligent equipment are connected with one twisted pair shielding wire. The cost of site construction and number of control cable and auxiliary material is greatly reduced. Centralized monitoring, managing and controlling for all field devices and pipeline network are realized.

programmable logic controller; fieldbus control system; valve controller; intelligent equipment

TP277

B

1007-7324(2017)05-0039-04

稿件收到日期： 2017-04-06，修改稿收到日期2017-06-30。

宋春花(1966—)，女，河北保定人，1989年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司濰坊輸油處，從事自動(dòng)化儀表管理工作，任高級(jí)工程師。