基于ＤＣＳ的管道輸送實驗系統設計

摘要 針對油氣儲運工程專業實驗教學與科研的需要，設計開發了一套以DCS為核心的管道輸送實驗系統。該系統技術先進、自動化程度高、組態靈活，可模擬長輸管道運行工況，實現從泵到泵、從罐到罐、旁接油罐等多種輸送工藝，具有豐富多樣的實驗功能；并可用于專業實習、課程設計、畢業設計和研究生培養等，同時也為科研工作的開展提供了便利條件。

關鍵詞 管道輸送；DCS控制；實驗系統；設計

中圖分類號:TE832;TP273文件標識碼：A文章編號：1671-489X（2007）01-0047-04

Experimental System of Pipeline Transportation Based on DCS//Zhao Shuhua，Zhao Huijun

AbstractIn order to meet the need of experiment teaching and investigation for oil gas storage and transportation engineering， the experimental system of pipeline transportation was developed based on DCS， which with advanced technique and high automatic. The system is a multifunctional testing platform which can be used to simulate running of long pipeline， such as running between station and station， running between tank and tank， running between station and tank， and applied for fieldwork， curricular design， graduation-design and postgraduate training， etc. At the same time，it provide conditions for the activity of science and technology research.

Key word pipeline transportation；experimental system；design

Author's address Jiangsu Polytechnic University Jiangsu Key Laboratory of Oil Gas Storage and Transportation Technology，Changzhou 213016，China

管道輸送是流體(水、油、氣、液漿)最重要的輸送方式，也是油氣儲運學科最主要的研究領域。為了更好、更全面地研究管道輸送系統的特點和規律，根據高校油氣儲運專業教學和科研的需要，配合油氣儲運重點學科建設、特色專業建設和省級重點實驗室建設，結合我院“中央與地方共建專項基金－油氣儲運工程中心建設”，自行設計研制了一套基于DCS的油品儲運管道輸送實驗系統。該實驗系統涵蓋了油氣儲運專業主要專業課程知識以及站庫操作、工程設計、安全防護及故障處理等多種知識和技術，是目前國內油品儲運實驗研究中管道最長、規模最大的全自動仿真模擬實驗系統，具有自動檢測、自動控制和自動調節等功能，可進行長輸管道工藝調節、站庫設備及安全認識、儲運系統仿真與運行模擬、測量儀表及自動控制、DCS系統組態與系統控制、管路與泵特性調節，以及管道水擊及控制、腐蝕測定與防護、漏點檢測與定位等實驗教學和科研工作，還可用于油氣儲運專業實習、課程設計、畢業設計、研究生培養等。

1 實驗系統概況

管道輸送實驗系統是一套模擬油品儲運長輸管道輸送工藝系統，根據管道輸送的內容、特點和設計要求^[1]，結合自己專業特色和科研需要，參考并采用了最新的自動檢測和控制技術^[2、3]，設計開發出基于DCS控制系統的由罐區、泵房、工藝管線、閥組、控制儀表及工作站等組成的大型綜合性實驗系統。該系統占地1 300 m2，管線總長2 500 m，沿線設置了4個輸油泵站，每個泵站有2臺離心泵、1座儲罐和工藝管道等，2臺泵可以單泵運行完成輸送任務，也可以雙泵串聯或并聯工作來提高輸送能力。各站在整個輸送系統中，4個泵站和工藝管路組成一個循環系統，每個泵站既可以作為首站，也可以作為末站或中間站，可以實現站內循環和外輸2種不同工藝，在外輸工藝中可以實現“從罐到罐”、“旁接油罐”、“從泵到泵”及收發油、倒罐、正輸、反輸、越站等基本工藝。所有工藝均可以通過DCS實現自動控制。

系統的控制部分是系統的核心和設計的關鍵。必須具備如下功能：

1）能夠對現場設備的信號和狀態以及管路壓力、溫度、流量、儲罐液位、泵頻率、功率、油氣濃度等工藝參數進行檢測和計量；

2）能通過對各閥門的開/關控制實現工藝流程的切換；

3）通過對泵、閥的不同組合和控制，完成每一種管道輸送工藝的實驗任務；

4）能通過對管路調節閥、泵電機變頻器的調節對流量、液位等主要參數進行控制調節；

5）還能夠對裝置現場的儲罐液位、油氣濃度等進行超限報警，并對實驗裝置工藝運行情況和過程進行仿真模擬。

2 DCS及其系統配置

DCS，即集散控制系統（Distributed Control System），又名分布式控制系統，是20世紀70年代中期發展起來的新型計算機控制系統。它綜合了計算機技術、網絡通訊技術、測量與控制技術、CRT技術、圖形顯示技術、冗余及診斷技術以及人機接口技術等先進技術，采用多層分級的結構形式，適應現代化控制與管理的需求^[4]。它以計算機為中心，將系統的控制功能和故障分散到各個子系統，同時又將系統的操作、監測和管理集中起來，具有分組遞階的分布式結構。它既吸收了分散式儀表控制系統和集中式計算機控制系統的優點，又采用了標準化、模塊化和系列化的設計。因此，DCS系統以其強大的控制功能及高的可靠性在石油化工生產中得到了廣泛的應用^[5-7]，目前已經成為工業過程控制的主流系統，在油品儲運生產和管理中越來越被重視并采用。

該控制系統實有檢測和控制信號點數247點，考慮到系統安全和擴充，應設置一定量的冗余，配置各類信號點280點。根據實驗系統設計思想和要求，考慮到系統的實用性、先進性和經濟性，經過多方考察和反復論證，選擇并采用了技術先進、實用靈活、功能完善、市場占有率高的浙大中控的SUPCON JX-300X集散控制系統（DCS）^[8]。系統結構如圖1所示。它的基本組成包括工程師站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）、現場采集單元（FDAS）和過程控制網絡（Scnet Ⅱ）。

工程師站（ES）是為工程設計的，內裝配置有SCKey系統組態軟件和AdranTrol監控軟件包，通過系統組態平臺生成適合于生產工藝要求的應用系統，而使用系統的維護工具軟件可以實現過程控制網絡調試、故障診斷、信號調校等。

操作站（OS）是操作人員完成過程監控管理任務的環境，由工業PC機、21\"CRT、鍵盤、鼠標、打印機等組成，并配有ScnetII網卡、HUB和操作系統，實現生產過程信息的集中顯示、集中操作和集中管理。

控制站（CS）是系統中直接與現場打交道的I/O處理單元，主要有機柜、機籠、機箱和主控制卡、數據轉發卡和多功能智能I/O卡件、端子板等組成，實現對現場過程信號的采集、處理、控制等。

過程控制網絡（Scnet Ⅱ）是工程師站、操作站、控制站的連接通道，完成信息、控制命令等傳輸。

本實驗控制系統設計了1個控制站，8個工程師站兼操作站。8個站可進行單站控制，也可聯合工作，實現本實驗平臺所需的各項監控功能。系統軟、硬件配置如表1、表2所示。

控制過程的實現是通過DCS系統對每臺泵的啟停狀態、各種閥門的開關狀態、流量計、溫度計和壓力表的工作參數等進行現場采集，然后以數字量的形式通過過程控制網進行傳輸，然后經控制站內部I/O控制總線（SBUS）反饋到工作站，并可針對用戶進行的相應操作，然后遠傳回現場控制元件，實施自動控制，實現對整個系統的分散控制、集中管理的全集成綜合自動化。

3系統組態

由于DCS系統的通用性和復雜性，系統的許多功能及匹配參數需要根據具體場合由用戶設定，要實現對現場裝置系統的檢測、控制和調節等各種功能，首先必須對系統的信息進行設定和編程操作即\"系統組態\"，組態的主要內容如圖2所示。

系統組態是在工程師站上進行的，利用DCS自帶的基本組態軟件SCKey、圖形編程工具Sccontrol、流程圖制作軟件SCDraw、報表制作軟件SCForm以及實時監控軟件AdvanTrol等來完成實現，組態完成后，再進行編譯，然后下載到控制站執行。界面清晰、簡單易學、實用方便、組態靈活。依次設計出的管道輸送實驗系統的主控畫面如圖3所示。

4 結束語

自行設計研制的基于DCS的管道輸送實驗系統于2005年初建成，至今在其上已完成了多次實驗、實習和研究任務，實驗涉及的內容多、覆蓋面廣、綜合性強、效果良好。結合本裝置由儲運2004屆學生所做的“油品儲運實驗平臺工藝設計”被評為“江蘇省普通高校優秀畢業設計”一等獎；由本實驗平臺開設的“油品儲運管道輸送實驗”實驗方案在2005年舉行的“江蘇工業學院設計型方案評比”中榮獲一等獎，以該實驗系統為主要內容的“油氣儲運實驗技術”已被列入本校儲運本科培養方案中的特色課程。該實驗系統的建成使用、更新并加強了實驗內容、方法與手段，提高了科研實力，更有利于培養學生綜合分析問題和解決問題的能力，提高學生創新意識和工程設計能力，是校內進行儲運學科實踐教學和科研工作的理想場所。

參考文獻：

[1]嚴大凡.輸油管道設計與管理[M].北京:石油工業出版社，1986年

[2]張寶芬，張毅，曹麗.自動化檢測技術及儀表控制系統[M].北京:化學工業出版社，2000

[3]麥俊華.JX-300X集散控制系統[J].化工設備與防腐蝕，2004(2):44-46

[4]王樹青，趙鵬程.集散型計算機控制系統（DCS）[M].浙江:浙江大學出版社，1996

[5]劉俊芝.DCS系統在油品儲運管理中的應用[M].天津化工. 2002(1):38

[6]張大華，裘麗華，王宗學等.基于DCS機理的機場供油自動化系統的設計與實現[J].北京航空航天大學學報， 2003， 29(8):659-662

[7]丁萬成，王卓飛，謝姝等.DCS在油田污水處理系統中的應用[J].天然氣與石油，2006， 24(2):52-54

[8]浙江浙中控技術有限公司.JX-300X集散控制系統使用手冊[M].浙江:浙大中控技術有限公司，2003