總線控制系統在輸油管線SCADA系統中的應用

宋春花

(中石化管道儲運公司 濰坊輸油處，山東 濰坊 261021)

總線控制系統在輸油管線SCADA系統中的應用

宋春花

(中石化管道儲運公司 濰坊輸油處，山東 濰坊 261021)

原油長輸管道的自動化控制系統主要采用傳統的可編程控制器(PLC)控制技術。某原油輸送管線站控監控及數據采集系統(SCADA)的升級改造中，成功地采用總線控制系統(FCS)與傳統的PLC技術相結合，從現場設備接線盒到中心控制室僅用1對雙絞線即可完成數字通信，所有智能設備之間共用1對雙絞屏蔽線進行連接，極大地減少了現場施工費用以及控制電纜及輔助材料數量，并實現了對全線設備及管網進行集中監視、管理和控制的目的。

可編程控制器 總線控制系統 閥門控制器 智能設備

先進的監控及數據采集系統(SCADA)為原油長輸管道安全平穩地輸油提供了可靠的保障，目前SCADA系統通常采用傳統的可編程控制器(PLC)技術。隨著現場數字化智能設備的出現以及總線協議的標準化，推進了總線控制系統FCS(fieldbus control system)技術的發展。PLC技術和FCS技術各有自己的特點和優勢，兩者融合使得工業自動化控制系統的應用更加豐富。

1 東臨輸油管線SCADA系統

1.1工藝管網概況

東臨輸油管線包括東臨老線及東臨復線，東臨老線1977年投產，全長171km，全線設東營首站、臨邑末站各1座，濱州、惠民、商河分別設中間加壓站1座。東臨復線1998年建成投產，全長154km，全線設東營首站、臨邑末站各1座，濱州設中間加熱、加壓站1座，淄角、喬莊分別設中間加壓站1座。全線采用密閉加熱輸油工藝，其中濱州加壓站、東營加壓站為東臨老線和東臨復線的共用站場。

1.2SCADA系統現狀

東臨輸油管線各加壓站SCADA系統均采用2009年升級版本，系統采用傳統的PLC控制系統，由于濱州加壓站、東營加壓站為共用站場，東臨老線和東臨復線共用了1套SCADA系統。2014年東臨輸油管線進行隱患治理，在各輸油現場增加了部分新的智能設備，通過PLC技術和FCS技術融合應用，完成了東臨輸油管線SCADA系統的升級，升級后的站控SCADA系統網絡結構如圖1所示。

2 PLC系統

PLC系統是SCADA系統的核心部件，站控PLC系統配置如圖2所示。

圖1 東臨輸油管線站控SCADA系統網絡結構示意

圖2 東臨輸油管線站控PLC系統配置示意

2.1PLC處理器

站控PLC系統采用基于Unity Pro開發環境的Schneider Quantum系列雙機熱備系統，主PLC處理器執行應用程序并且控制輸入輸出(I/O)，備用PLC處理器駐留在后臺，必要的時候取代主PLC處理器工作。“主機”和“備機”之間通過集成在CPU中的100Mbit/s高速光纖鏈路相連接，備用PLC處理器中的用戶應用程序數據通過該光纖鏈路被周期性地更新。在主PLC處理器出現故障時，“主機”和“備機”自動切換，由備用PLC處理器使用最新的數據執行應用程序并更新I/O。一旦發生切換，備用PLC處理器就將變為主PLC處理器，在發生故障的主PLC處理器修復并重新連接到系統時，它將繼續承擔備用PLC處理器的角色。使用Unity Pro軟件的雙機系統能夠實現主備機之間平穩、無縫的切換，切換過程透明，能夠減少停機時間，從而提高了安全運行效率。該PLC處理器支持TCP/IP以太網通信、Modbus Plus通信、端口RS-232及RS-485通信。

2.2遠程機架分站

與遠程機架(RIO)相關的I/O卡件，主要輸入/輸出為標準4～20mA電流信號、1～5V直流電壓信號、熱電阻RTD信號、設備狀態及控制信號等。例如輸油泵的本體溫度、振動、泄漏、狀態的參數采集及控制信號，現場閥門、調節閥、工藝管網參數的采集及控制信號等，均通過相互獨立的控制電纜分別接入PLC控制柜中RIO分站相應的I/O卡件上。

3 FCS控制系統

3.1總線閥門控制器

隨著工業設備智能化的發展，現場設備逐步采用總線通信方式替代傳統的硬接線方式，為提高總線通信的可靠性，現場設備的總線通信從單總線向環網發展。東臨輸油管線隱患治理中更新的閥門電動裝置全部采用了帶有RS-485通信接口的總線設備，閥門控制器采用閥門環網通信控制器，環網控制器內部結構如圖3所示。

1) 該控制器采用離線式組態，利用該閥門控制器的組態軟件可獨立完成現場設備的配置。

2) 該控制器帶有工業級液晶觸摸屏及通信網絡LED狀態指示，直觀簡潔的人機界面可實現對現場閥門等設備的在線實時監視與控制，并能夠及時反映各系統及現場設備的工作狀態。

3) 雙工業級交換模塊，實現了冗余式TCP/IP通信功能，同時提供控制器的級聯功能，可滿足大型堆疊式應用需求；浮動IP技術，可實現雙機切換時的自動IP切換。

4) 三層式帶隔離防浪涌設計，滿足了苛刻的總線防浪涌要求；直流12～30V的寬電壓輸入，保證了控制器的正常穩定工作。

圖3 環網控制器內部結構示意

5) 工作環境溫度為-25～80℃，具有抗強電磁干擾、抗沖擊性能。

6) 具有雙CPU、雙電源、雙以太網通信模塊、8個標準的獨立RS-485模塊及2個標準的獨立RS-485/RS-232模塊。為了提高通信的實時性，采用多環型通道獨立配置，每通道能同時支持30臺閥門或其他設備。

7) 該控制器與閥門采用RS-485的通信方式，通信協議為Modbus RTU，根據閥門特性，接線方式可以采用串聯或并聯；與上位機或上級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，通信協議為Modbus RTU或Modbus TCP。

該控制器能夠對采用RS-485總線Modbus通信協議的設備進行組網連接，無論是串聯型組網、并聯型組網還是混合型組網，均能夠實現環網結構的可靠通信；所有設備的連接均可以通過組態軟件進行配置，閥門控制器的組網方式如圖4所示。

在東臨輸油管線隱患治理項目中，只有東營首站和濱州加壓站增加了智能型閥門電動裝置，根據圖1對應的站控SCADA系統，FCS采用串聯組網方式。現場閥門電動裝置通過雙環串聯分別接入到閥門控制器第1通道的A口和B口，實現現場總線雙網的冗余。閥門控制器通過NET1口與A網絡交換機連接，接入站控A網絡；通過NET2口與B網絡交換機連接，接入站控B網絡。閥門控制器第2通道通過網線與變電所的控制系統相連，采用RS-485的串行通信方式，通過總線讀取變電所控制系統的相關參數。

圖4 閥門控制器的組網方式結構示意

3.2電動執行機構

原油長輸管道現場原有閥門電動執行機構品種繁多，在東臨輸油管線隱患治理項目中采用具有總線控制方式的智能型執行機構。總線智能型設備除了能實現基本的控制功能，通常還具有很強的數據處理、狀態分析及故障自診斷功能，系統可以隨時診斷設備的運行狀態。

在控制器數據傳輸模式設置時，同1個網絡上所有Modbus通信協議的設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口通信參數。

4 系統信息交換

從圖1所示站控SCADA系統結構可以看出： PLC與DCS具備了物理連接架構，讓數據在TCP/IP網絡上實現信息交換，同樣也是采用Modbus通信協議。通過Modbus通信協議，控制器與控制器、控制器和其他設備均可通過網絡實現串行通信，該協議已經成為通用的工業標準。

PLC的邏輯功能可通過環網控制器實現對現場閥門的控制和數據采集。

5 上位機HMI

在東臨輸油管線SCADA系統中上位機利用Intouch組態軟件，在工作站上實時監控現場動態工藝流程、設備運行狀態，對輸油工藝過程參數進行實時顯示、報警、趨勢記錄、事件記錄、數據歸檔等。

6 結束語

在東臨輸油管線SCADA系統的改造中，利用原有的PLC與FCS技術融合，較好地完成了SCADA系統的升級改造，避免了原有控制室空間限制引起的站控系統擴容困難等難題。FCS技術的應用，允許在1條通信線纜上掛接多個現場設備，不再需要A/D和D/A等I/O組件；當需要增加現場控制設備時，該設備只要具備總線Modbus 通信協議，可就近連接在總線通信環路上，只需在總線控制器上對該設備進行配置即可將該設備組態到站控SCADA系統。

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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年畢業于中國石油大學(華東)生產過程自動化專業，獲學士學位，現就職于中石化管道儲運公司濰坊輸油處，從事自動化儀表管理工作，任高級工程師。