宋春花

(中石化管道储运公司 潍坊输油处，山东 潍坊 261021)

总线控制系统在输油管线SCADA系统中的应用

宋春花

(中石化管道储运公司 潍坊输油处，山东 潍坊 261021)

原油长输管道的自动化控制系统主要采用传统的可编程控制器(PLC)控制技术。某原油输送管线站控监控及数据采集系统(SCADA)的升级改造中，成功地采用总线控制系统(FCS)与传统的PLC技术相结合，从现场设备接线盒到中心控制室仅用1对双绞线即可完成数字通信，所有智能设备之间共用1对双绞屏蔽线进行连接，极大地减少了现场施工费用以及控制电缆及辅助材料数量，并实现了对全线设备及管网进行集中监视、管理和控制的目的。

可编程控制器 总线控制系统 阀门控制器 智能设备

先进的监控及数据采集系统(SCADA)为原油长输管道安全平稳地输油提供了可靠的保障，目前SCADA系统通常采用传统的可编程控制器(PLC)技术。随着现场数字化智能设备的出现以及总线协议的标准化，推进了总线控制系统FCS(fieldbus control system)技术的发展。PLC技术和FCS技术各有自己的特点和优势，两者融合使得工业自动化控制系统的应用更加丰富。

1 东临输油管线SCADA系统

1.1工艺管网概况

东临输油管线包括东临老线及东临复线，东临老线1977年投产，全长171km，全线设东营首站、临邑末站各1座，滨州、惠民、商河分别设中间加压站1座。东临复线1998年建成投产，全长154km，全线设东营首站、临邑末站各1座，滨州设中间加热、加压站1座，淄角、乔庄分别设中间加压站1座。全线采用密闭加热输油工艺，其中滨州加压站、东营加压站为东临老线和东临复线的共用站场。

1.2SCADA系统现状

东临输油管线各加压站SCADA系统均采用2009年升级版本，系统采用传统的PLC控制系统，由于滨州加压站、东营加压站为共用站场，东临老线和东临复线共用了1套SCADA系统。2014年东临输油管线进行隐患治理，在各输油现场增加了部分新的智能设备，通过PLC技术和FCS技术融合应用，完成了东临输油管线SCADA系统的升级，升级后的站控SCADA系统网络结构如图1所示。

2 PLC系统

PLC系统是SCADA系统的核心部件，站控PLC系统配置如图2所示。

图1 东临输油管线站控SCADA系统网络结构示意

图2 东临输油管线站控PLC系统配置示意

2.1PLC处理器

站控PLC系统采用基于Unity Pro开发环境的Schneider Quantum系列双机热备系统，主PLC处理器执行应用程序并且控制输入输出(I/O)，备用PLC处理器驻留在后台，必要的时候取代主PLC处理器工作。“主机”和“备机”之间通过集成在CPU中的100Mbit/s高速光纤链路相连接，备用PLC处理器中的用户应用程序数据通过该光纤链路被周期性地更新。在主PLC处理器出现故障时，“主机”和“备机”自动切换，由备用PLC处理器使用最新的数据执行应用程序并更新I/O。一旦发生切换，备用PLC处理器就将变为主PLC处理器，在发生故障的主PLC处理器修复并重新连接到系统时，它将继续承担备用PLC处理器的角色。使用Unity Pro软件的双机系统能够实现主备机之间平稳、无缝的切换，切换过程透明，能够减少停机时间，从而提高了安全运行效率。该PLC处理器支持TCP/IP以太网通信、Modbus Plus通信、端口RS-232及RS-485通信。

2.2远程机架分站

与远程机架(RIO)相关的I/O卡件，主要输入/输出为标准4～20mA电流信号、1～5V直流电压信号、热电阻RTD信号、设备状态及控制信号等。例如输油泵的本体温度、振动、泄漏、状态的参数采集及控制信号，现场阀门、调节阀、工艺管网参数的采集及控制信号等，均通过相互独立的控制电缆分别接入PLC控制柜中RIO分站相应的I/O卡件上。

3 FCS控制系统

3.1总线阀门控制器

随着工业设备智能化的发展，现场设备逐步采用总线通信方式替代传统的硬接线方式，为提高总线通信的可靠性，现场设备的总线通信从单总线向环网发展。东临输油管线隐患治理中更新的阀门电动装置全部采用了带有RS-485通信接口的总线设备，阀门控制器采用阀门环网通信控制器，环网控制器内部结构如图3所示。

1) 该控制器采用离线式组态，利用该阀门控制器的组态软件可独立完成现场设备的配置。

2) 该控制器带有工业级液晶触摸屏及通信网络LED状态指示，直观简洁的人机界面可实现对现场阀门等设备的在线实时监视与控制，并能够及时反映各系统及现场设备的工作状态。

3) 双工业级交换模块，实现了冗余式TCP/IP通信功能，同时提供控制器的级联功能，可满足大型堆叠式应用需求；浮动IP技术，可实现双机切换时的自动IP切换。

4) 三层式带隔离防浪涌设计，满足了苛刻的总线防浪涌要求；直流12～30V的宽电压输入，保证了控制器的正常稳定工作。

图3 环网控制器内部结构示意

5) 工作环境温度为-25～80℃，具有抗强电磁干扰、抗冲击性能。

6) 具有双CPU、双电源、双以太网通信模块、8个标准的独立RS-485模块及2个标准的独立RS-485/RS-232模块。为了提高通信的实时性，采用多环型通道独立配置，每通道能同时支持30台阀门或其他设备。

7) 该控制器与阀门采用RS-485的通信方式，通信协议为Modbus RTU，根据阀门特性，接线方式可以采用串联或并联；与上位机或上级控制器的连接可采用RS-485/RS-232串行通信方式或采用TCP/IP通信方式，通信协议为Modbus RTU或Modbus TCP。

该控制器能够对采用RS-485总线Modbus通信协议的设备进行组网连接，无论是串联型组网、并联型组网还是混合型组网，均能够实现环网结构的可靠通信；所有设备的连接均可以通过组态软件进行配置，阀门控制器的组网方式如图4所示。

在东临输油管线隐患治理项目中，只有东营首站和滨州加压站增加了智能型阀门电动装置，根据图1对应的站控SCADA系统，FCS采用串联组网方式。现场阀门电动装置通过双环串联分别接入到阀门控制器第1通道的A口和B口，实现现场总线双网的冗余。阀门控制器通过NET1口与A网络交换机连接，接入站控A网络；通过NET2口与B网络交换机连接，接入站控B网络。阀门控制器第2通道通过网线与变电所的控制系统相连，采用RS-485的串行通信方式，通过总线读取变电所控制系统的相关参数。

图4 阀门控制器的组网方式结构示意

3.2电动执行机构

原油长输管道现场原有阀门电动执行机构品种繁多，在东临输油管线隐患治理项目中采用具有总线控制方式的智能型执行机构。总线智能型设备除了能实现基本的控制功能，通常还具有很强的数据处理、状态分析及故障自诊断功能，系统可以随时诊断设备的运行状态。

在控制器数据传输模式设置时，同1个网络上所有Modbus通信协议的设备都必须选择相同的传输模式和串口通信参数。

4 系统信息交换

从图1所示站控SCADA系统结构可以看出： PLC与DCS具备了物理连接架构，让数据在TCP/IP网络上实现信息交换，同样也是采用Modbus通信协议。通过Modbus通信协议，控制器与控制器、控制器和其他设备均可通过网络实现串行通信，该协议已经成为通用的工业标准。

PLC的逻辑功能可通过环网控制器实现对现场阀门的控制和数据采集。

5 上位机HMI

在东临输油管线SCADA系统中上位机利用Intouch组态软件，在工作站上实时监控现场动态工艺流程、设备运行状态，对输油工艺过程参数进行实时显示、报警、趋势记录、事件记录、数据归档等。

6 结束语

在东临输油管线SCADA系统的改造中，利用原有的PLC与FCS技术融合，较好地完成了SCADA系统的升级改造，避免了原有控制室空间限制引起的站控系统扩容困难等难题。FCS技术的应用，允许在1条通信线缆上挂接多个现场设备，不再需要A/D和D/A等I/O组件；当需要增加现场控制设备时，该设备只要具备总线Modbus 通信协议，可就近连接在总线通信环路上，只需在总线控制器上对该设备进行配置即可将该设备组态到站控SCADA系统。

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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年毕业于中国石油大学(华东)生产过程自动化专业，获学士学位，现就职于中石化管道储运公司潍坊输油处，从事自动化仪表管理工作，任高级工程师。