輸油氣管道自動(dòng)化系統(tǒng)控制器的應(yīng)用

張葉學(xué)

【摘要】本文主要探討輸油氣管道自動(dòng)化系統(tǒng)常用控制器。

【關(guān)鍵詞】輸油氣；管道自動(dòng)化系統(tǒng)；控制器

【Abstract】This article focuses on oil and gas pipelines automation system commonly used controllers.

【Key words】Transport of oil and gas；Pipeline automation system；A controller

一般來說，油氣田及管道自動(dòng)化技術(shù)的基本內(nèi)容就是采用合適的自動(dòng)化設(shè)備對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)測、分析和控制。以油田生產(chǎn)為例，一般包括采油、注水、集輸、油氣水處理和油氣儲(chǔ)運(yùn)等幾個(gè)過程二這些過程的完成首先需要借助于安裝在油水井、采注計(jì)量站、接轉(zhuǎn)站、脫水站、含油污水處理站、原油穩(wěn)定站、天然氣處理站、注水站、油庫中的工藝設(shè)備以及連接這些站間的管線來實(shí)現(xiàn)，但要很好地完成生產(chǎn)任務(wù)僅靠這些工藝設(shè)備還是不夠的，還需要有各種自動(dòng)化設(shè)備以及生產(chǎn)的操作和管理人員。

1. 管道自動(dòng)化概述

由于輸油管道多為長距離輸油管道，一般管徑大、運(yùn)輸距離長。有些管道要經(jīng)過自然環(huán)境惡劣、交通不便的地域，人工管理勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、效率低、穩(wěn)定性不好，特別是隨著現(xiàn)代社會(huì)對能源依賴程度的提高，使輸油管道承擔(dān)的任務(wù)加重，迫切地需要提升自動(dòng)化水平。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)等現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化技術(shù)不斷成熟，自動(dòng)化設(shè)備性能穩(wěn)定、價(jià)格下降，自動(dòng)化進(jìn)人輸油管道已成為可能?？梢灶A(yù)見，隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對輸油管道自動(dòng)化日益迫切的要求，輸油管道自動(dòng)化水平會(huì)越來越高。

2. 輸油氣管道自動(dòng)化系統(tǒng)及其控制

管道自動(dòng)化和控制涉及儀器儀表、閥門、泵和壓縮機(jī)等各種設(shè)備。通常，管道系統(tǒng)通過泵或壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)長距離輸送油品或天然氣。我們也可以通過控制閥門來開通或隔離管道以實(shí)現(xiàn)維修或應(yīng)對緊急情況，也可以通過控制閥門來控制壓力。設(shè)置計(jì)量站則可以對管道運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測。

2.1管道和閥門的監(jiān)測和控制。

（1）采氣廠、氣田、油田、煉油廠、儲(chǔ)存設(shè)備等地方是管道系統(tǒng)的供應(yīng)源，通過調(diào)節(jié)源頭的輸油（輸氣）量可以達(dá)到控制管道的目的，這就是對管道最基本的控制。然后，管道輸送公司依據(jù)合同方案中委托的輸送量來控制管輸量和流速，以確保管道輸送量與下游客戶接收量能夠保持一致。對于供應(yīng)源來說，維持方案規(guī)定的管輸系統(tǒng)的管輸流量是其首要任務(wù)，當(dāng)然管道輸送公司也可以使用控制閥來控制管輸壓力。

（2）另外一種控制管道的方式就是通過閥門作業(yè)可以隔離管道段或開啟管道段。這種控制方式是利用SCADA監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對指定部位的閥門進(jìn)行開關(guān)作業(yè)從而實(shí)現(xiàn)指定管道段的通斷。目前，國際上先進(jìn)的管道系統(tǒng)都使用了干線截?cái)嚅y自動(dòng)化技術(shù)，這種技術(shù)可以保證在出現(xiàn)管道泄漏或斷裂時(shí)該段干線管道能及時(shí)關(guān)閉，從而避免出現(xiàn)重大的安全事故。

（3）流量、壓力以及溫度是管道系統(tǒng)自動(dòng)化所監(jiān)測的三個(gè)基本物理量。而對于液體輸送管道來說，泄漏檢測、批量跟蹤和油罐儲(chǔ)量這幾個(gè)參數(shù)則值得關(guān)注。

2.2泵站、壓縮機(jī)站的監(jiān)測和控制。

（1）對于大多數(shù)管道來說，對流量和壓力的控制主要是通過控制泵或壓縮機(jī)的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，SCADA系統(tǒng)作業(yè)員首先要設(shè)定好設(shè)備啟動(dòng)或關(guān)閉的指令以及控制的參考設(shè)定點(diǎn)，然后發(fā)出設(shè)備啟動(dòng)或關(guān)閉的指令就可實(shí)現(xiàn)對管道流量和壓力的控制。

（2）在液體管道上，泵通常是由恒速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，這也限制了SCADA系統(tǒng)作業(yè)員對管輸量的靈活調(diào)節(jié)?；谶@個(gè)原因，泵站設(shè)置了多臺機(jī)組。這樣可以通過泵機(jī)組串聯(lián)克服摩擦損失，而作業(yè)員就可以通過泵機(jī)組并聯(lián)實(shí)現(xiàn)對管輸量的靈活調(diào)節(jié)。

（3）大部分管道壓縮機(jī)是由燃?xì)廨啓C(jī)或往復(fù)式壓縮機(jī)提供動(dòng)力的，這些設(shè)備可以靈活地控制排出壓力和流量。大部分壓縮機(jī)站都采用并聯(lián)方式，串聯(lián)只用于需要高壓頭的情況。

2.3計(jì)量站的監(jiān)測和控制。

2.3.1在SCADA系統(tǒng)中，計(jì)量站主要是一個(gè)信息顯示終端。它們提供的計(jì)量信息用于對管輸量的控制和監(jiān)測，幾乎很少用于管道系統(tǒng)的實(shí)際控制。

2.3.2近年來，在固定輸油管道SACADA系統(tǒng)中，常常使用PLC（可編程序邏輯控制器）來代替RTU作為控制器。

2.3.3遠(yuǎn)程控制中心的主要功能是支持整個(gè)固定輸油管道的操作運(yùn)行，包括主計(jì)算機(jī)、本地網(wǎng)絡(luò)、通信處理機(jī)?？刂浦行牡闹饔?jì)算機(jī)對所有泵站的主要工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集，其主要功能有：（1）通過通信通道向各個(gè)RTU采集主要工藝參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)；（2）向各被控泵站發(fā)送控制指令，通過泵站控制系統(tǒng)執(zhí)行完成；（3）運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)趨勢顯示、歷史趨勢顯示、模擬流程顯示；（4）運(yùn)行事件、資料存儲(chǔ)、記錄；（5）運(yùn)行報(bào)表打印、事故狀態(tài)報(bào)告打?。唬?）數(shù)據(jù)處理；（7）系統(tǒng)故障檢測、報(bào)警，工程應(yīng)用開發(fā)研究，模擬培訓(xùn)；（8）系統(tǒng)重新組態(tài)；（9）管道模擬系統(tǒng)工作管理。

3. 輸油氣管道自動(dòng)化系統(tǒng)的控制部分

3.1硬件結(jié)構(gòu)。

3.1.1管道系統(tǒng)自動(dòng)化和控制所使用的硬件很多，這些硬件一方面要有高性能，另一方面要能相互兼容。目前，硬件在性能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和用戶接日技術(shù)方面發(fā)展很快，并且在未來將繼續(xù)保持這種快速的發(fā)展。

3.1.2以前，不同的管道公司使用不同廠家的硬件，這些硬件不能互相兼容。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的形成，如今大多數(shù)J一家的硬件都是按國際上通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制造的，所以能夠相互兼容、相互通用。因此，SCADA系統(tǒng)也從只具有唯一的SCADA應(yīng)用程序的單一網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成為建立在國際通用的IT標(biāo)準(zhǔn)并與公司應(yīng)用程序互聯(lián)，能夠供有資質(zhì)的用戶使用的安全網(wǎng)絡(luò)。四個(gè)層次分別是現(xiàn)場、遠(yuǎn)程通信、SCADA系統(tǒng)和企業(yè)。

3.1.3實(shí)時(shí)服務(wù)器采用一種從RTU獲得數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信方一式。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含在“運(yùn)行”服務(wù)器中，該服務(wù)器存儲(chǔ)最新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并有備用服務(wù)器。另外一種服務(wù)器用于儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)庫和軟件應(yīng)用程序。用戶與計(jì)算機(jī)間互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)方式有：（1）高速局域網(wǎng)（供SCADA作業(yè)員使用）。（2）廣域網(wǎng)（供公司外部業(yè)務(wù)使用）。（3）企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（供公司員工使用）。（4）互聯(lián)網(wǎng)（供客戶和其他利益相關(guān)團(tuán)體使用）。SCADA系統(tǒng)層是一個(gè)高速局域網(wǎng)，通過防火墻與企業(yè)層分離來保證其安全。為了實(shí)現(xiàn)可靠性，通過采用冗余網(wǎng)絡(luò)和雙智能冗余開關(guān)及網(wǎng)絡(luò)卡在網(wǎng)絡(luò)中建立了安全可靠的通信。

3.1.4現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)集散型硬件系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。一般除了主要的控制中心外，還可以建立衛(wèi)星控制中心以備用。這樣，在主控中心發(fā)生問題時(shí)備用控制中心就可以代替主控中心。管道自動(dòng)化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對輸油過程中管道及泵站設(shè)備的監(jiān)測控制及數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)主要由兩部分組成：輸油泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)及調(diào)度中心的全線輸油狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.2軟件結(jié)構(gòu)。

軟件同樣也從技術(shù)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化中獲益。應(yīng)用三級結(jié)構(gòu)最為常見。這三級分別是：（l）管理數(shù)據(jù)庫引擎的數(shù)據(jù)層。（2）提供企業(yè)規(guī)則的功能過程層。（3）向用戶界面顯示結(jié)果的顯示層。因?yàn)檫@些層之間存在標(biāo)準(zhǔn)接口或中間件，新某一層的元件。典型SCADA軟件結(jié)構(gòu)IT和SCADA系統(tǒng)主要采用n級結(jié)構(gòu)，其中所以可以在不影響其他層的情況下升級。調(diào)度控制中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的服務(wù)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，運(yùn)行各種軟件，采集各站的過程數(shù)據(jù)；擔(dān)負(fù)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫的管理、網(wǎng)絡(luò)管理等重要工作。為提高可靠性，主要的服務(wù)器采用冗余配置。其性能應(yīng)適合工業(yè)用硬件和軟件的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)具有容錯(cuò)和自診斷能力。

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