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★中電智能科技有限公司

★國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司

1　方案目標(biāo)和概述

為解決長(zhǎng)輸油氣管道核心控制技術(shù)“卡脖子”的問題，提升長(zhǎng)輸油氣管道控制系統(tǒng)自主可控水平，保障長(zhǎng)輸油氣管道生產(chǎn)過程安全及信息安全，本項(xiàng)目基于現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)PLC軟硬件研究基礎(chǔ)，針對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道領(lǐng)域特定應(yīng)用需求，對(duì)標(biāo)國(guó)際主流產(chǎn)品，通過研究進(jìn)口元器件全國(guó)產(chǎn)化替代與國(guó)產(chǎn)元器件性能優(yōu)化選型、平臺(tái)自適應(yīng)的安全可信技術(shù)、基于全國(guó)產(chǎn)硬件平臺(tái)的面向多任務(wù)控制的數(shù)據(jù)保護(hù)和運(yùn)行控制技術(shù)、跨平臺(tái)編程軟件國(guó)產(chǎn)CPU編譯適配技術(shù)、面向多總線的統(tǒng)一模塊配置策略等，提出全國(guó)產(chǎn)PLC、RTU軟硬件架構(gòu)，構(gòu)建全國(guó)產(chǎn)PLC、RTU技術(shù)體系，形成基于國(guó)產(chǎn)芯片、控制軟件的PLC和RTU產(chǎn)品。

本項(xiàng)目使用的產(chǎn)品性能指標(biāo)滿足國(guó)家管網(wǎng)需求，整體功能性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，在長(zhǎng)輸油氣管道控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行全國(guó)產(chǎn)自主可控替代，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，提升長(zhǎng)輸油氣管道基礎(chǔ)設(shè)施的安全水平。

2　方案詳細(xì)介紹

（1）機(jī)柜安裝布線

現(xiàn)場(chǎng)控制柜的規(guī)格為：800mm寬×600mm深×2100mm高，顏色為灰色，統(tǒng)一為威圖標(biāo)準(zhǔn)柜。為了保證現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)能同時(shí)順利地接入兩套控制系統(tǒng)，需將信號(hào)一分為二，信號(hào)一分為二分配器和切換的相應(yīng)設(shè)備計(jì)劃裝于舊系統(tǒng)控制柜內(nèi)。目前站場(chǎng)控制柜柜前面板與后面板均已裝滿設(shè)備，信號(hào)一分為二分配器和切換的相應(yīng)設(shè)備只能裝在柜子側(cè)面，具體改造如圖1所示。

圖1 站場(chǎng)控制柜側(cè)面安裝圖

（2）采集信號(hào)分配

數(shù)字量輸入信號(hào)接線：現(xiàn)場(chǎng)1個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)需要同時(shí)接到2個(gè)控制系統(tǒng)，本方案2套控制系統(tǒng)的數(shù)字量輸入選用繼電器隔離，通過雙觸點(diǎn)繼電器實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離，具體接線如圖2所示。

圖2 數(shù)字量輸入信號(hào)接線圖

模擬量輸入信號(hào)接線：現(xiàn)場(chǎng)1個(gè)模擬量輸入信號(hào)需要同時(shí)接到2個(gè)控制系統(tǒng)。本方案配置模擬量及RTD信號(hào)一進(jìn)二出安全柵，將現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)分配為兩路輸出后分別接入原系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)化PLC系統(tǒng)，具體原理及接線如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 模擬量輸入原理圖

圖4 4-20mA模擬量輸入接線圖

圖5 PT100熱電阻模擬量輸入接線圖

（3）控制權(quán)限切換

數(shù)字量輸出信號(hào)接線：現(xiàn)場(chǎng)同1個(gè)設(shè)備在同一時(shí)間只能由1套PLC控制系統(tǒng)控制，為了更好地解決此問題，本方案2套控制系統(tǒng)的數(shù)字量輸出采用繼電器的方式來隔離信號(hào)輸出，接線如圖6所示。

圖6 數(shù)字量輸出信號(hào)接線圖

模擬量輸出信號(hào)接線：現(xiàn)場(chǎng)同1個(gè)設(shè)備在同一時(shí)間只能由1套PLC控制系統(tǒng)控制，為了更好地解決此問題，本方案2套控制系統(tǒng)的模擬量輸出采用繼電器切換回路的方式來隔離信號(hào)輸出，接線如圖7所示。

圖7 模擬量輸出信號(hào)接線圖

（4）新老系統(tǒng)無擾切換實(shí)現(xiàn)方式

新、老系統(tǒng)的控制權(quán)限切換，通過機(jī)柜門上的切換開關(guān)及切換開關(guān)所驅(qū)動(dòng)的切換繼電器來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制信號(hào)接入PLC機(jī)柜內(nèi)切換繼電器觸點(diǎn)公共端，老系統(tǒng)輸出信號(hào)接入繼電器的常閉觸點(diǎn)，新系統(tǒng)輸出信號(hào)接入繼電器的常開觸點(diǎn)。當(dāng)控制權(quán)限為老系統(tǒng)控制時(shí)，繼電器不得電，現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)與老系統(tǒng)輸出信號(hào)導(dǎo)通，接收老系統(tǒng)控制信號(hào)。切換為新系統(tǒng)控制時(shí)，切換開關(guān)驅(qū)動(dòng)所有輸出信號(hào)的切換繼電器，切換繼電器線圈閉合后，觸點(diǎn)動(dòng)作，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制信號(hào)與新系統(tǒng)輸出信號(hào)導(dǎo)通，接收新系統(tǒng)控制信號(hào)。

對(duì)于輸油泵、調(diào)節(jié)閥，中控/站控、PID自動(dòng)/手動(dòng)、就地/遠(yuǎn)控、新老系統(tǒng)切換應(yīng)實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。站場(chǎng)控制模式切換應(yīng)確保站場(chǎng)控制參數(shù)設(shè)定值保持不變。

為實(shí)現(xiàn)新、老系統(tǒng)無擾動(dòng)切換，主要需要考慮模擬量控制信號(hào)的輸出值及PID回路的設(shè)定值。開關(guān)量控制信號(hào)的切換，由于大部分都是脈沖信號(hào)控制，或者命令持續(xù)時(shí)間也較短，僅需考慮在系統(tǒng)切換前無相關(guān)操作、觀察兩套系統(tǒng)的DO輸出模塊中輸出通道無輸出即可。

為實(shí)現(xiàn)模擬量控制信號(hào)的無擾動(dòng)，以模擬量控制閥門為例，主要從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）受控設(shè)備就地、遠(yuǎn)控的無擾動(dòng)切換：就地狀態(tài)時(shí)，接受現(xiàn)場(chǎng)旋鈕操作控制，PLC閥位控制信號(hào)跟蹤實(shí)際閥門開度反饋信號(hào)；當(dāng)切換為遠(yuǎn)控時(shí)，PLC閥位控制輸出信號(hào)為實(shí)際閥門開度信號(hào)，閥門開度不變。

（2）受控設(shè)備手、自動(dòng)的無擾動(dòng)切換：手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，接受操作員站HMI下發(fā)開度控制，PLC閥位自動(dòng)控制信號(hào)跟蹤實(shí)際閥門開度反饋信號(hào)；當(dāng)切換為自動(dòng)時(shí)，PLC閥位控制輸出信號(hào)為實(shí)際閥門開度信號(hào)，閥門開度不變；自動(dòng)狀態(tài)下，HMI手動(dòng)開度控制信號(hào)跟蹤實(shí)際閥門開度反饋信號(hào)，當(dāng)切換為手動(dòng)時(shí)，HMI手動(dòng)開度控制信號(hào)為實(shí)際閥門開度信號(hào)，閥門開度不變。當(dāng)閥門處于遠(yuǎn)控、自動(dòng)模式時(shí)切換為就地狀態(tài)時(shí)，閥門控制模式自動(dòng)切換為手動(dòng)模式。

（3）站控/中心的無擾動(dòng)切換：站控模式下，中控跟蹤站控相應(yīng)設(shè)定值；中控模式下，站控跟蹤中心設(shè)定值。達(dá)到中心、站控切換的無擾動(dòng)切換。

（4）新、老PLC系統(tǒng)的切換：老系統(tǒng)控制時(shí)，新系統(tǒng)相應(yīng)控制模式自動(dòng)切換為手動(dòng)模式，閥位控制信號(hào)跟蹤實(shí)際閥門開度反饋信號(hào)。新系統(tǒng)控制時(shí)，老系統(tǒng)相應(yīng)控制模式自動(dòng)切換為手動(dòng)模式，閥位控制信號(hào)跟蹤實(shí)際閥門開度反饋信號(hào)。由于新、老系統(tǒng)間并無直接通信，新、老系統(tǒng)的設(shè)定值需人工同步。建議對(duì)相關(guān)設(shè)定值修改時(shí)，新老系統(tǒng)同時(shí)修改設(shè)定。在系統(tǒng)切換前，人工檢查相關(guān)設(shè)定值是否一致。

3　代表性及推廣價(jià)值

2023年9月5日，該項(xiàng)目在山東省分公司臨邑輸油站成功投運(yùn)。該成果的成功投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)外控制系統(tǒng)完全替代，解決了長(zhǎng)輸油氣管道控制系統(tǒng)的“卡脖子”問題。

3.1　技術(shù)示范

油氣管道全國(guó)產(chǎn)化PLC和RTU研制與應(yīng)用已于2023年9月在山東省分公司臨邑輸油站成功投運(yùn)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施過程中研發(fā)出多種新技術(shù)，已發(fā)表發(fā)明專利2項(xiàng)、實(shí)用新型專利2項(xiàng)、軟件著作權(quán)2項(xiàng)，發(fā)表相關(guān)論文3篇，申請(qǐng)管網(wǎng)集團(tuán)技術(shù)秘密1項(xiàng)，全國(guó)產(chǎn)PLC/RTU測(cè)試方案1套。

3.2　商業(yè)價(jià)值

數(shù)據(jù)顯示，近些年國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出了高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，而隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善，油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)也已經(jīng)逐漸發(fā)展了起來。根據(jù)中研網(wǎng)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)“十三五”到“十四五”期間，我國(guó)油氣管網(wǎng)主干道總投資將達(dá)到16,000億元，新建10多萬(wàn)公里管道。本項(xiàng)目將推動(dòng)國(guó)產(chǎn)化安全可控PLC及RTU產(chǎn)品技術(shù)水平的提升，提高油氣儲(chǔ)運(yùn)這一關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的安全，并實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化安全可控PLC及RTU產(chǎn)品在長(zhǎng)輸油氣管道行業(yè)的首臺(tái)套應(yīng)用，后期具備大規(guī)模推廣應(yīng)用空間。

3.3　社會(huì)價(jià)值

首套國(guó)產(chǎn)化PLC元器件100%國(guó)產(chǎn)化，使長(zhǎng)輸油氣管道控制系統(tǒng)真正做到自主創(chuàng)新、安全可靠，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，對(duì)國(guó)家管網(wǎng)加速推進(jìn)構(gòu)建“全國(guó)一張網(wǎng)”、促進(jìn)全面加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要積極的意義。

 摘自《自動(dòng)化博覽》2024年7月刊