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1 概述
為了適應把中國石化股份有限公司廣州分公司（以下簡稱為廣州石化）建成千萬噸級煉油廠的要求，消除原油貯運“瓶頸”的限制，廣州石化在惠州大亞灣馬鞭洲島建成了一個十五萬噸級的深水碼頭。原油從大碼頭經長輸管線送至廠內，整條管線全長一百七十三公里，包括十公里海底管線和一百六十三公里陸上管線。輸油工程的首站設在馬鞭洲島上，末站設在廣州石化內，中途設置兩個中間站，分別為新墟站和園洲站，管道口徑為DN600，設計能力為每年一千二百萬噸。采用泵到泵密閉輸油工藝，單管輸送各種進口及國內原油。根據生產運行及管理的需要，管道自動化系統采用了以4C（Computer、Control、Communication、CRT）技術為基礎的計算機監控及數據采集（SCADA）系統。長輸管線和首末站的貯運系統及公用工程系統的監視與控制由計算機來實現，現場信號采集和控制采用先進的PLC來完成，系統顯示和控制及計算的人機界面由微機完成。全線各站設有站控，站與站互相通信，實現資源共享。
2 工藝工程簡介
馬鞭洲―廣州石化輸油管道所輸原油依靠船舶運輸，原油經馬鞭洲首站、海底管線、陸上管線、新墟站、園洲站、末站再進入廠內原油罐區，其中兩個中間站（新墟站和園洲站）為二期建設項目。現在原油從首站直接送到末站。首站來油由油輪送到碼頭，然后用油泵經碼頭操作站輸送到首站罐區，罐區設有十二個五萬立方米油罐，油罐進、出口閥門和碼頭操作閥門均采用ON/OFF電動球閥，可實現遠距離監控，油罐出油通過油泵升壓后再經出站閥進行壓力調節經海底、陸上管線送到未站，泵進、出口裝有可遙控的氣動閥，出站裝有輸量及出站壓力自動調節用的電/液聯動球閥，以后還將增設油品計量站及加熱爐系統，對進、出口油品進行加溫計量，通過遠程I/O方式接到SCADA系統。由于碼頭在島上，遠離陸地，為滿足生產和生活的需要，首站設有自備電站、海水淡化系統、自動消防系統及水處理單元，這些設施均有獨立的監控儀表，通過I/O方式接入SCADA系統。
原油經長距離輸送進入未站，經進站閥組后進入原油罐區，在進站管道上裝有壓力變送器及電/液聯動調節閥，壓力變送器的信號接入計算機進行監控，當壓力超限時發出報警，并通過計算機控制電/液聯動調節閥的開度，以起到控制進站壓力和水擊保護的作用。另外，在管線旁路上裝有卸壓閥，當進站壓力超過1.0MPa時，卸壓閥自動打開，把原油泄進泄壓罐，確保管線的安全。末站的其余閥門均為電動球閥，它們的控制及閥位回訊信號經過遠傳I/O接入計算機，實現兩位式遙控。進站原油通過油罐液位來計算。
3 系統構成
SCADA系統由首站監控系統和末站監控系統以及通訊系統構成。首站和末站通過撥號電話線進行通信，每隔半小時自動撥號一次，每次五分鐘，傳送溫度、壓力、液位、閥門狀態及其它工藝設備狀態，也傳送各種故障信息和操作參數，實現資源共享。首站監控系統和末站監控系統均分為計算機層和PLC層兩個層次。PLC層實現本地的數據采集和控制，計算機層實現各站點全局監測和控制，計算機的工藝畫面、數據顯示、回路控制、工藝計算、報警報表、生產報表、歷史趨勢、統計報表由本地計算機來實現。PLC通過遠程RIO與現場設備連接，RIO機柜與PIC實現通信線路雙線互備。PLC都是CPU和電源100%冗余備份。系統上的計算機都可以采集到每臺PLC的數據，并實時進行數據交換。PLC層與計算機層通過冗余A-B DH+（Data High-way Plus）網通訊。站內計算機之間有對等聯網（Peer to Peer）的以太網通訊，計算機通過調制解調器再經撥號電話線實現站與站之間的通訊。首站控制室有兩套PLC，分別為水系統和油系統，水系統包括海水淡化裝置、自動消防系統、氧化塘；油系統包括罐區監控系統、工藝管網、碼頭系統。自備電站作為獨立的子系統，配備有兩臺計算機，完成對本單元的監控，并通過光纖接入首站控制室油系統。首站內PC與電站PC只能互相監測而不能控制。控制室內可以監控各個子系統的工況。各子系統能獨立完成各自的監控管理功能，通過標準接口接入SCADA系統。末站也有兩套PLC，其中一套用于末站配套原油罐區儀表監控，另一套用于末站單元的監控。系統組成分布圖如圖1所示。
圖1 SCADA系統組成分布圖
首站罐區設有一套數據采集系統，監測油罐的溫度、液位等參數并報警，控制管線閥門的開關并顯示開關狀況。油罐液位的監測采用兩套設備，一套為Saab公司的Rex 3900高精度計量級雷達液位計（接入多點溫度計信號），另一套為羅斯蒙特的靜壓液位計HTG。其中雷達液位計的信號接入SCADA系統，HTG主要用于測量原油密度。
末站單元現場裝有八臺可燃氣體報警器，管線上裝壓力變送器和溫度變送器，可對入站油品的溫度、壓力進行檢測、報警。末站電動球閥在計算機上只能實現兩位式開關，但在現場手動則可任意控制其開度。原油罐區的溫度測量采用444溫度變送器，在每個油罐的伴熱蒸汽總線上裝有氣動薄膜調節閥，操作人員根據油溫情況可在計算機上控制蒸汽調節閥的開關，從而控制油罐溫度。液位的高限、高高限報警選用全天候密封行程開關，直接裝于罐頂，避免了在罐上開孔的麻煩。原油罐區的液位測量現采用Saab公司的RTG3640雷達液位計。利用原有的浮船導向管實現在線安裝，該液位計采用FMCW（調頻連續波）的方法，可精確測量油罐的液位（精度±3mm）。同時，集成溫度信號后，輸出TRL/2數字信號，通過總線，連接到控制室內的FCU2160通信單元，FCU有2個輸出口，一路連到雷達專用管理計算機，可對雷達進行組態、調試和維護。一路通過專用MCM通信模塊聯接到PLC，完成數據的采集、記錄等。
原油罐區新增管線上的閥門采用氣動快速切斷閥，而原有管線上的39臺閥門均為手動閘閥，不適應整個系統自動化監控和中石化有關1萬立方米以上貯罐入口切斷閥必須與高高限報警聯鎖的安全要求，必須改為可遠距離控制和監測的自動閥。為了避免要油罐停止使用和管線吹掃的困難，必須在線改造。通過充分研討，技術人員決定采用保留原有閥體，再加裝上帶回訊器的氣動執行機構的方案，實行兩位式調節，既簡單易行，又節省了大量資金。由于原油罐區共有65臺大口徑氣動閘閥（39臺DN400，13臺DN500，13臺DN350）和26臺氣動調節閥，用氣量大，因此氣源壓13臺力的穩定是氣動閥能否順暢開關的關鍵。為此在罐區壓縮風管網上裝有電接點壓力表，對儀表空氣壓力進行低限報警，提醒操作人員注意，從而構成一個較為完善的自動監控系統。
隨著生產的發展，為了加強對原油途輸損耗的監控，已有計劃在末站增設一套原油計量設施，用刮板流量計計量入站原油流量，并通過計算機系統完成原油計量的數采、在線標定、統計、報表等功能。
圖2 首站配置圖
4 硬件及軟件的配置
4.1 硬件
(1) 各站控的工作站采用Pentium/100MHz工業級PC，內存32MB，硬盤1GB，配CD-ROM，顯示器為20英寸CRT，并配備打印機。首站共有七臺計算機，其中一臺用于罐區儀表監控，兩臺配置在電站室作為電站操作臺，一臺配置成工程師管理機，三臺作為總控操作站，這三臺機完全平行，等級一樣，都可以得到所有PLC的信息，提高了操作系統的可靠性。在經理室另有一套計算機終端，通過撥號電話線與首站系統進行通信。末站配有四臺Pentium機，其中一臺為工程師操作站，三臺配置成操作員操作站，它們是完全平行的，在功能上互相冗余，提高操作系統的可靠性，末站另有一臺486/66MHz PC機（1996年采購），硬盤500MB，內存16MB，作為服務器使用。
圖3 末站配置圖
(2) 站控的控制單元采用美國羅克韋爾自動化公司的PLC-5/40可編程控制器。含有冗余CPU及電源模塊（1771-P6s）、通信模塊（1785-BCM）、擴展模塊（1785-BEM）等，遠程I/O箱包含有數字量輸入模塊、輸出模塊、雙向模擬量信號模塊、遠程I/O接口模塊、PID模塊、電源模塊等，均裝在16槽機架內。PLC主控制器出現故障時，后備控制器自動投用，保證不間斷控制。首站兩套PLC均安裝于主控室，末站PLC一套置于控制室內，一套置于末站現場機房。由于該PLC功能強，具有靈活的集散控制功能和完善的上位通訊功能，能實現遠程I/O控制，可靠性高，能滿足生產的要求。PLC的應用，增強了系統控制的靈活性及可靠性，提高了整個系統的性能。首、末站配置圖如圖2、3所示。
4.2 軟件
本系統中的軟件包含有實時運行軟件、TCP/IP通信軟件、NetDDE軟件、應用軟件包、數據軟件包等。主體工業控制軟件為羅克韋爾自動化公司的Logic5，該軟件具有靈活的菜單驅動結構，先進的指令系統，包括計時器和計算器、算術運算、數據轉換、診斷、比較、數據傳數、順序器、立即I/O、PID 控制等。利用該軟件豐富的指令功能，能對PLC控制器實現高效可靠的執行控制及數據交換，可使PLC-5/40控制器滿足管道控制的各種要求。計算機實時數據庫和PLC控制器由1784-KT DRIVER實現實時數據交換。人機界面軟件為Wonderware公司的INTOUCH5.6，該軟件操作簡單，使用方便，特別適應于DCS、PLC的人機界面的制作，本系統所有操作畫面均由INTOUCH制作完成，其中操作流程32幅，明細圖19幅，操作彈出窗口13幅，輔助窗口9幅。INTOUCH軟件運行在中文Windows 95平臺上，由于Windows 95具有高效的用戶界面，程序定位與啟動相當快捷，操作站具有窗口功能，操作起來相當簡便。
5 系統功能
輸油生產過程的控制、保護、操作由首、末控制站完成，各站獨立完成本站的全部監測、調節、控制功能，包括溫度、壓力、流量、液位的檢測、監視、PID調節、各種閥門的開關控制、各種設備運行狀態的監視等。操作人員可在控制室內對本站設備進行監控、觀測、記錄各種運行參數和趨勢，并可監視另一站的操作數據和狀態，首末站各負其責，并通過電話網和站內的DH+網互相通信，實現資源共享，滿足輸油管道生產的要求。
5.1 數據采集及處理
各站控PLC 實時采集反映本站生產過程的各種參數，如溫度、液位、壓力、流量及閥門狀態等的電量信號，經單位換算、運算處理后作為控制、顯示信息供PLC及工作站使用。首末站可完成油罐進油量、送油量、每班總的進油和發油量的計算，形成生產報表。
5.2 操作與組態功能
每個操作終端都可以對本站的參數進行顯示和控制，完成各種操作：如選擇畫面、控制方式，修改設定值、開/關設備、選擇報警組、報警確認/復位、打印屏幕、指定/選擇趨勢記憶和報表，并可監視另一站的工況。系統設計有操作員記名和口令詢問措施，并將其操作開始和結束時間、操作動作記錄存檔，最長能保留一個月。工程師通過密碼可在任一終端上對本站進行組態。如：設定過程變量的零點、量程及報警限；控制回路組態；建立實時和歷史數據庫；建立顯示畫面；建立報表；程序編輯和編譯；組態在線修改；過程變量監視；顯示和修改所有參數。
5.3 水擊保持
首站出站和末站進站管線均設置電/液調節閥和壓變送器，通過計算機完成PID回路調節，自動調節閥門開度，保持進、出站壓力的穩定，避免產生水擊波。但在實際投用時，由于到貨壓力調節閥無4~20mA輸入信號控制功能，無法實現PID回路調節，因此改為步進式非線性方式，通過軟件模擬實現，根據壓力變化來控制閥門。在末站設置高壓泄壓閥，作為管線壓力超限的最后一級保護。
5.4 通信
(1) 首、末站之間通過撥號電話線進行通信，每半小時自動撥號一次，每次5分鐘，如圖4所示。
圖4 首、末站之間通過撥號電話線進行通信
(2) 計算機之間采用對等聯網的以太網通訊，通訊協議為TCP/IP。
(3) 站內PLC層與工作站層通過冗余 DH+網通信，數據傳輸速率為57.6Kbps，最大傳輸距離3044 m。
(4) 雷達液位計和PLC通過FCU2160通信單元和MCM-3100通訊接口模塊實現通訊。MCM-3100是Prosoft公司專門為羅克韋爾自動化公司1771平臺開發的Modbus通信接口模塊，支持PLC-5等系列處理器（安裝在1771框架內）。FCU采集的雷達液位計數據，存放在FCU的數據緩沖區中，MCM模塊讀取FCU的數據存放在自己的數據區后，通過塊傳送接令送到PLC的數據表中。示意圖如圖5所示。
圖5 示意圖
5.5 畫面顯示
在工作站的大屏幕彩顯上可顯示各種畫面，如概況圖、流程圖畫面、操作畫面、回路參數畫面、趨勢曲線畫面、報警匯總畫面等，通過主菜單或各畫面的軟功能鍵，操作員可方便地調出各畫面。工藝流程圖上的設備是動態的，其顏色隨操作條件的改變而變化（紅色為關，綠色為開，黃色為故障）。PLC采集的信號實時地顯示在畫面上，參數超限將使數據顏色變紅以示報警。觸動有關設備的選擇塊可調出該設備的操作畫面，操作畫面可完成選罐狀態及油品名稱，開、關閥門，修改設定值等操作，畫面能顯示出命令狀態和實際狀態；回路參數畫面顯示任一指定點的全部信息，如變量值、設定值、操作方式、報警限等，并可在線修改；趨勢畫面有實時趨勢和歷史趨勢，在一個畫面上用不同的顏色和時間間隔，顯示多個變量趨勢，通過該畫面，操作及管理人員可形象地了解參數的變化曲線；無論在哪種畫面下只要出現報警信息（包括設備故障報警和工藝過程報警）或操作信息，均可在屏幕下方即時顯示出來，報警總畫面包括全部的報警點，并按時間順序列出最近一個月的報警，包括設備信號、報警值、限制值、事件類型、操作員、開始和恢復正常的日期和時間等。操作事件為藍色，報警為紅色，確認后變黃色，恢復正常為綠色。計算機強有力的畫面功能對于監視生產過程，保證安全輸油，完成各種操作是十分方便和有利的。
5.6 報表和事件打印
各站打印機可實時打印出報警、設備的啟/停、閥門的開/關、設定值的改變等信息，可隨機打印實時數據報表，定時打印各種生產報表、報警一覽表、事件一覽表等。
6 系統改進建議
(1) 利用系統先進的控制功能，實現順序控制，自動控制正常收發油系統及收發球系統管道上的閥門切換，通過計算機程序計算的方法，推算出相對準確的混油界面段到達末站的時間，自動控制順序輸送的兩種不同性質原油的閥門切換。
(2) 把油品加溫改為兩位式控制，根據油罐的溫度自動控制蒸汽閥的開關，油溫低于貯存低限時開閥，高于高限時關閥，從而使油溫保持在一個衡定的范圍內。操作人員可在線修改溫度控制范圍，以適應不同油品不同貯存溫度的要求，并通過計算機自動計算加溫時間。
(3) 把原油罐區的自動脫水儀接入SCADA系統，進行集中監控，并自動記錄脫水時間。
7 結語
馬鞭洲―廣州石化長輸管線SCADA系統的主要設備選用國外先進產品。利用廣州石化的技術力量完成系統組態和現場調試投用，用較少的投資實現了系統豐富的功能，使系統具有較高的性能價格比。它大大提高了整個輸油和罐區系統的自動化水平，從1997年投用至今，運行穩定、可靠，它先進的監控功能是安全、通暢輸油的有力保障。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號