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★中電智能科技有限公司

★國家管網集團東部原油儲運有限公司

1　方案目標和概述

為解決長輸油氣管道核心控制技術“卡脖子”的問題，提升長輸油氣管道控制系統自主可控水平，保障長輸油氣管道生產過程安全及信息安全，本項目基于現有的國產PLC軟硬件研究基礎，針對長輸油氣管道領域特定應用需求，對標國際主流產品，通過研究進口元器件全國產化替代與國產元器件性能優化選型、平臺自適應的安全可信技術、基于全國產硬件平臺的面向多任務控制的數據保護和運行控制技術、跨平臺編程軟件國產CPU編譯適配技術、面向多總線的統一模塊配置策略等，提出全國產PLC、RTU軟硬件架構，構建全國產PLC、RTU技術體系，形成基于國產芯片、控制軟件的PLC和RTU產品。

本項目使用的產品性能指標滿足國家管網需求，整體功能性能指標達到國內先進水平，在長輸油氣管道控制系統對進口產品進行全國產自主可控替代，實現現場應用，提升長輸油氣管道基礎設施的安全水平。

2　方案詳細介紹

（1）機柜安裝布線

現場控制柜的規格為：800mm寬×600mm深×2100mm高，顏色為灰色，統一為威圖標準柜。為了保證現場信號能同時順利地接入兩套控制系統，需將信號一分為二，信號一分為二分配器和切換的相應設備計劃裝于舊系統控制柜內。目前站場控制柜柜前面板與后面板均已裝滿設備，信號一分為二分配器和切換的相應設備只能裝在柜子側面，具體改造如圖1所示。

圖1 站場控制柜側面安裝圖

（2）采集信號分配

數字量輸入信號接線：現場1個數字量輸入信號需要同時接到2個控制系統，本方案2套控制系統的數字量輸入選用繼電器隔離，通過雙觸點繼電器實現信號分離，具體接線如圖2所示。

圖2 數字量輸入信號接線圖

模擬量輸入信號接線：現場1個模擬量輸入信號需要同時接到2個控制系統。本方案配置模擬量及RTD信號一進二出安全柵，將現場儀表信號分配為兩路輸出后分別接入原系統和國產化PLC系統，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）控制權限切換

數字量輸出信號接線：現場同1個設備在同一時間只能由1套PLC控制系統控制，為了更好地解決此問題，本方案2套控制系統的數字量輸出采用繼電器的方式來隔離信號輸出，接線如圖6所示。

圖6 數字量輸出信號接線圖

模擬量輸出信號接線：現場同1個設備在同一時間只能由1套PLC控制系統控制，為了更好地解決此問題，本方案2套控制系統的模擬量輸出采用繼電器切換回路的方式來隔離信號輸出，接線如圖7所示。

圖7 模擬量輸出信號接線圖

（4）新老系統無擾切換實現方式

新、老系統的控制權限切換，通過機柜門上的切換開關及切換開關所驅動的切換繼電器來實現?，F場設備控制信號接入PLC機柜內切換繼電器觸點公共端，老系統輸出信號接入繼電器的常閉觸點，新系統輸出信號接入繼電器的常開觸點。當控制權限為老系統控制時，繼電器不得電，現場控制信號與老系統輸出信號導通，接收老系統控制信號。切換為新系統控制時，切換開關驅動所有輸出信號的切換繼電器，切換繼電器線圈閉合后，觸點動作，現場設備控制信號與新系統輸出信號導通，接收新系統控制信號。

對于輸油泵、調節閥，中控/站控、PID自動/手動、就地/遠控、新老系統切換應實現無擾動切換。站場控制模式切換應確保站場控制參數設定值保持不變。

為實現新、老系統無擾動切換，主要需要考慮模擬量控制信號的輸出值及PID回路的設定值。開關量控制信號的切換，由于大部分都是脈沖信號控制，或者命令持續時間也較短，僅需考慮在系統切換前無相關操作、觀察兩套系統的DO輸出模塊中輸出通道無輸出即可。

為實現模擬量控制信號的無擾動，以模擬量控制閥門為例，主要從以下幾個方面考慮：

（1）受控設備就地、遠控的無擾動切換：就地狀態時，接受現場旋鈕操作控制，PLC閥位控制信號跟蹤實際閥門開度反饋信號；當切換為遠控時，PLC閥位控制輸出信號為實際閥門開度信號，閥門開度不變。

（2）受控設備手、自動的無擾動切換：手動狀態時，接受操作員站HMI下發開度控制，PLC閥位自動控制信號跟蹤實際閥門開度反饋信號；當切換為自動時，PLC閥位控制輸出信號為實際閥門開度信號，閥門開度不變；自動狀態下，HMI手動開度控制信號跟蹤實際閥門開度反饋信號，當切換為手動時，HMI手動開度控制信號為實際閥門開度信號，閥門開度不變。當閥門處于遠控、自動模式時切換為就地狀態時，閥門控制模式自動切換為手動模式。

（3）站控/中心的無擾動切換：站控模式下，中控跟蹤站控相應設定值；中控模式下，站控跟蹤中心設定值。達到中心、站控切換的無擾動切換。

（4）新、老PLC系統的切換：老系統控制時，新系統相應控制模式自動切換為手動模式，閥位控制信號跟蹤實際閥門開度反饋信號。新系統控制時，老系統相應控制模式自動切換為手動模式，閥位控制信號跟蹤實際閥門開度反饋信號。由于新、老系統間并無直接通信，新、老系統的設定值需人工同步。建議對相關設定值修改時，新老系統同時修改設定。在系統切換前，人工檢查相關設定值是否一致。

3　代表性及推廣價值

2023年9月5日，該項目在山東省分公司臨邑輸油站成功投運。該成果的成功投運，實現了國外控制系統完全替代，解決了長輸油氣管道控制系統的“卡脖子”問題。

3.1　技術示范

油氣管道全國產化PLC和RTU研制與應用已于2023年9月在山東省分公司臨邑輸油站成功投運，項目設計、實施過程中研發出多種新技術，已發表發明專利2項、實用新型專利2項、軟件著作權2項，發表相關論文3篇，申請管網集團技術秘密1項，全國產PLC/RTU測試方案1套。

3.2　商業價值

數據顯示，近些年國內經濟呈現出了高速發展的態勢，而隨著相關技術的不斷完善，油氣儲運行業也已經逐漸發展了起來。根據中研網數據，預計“十三五”到“十四五”期間，我國油氣管網主干道總投資將達到16,000億元，新建10多萬公里管道。本項目將推動國產化安全可控PLC及RTU產品技術水平的提升，提高油氣儲運這一關鍵基礎設施領域的安全，并實現國產化安全可控PLC及RTU產品在長輸油氣管道行業的首臺套應用，后期具備大規模推廣應用空間。

3.3　社會價值

首套國產化PLC元器件100%國產化，使長輸油氣管道控制系統真正做到自主創新、安全可靠，填補了國內空白，對國家管網加速推進構建“全國一張網”、促進全面加強基礎設施建設具有重要積極的意義。

 摘自《自動化博覽》2024年7月刊