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1 概述
為了適應(yīng)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(jīng)長輸管線送至廠內(nèi)，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(shè)在馬鞭洲島上，末站設(shè)在廣州石化內(nèi)，中途設(shè)置兩個中間站，分別為新墟站和園洲站，管道口徑為DN600，設(shè)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(jìn)口及國內(nèi)原油。根據(jù)生產(chǎn)運行及管理的需要，管道自動化系統(tǒng)采用了以4C（Computer、Control、Communication、CRT）技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機(jī)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)。長輸管線和首末站的貯運系統(tǒng)及公用工程系統(tǒng)的監(jiān)視與控制由計算機(jī)來實現(xiàn)，現(xiàn)場信號采集和控制采用先進(jìn)的PLC來完成，系統(tǒng)顯示和控制及計算的人機(jī)界面由微機(jī)完成。全線各站設(shè)有站控，站與站互相通信，實現(xiàn)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(jīng)馬鞭洲首站、海底管線、陸上管線、新墟站、園洲站、末站再進(jìn)入廠內(nèi)原油罐區(qū)，其中兩個中間站（新墟站和園洲站）為二期建設(shè)項目?，F(xiàn)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(jīng)碼頭操作站輸送到首站罐區(qū)，罐區(qū)設(shè)有十二個五萬立方米油罐，油罐進(jìn)、出口閥門和碼頭操作閥門均采用ON/OFF電動球閥，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，油罐出油通過油泵升壓后再經(jīng)出站閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)經(jīng)海底、陸上管線送到未站，泵進(jìn)、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(diào)節(jié)用的電/液聯(lián)動球閥，以后還將增設(shè)油品計量站及加熱爐系統(tǒng)，對進(jìn)、出口油品進(jìn)行加溫計量，通過遠(yuǎn)程I/O方式接到SCADA系統(tǒng)。由于碼頭在島上，遠(yuǎn)離陸地，為滿足生產(chǎn)和生活的需要，首站設(shè)有自備電站、海水淡化系統(tǒng)、自動消防系統(tǒng)及水處理單元，這些設(shè)施均有獨立的監(jiān)控儀表，通過I/O方式接入SCADA系統(tǒng)。
原油經(jīng)長距離輸送進(jìn)入未站，經(jīng)進(jìn)站閥組后進(jìn)入原油罐區(qū)，在進(jìn)站管道上裝有壓力變送器及電/液聯(lián)動調(diào)節(jié)閥，壓力變送器的信號接入計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)壓力超限時發(fā)出報警，并通過計算機(jī)控制電/液聯(lián)動調(diào)節(jié)閥的開度，以起到控制進(jìn)站壓力和水擊保護(hù)的作用。另外，在管線旁路上裝有卸壓閥，當(dāng)進(jìn)站壓力超過1.0MPa時，卸壓閥自動打開，把原油泄進(jìn)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(jīng)過遠(yuǎn)傳I/O接入計算機(jī)，實現(xiàn)兩位式遙控。進(jìn)站原油通過油罐液位來計算。
3 系統(tǒng)構(gòu)成
SCADA系統(tǒng)由首站監(jiān)控系統(tǒng)和末站監(jiān)控系統(tǒng)以及通訊系統(tǒng)構(gòu)成。首站和末站通過撥號電話線進(jìn)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(tài)及其它工藝設(shè)備狀態(tài)，也傳送各種故障信息和操作參數(shù)，實現(xiàn)資源共享。首站監(jiān)控系統(tǒng)和末站監(jiān)控系統(tǒng)均分為計算機(jī)層和PLC層兩個層次。PLC層實現(xiàn)本地的數(shù)據(jù)采集和控制，計算機(jī)層實現(xiàn)各站點全局監(jiān)測和控制，計算機(jī)的工藝畫面、數(shù)據(jù)顯示、回路控制、工藝計算、報警報表、生產(chǎn)報表、歷史趨勢、統(tǒng)計報表由本地計算機(jī)來實現(xiàn)。PLC通過遠(yuǎn)程RIO與現(xiàn)場設(shè)備連接，RIO機(jī)柜與PIC實現(xiàn)通信線路雙線互備。PLC都是CPU和電源100%冗余備份。系統(tǒng)上的計算機(jī)都可以采集到每臺PLC的數(shù)據(jù)，并實時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PLC層與計算機(jī)層通過冗余A-B DH+（Data High-way Plus）網(wǎng)通訊。站內(nèi)計算機(jī)之間有對等聯(lián)網(wǎng)（Peer to Peer）的以太網(wǎng)通訊，計算機(jī)通過調(diào)制解調(diào)器再經(jīng)撥號電話線實現(xiàn)站與站之間的通訊。首站控制室有兩套PLC，分別為水系統(tǒng)和油系統(tǒng)，水系統(tǒng)包括海水淡化裝置、自動消防系統(tǒng)、氧化塘；油系統(tǒng)包括罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)、工藝管網(wǎng)、碼頭系統(tǒng)。自備電站作為獨立的子系統(tǒng)，配備有兩臺計算機(jī)，完成對本單元的監(jiān)控，并通過光纖接入首站控制室油系統(tǒng)。首站內(nèi)PC與電站PC只能互相監(jiān)測而不能控制?？刂剖覂?nèi)可以監(jiān)控各個子系統(tǒng)的工況。各子系統(tǒng)能獨立完成各自的監(jiān)控管理功能，通過標(biāo)準(zhǔn)接口接入SCADA系統(tǒng)。末站也有兩套PLC，其中一套用于末站配套原油罐區(qū)儀表監(jiān)控，另一套用于末站單元的監(jiān)控。系統(tǒng)組成分布圖如圖1所示。
圖1 SCADA系統(tǒng)組成分布圖
首站罐區(qū)設(shè)有一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)測油罐的溫度、液位等參數(shù)并報警，控制管線閥門的開關(guān)并顯示開關(guān)狀況。油罐液位的監(jiān)測采用兩套設(shè)備，一套為Saab公司的Rex 3900高精度計量級雷達(dá)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(dá)液位計的信號接入SCADA系統(tǒng)，HTG主要用于測量原油密度。
末站單元現(xiàn)場裝有八臺可燃?xì)怏w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(jìn)行檢測、報警。末站電動球閥在計算機(jī)上只能實現(xiàn)兩位式開關(guān)，但在現(xiàn)場手動則可任意控制其開度。原油罐區(qū)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(diào)節(jié)閥，操作人員根據(jù)油溫情況可在計算機(jī)上控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開關(guān)，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(guān)，直接裝于罐頂，避免了在罐上開孔的麻煩。原油罐區(qū)的液位測量現(xiàn)采用Saab公司的RTG3640雷達(dá)液位計。利用原有的浮船導(dǎo)向管實現(xiàn)在線安裝，該液位計采用FMCW（調(diào)頻連續(xù)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(shù)字信號，通過總線，連接到控制室內(nèi)的FCU2160通信單元，F(xiàn)CU有2個輸出口，一路連到雷達(dá)專用管理計算機(jī)，可對雷達(dá)進(jìn)行組態(tài)、調(diào)試和維護(hù)。一路通過專用MCM通信模塊聯(lián)接到PLC，完成數(shù)據(jù)的采集、記錄等。
原油罐區(qū)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(yīng)整個系統(tǒng)自動化監(jiān)控和中石化有關(guān)1萬立方米以上貯罐入口切斷閥必須與高高限報警聯(lián)鎖的安全要求，必須改為可遠(yuǎn)距離控制和監(jiān)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(shù)人員決定采用保留原有閥體，再加裝上帶回訊器的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案，實行兩位式調(diào)節(jié)，既簡單易行，又節(jié)省了大量資金。由于原油罐區(qū)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(diào)節(jié)閥，用氣量大，因此氣源壓13臺力的穩(wěn)定是氣動閥能否順暢開關(guān)的關(guān)鍵。為此在罐區(qū)壓縮風(fēng)管網(wǎng)上裝有電接點壓力表，對儀表空氣壓力進(jìn)行低限報警，提醒操作人員注意，從而構(gòu)成一個較為完善的自動監(jiān)控系統(tǒng)。
隨著生產(chǎn)的發(fā)展，為了加強對原油途輸損耗的監(jiān)控，已有計劃在末站增設(shè)一套原油計量設(shè)施，用刮板流量計計量入站原油流量，并通過計算機(jī)系統(tǒng)完成原油計量的數(shù)采、在線標(biāo)定、統(tǒng)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(yè)級PC，內(nèi)存32MB，硬盤1GB，配CD-ROM，顯示器為20英寸CRT，并配備打印機(jī)。首站共有七臺計算機(jī)，其中一臺用于罐區(qū)儀表監(jiān)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(jī)，三臺作為總控操作站，這三臺機(jī)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(tǒng)的可靠性。在經(jīng)理室另有一套計算機(jī)終端，通過撥號電話線與首站系統(tǒng)進(jìn)行通信。末站配有四臺Pentium機(jī)，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(tǒng)的可靠性，末站另有一臺486/66MHz PC機(jī)（1996年采購），硬盤500MB，內(nèi)存16MB，作為服務(wù)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(kuò)展模塊（1785-BEM）等，遠(yuǎn)程I/O箱包含有數(shù)字量輸入模塊、輸出模塊、雙向模擬量信號模塊、遠(yuǎn)程I/O接口模塊、PID模塊、電源模塊等，均裝在16槽機(jī)架內(nèi)。PLC主控制器出現(xiàn)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(nèi)，一套置于末站現(xiàn)場機(jī)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(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制，可靠性高，能滿足生產(chǎn)的要求。PLC的應(yīng)用，增強了系統(tǒng)控制的靈活性及可靠性，提高了整個系統(tǒng)的性能。首、末站配置圖如圖2、3所示。
4.2 軟件
本系統(tǒng)中的軟件包含有實時運行軟件、TCP/IP通信軟件、NetDDE軟件、應(yīng)用軟件包、數(shù)據(jù)軟件包等。主體工業(yè)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(qū)動結(jié)構(gòu)，先進(jìn)的指令系統(tǒng)，包括計時器和計算器、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、診斷、比較、數(shù)據(jù)傳數(shù)、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(xiàn)高效可靠的執(zhí)行控制及數(shù)據(jù)交換，可使PLC-5/40控制器滿足管道控制的各種要求。計算機(jī)實時數(shù)據(jù)庫和PLC控制器由1784-KT DRIVER實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換。人機(jī)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(yīng)于DCS、PLC的人機(jī)界面的制作，本系統(tǒng)所有操作畫面均由INTOUCH制作完成，其中操作流程32幅，明細(xì)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(dāng)快捷，操作站具有窗口功能，操作起來相當(dāng)簡便。
5 系統(tǒng)功能
輸油生產(chǎn)過程的控制、保護(hù)、操作由首、末控制站完成，各站獨立完成本站的全部監(jiān)測、調(diào)節(jié)、控制功能，包括溫度、壓力、流量、液位的檢測、監(jiān)視、PID調(diào)節(jié)、各種閥門的開關(guān)控制、各種設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)視等。操作人員可在控制室內(nèi)對本站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、觀測、記錄各種運行參數(shù)和趨勢，并可監(jiān)視另一站的操作數(shù)據(jù)和狀態(tài)，首末站各負(fù)其責(zé)，并通過電話網(wǎng)和站內(nèi)的DH+網(wǎng)互相通信，實現(xiàn)資源共享，滿足輸油管道生產(chǎn)的要求。
5.1 數(shù)據(jù)采集及處理
各站控PLC 實時采集反映本站生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，如溫度、液位、壓力、流量及閥門狀態(tài)等的電量信號，經(jīng)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(jìn)油量、送油量、每班總的進(jìn)油和發(fā)油量的計算，形成生產(chǎn)報表。
5.2 操作與組態(tài)功能
每個操作終端都可以對本站的參數(shù)進(jìn)行顯示和控制，完成各種操作：如選擇畫面、控制方式，修改設(shè)定值、開/關(guān)設(shè)備、選擇報警組、報警確認(rèn)/復(fù)位、打印屏幕、指定/選擇趨勢記憶和報表，并可監(jiān)視另一站的工況。系統(tǒng)設(shè)計有操作員記名和口令詢問措施，并將其操作開始和結(jié)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(jìn)行組態(tài)。如：設(shè)定過程變量的零點、量程及報警限；控制回路組態(tài)；建立實時和歷史數(shù)據(jù)庫；建立顯示畫面；建立報表；程序編輯和編譯；組態(tài)在線修改；過程變量監(jiān)視；顯示和修改所有參數(shù)。
5.3 水擊保持
首站出站和末站進(jìn)站管線均設(shè)置電/液調(diào)節(jié)閥和壓變送器，通過計算機(jī)完成PID回路調(diào)節(jié)，自動調(diào)節(jié)閥門開度，保持進(jìn)、出站壓力的穩(wěn)定，避免產(chǎn)生水擊波。但在實際投用時，由于到貨壓力調(diào)節(jié)閥無4~20mA輸入信號控制功能，無法實現(xiàn)PID回路調(diào)節(jié)，因此改為步進(jìn)式非線性方式，通過軟件模擬實現(xiàn)，根據(jù)壓力變化來控制閥門。在末站設(shè)置高壓泄壓閥，作為管線壓力超限的最后一級保護(hù)。
5.4 通信
(1) 首、末站之間通過撥號電話線進(jìn)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(jìn)行通信
(2) 計算機(jī)之間采用對等聯(lián)網(wǎng)的以太網(wǎng)通訊，通訊協(xié)議為TCP/IP。
(3) 站內(nèi)PLC層與工作站層通過冗余 DH+網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為57.6Kbps，最大傳輸距離3044 m。
(4) 雷達(dá)液位計和PLC通過FCU2160通信單元和MCM-3100通訊接口模塊實現(xiàn)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(fā)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(nèi)）。FCU采集的雷達(dá)液位計數(shù)據(jù)，存放在FCU的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，MCM模塊讀取FCU的數(shù)據(jù)存放在自己的數(shù)據(jù)區(qū)后，通過塊傳送接令送到PLC的數(shù)據(jù)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(shù)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(diào)出各畫面。工藝流程圖上的設(shè)備是動態(tài)的，其顏色隨操作條件的改變而變化（紅色為關(guān)，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(shù)超限將使數(shù)據(jù)顏色變紅以示報警。觸動有關(guān)設(shè)備的選擇塊可調(diào)出該設(shè)備的操作畫面，操作畫面可完成選罐狀態(tài)及油品名稱，開、關(guān)閥門，修改設(shè)定值等操作，畫面能顯示出命令狀態(tài)和實際狀態(tài)；回路參數(shù)畫面顯示任一指定點的全部信息，如變量值、設(shè)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(shù)的變化曲線；無論在哪種畫面下只要出現(xiàn)報警信息（包括設(shè)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(shè)備信號、報警值、限制值、事件類型、操作員、開始和恢復(fù)正常的日期和時間等。操作事件為藍(lán)色，報警為紅色，確認(rèn)后變黃色，恢復(fù)正常為綠色。計算機(jī)強有力的畫面功能對于監(jiān)視生產(chǎn)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(jī)可實時打印出報警、設(shè)備的啟/停、閥門的開/關(guān)、設(shè)定值的改變等信息，可隨機(jī)打印實時數(shù)據(jù)報表，定時打印各種生產(chǎn)報表、報警一覽表、事件一覽表等。
6 系統(tǒng)改進(jìn)建議
(1) 利用系統(tǒng)先進(jìn)的控制功能，實現(xiàn)順序控制，自動控制正常收發(fā)油系統(tǒng)及收發(fā)球系統(tǒng)管道上的閥門切換，通過計算機(jī)程序計算的方法，推算出相對準(zhǔn)確的混油界面段到達(dá)末站的時間，自動控制順序輸送的兩種不同性質(zhì)原油的閥門切換。
(2) 把油品加溫改為兩位式控制，根據(jù)油罐的溫度自動控制蒸汽閥的開關(guān)，油溫低于貯存低限時開閥，高于高限時關(guān)閥，從而使油溫保持在一個衡定的范圍內(nèi)。操作人員可在線修改溫度控制范圍，以適應(yīng)不同油品不同貯存溫度的要求，并通過計算機(jī)自動計算加溫時間。
(3) 把原油罐區(qū)的自動脫水儀接入SCADA系統(tǒng)，進(jìn)行集中監(jiān)控，并自動記錄脫水時間。
7 結(jié)語
馬鞭洲―廣州石化長輸管線SCADA系統(tǒng)的主要設(shè)備選用國外先進(jìn)產(chǎn)品。利用廣州石化的技術(shù)力量完成系統(tǒng)組態(tài)和現(xiàn)場調(diào)試投用，用較少的投資實現(xiàn)了系統(tǒng)豐富的功能，使系統(tǒng)具有較高的性能價格比。它大大提高了整個輸油和罐區(qū)系統(tǒng)的自動化水平，從1997年投用至今，運行穩(wěn)定、可靠，它先進(jìn)的監(jiān)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