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1    項目背景介紹

國家管網集團負責全國原油、天然氣、成品油干線管網及儲氣調峰等基礎設施的建設和運營，業務體量大。輸油管道現役控制系統大量選用國外進口PLC、RTU產品搭建，面臨一定的安全風險。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，由中電智能科技有限公司聯合國家管網集團東部原油儲運有限公司科技研發中心，基于現有的國產PLC硬件基礎，針對長輸油氣管道領域特定應用需求，研制基于國產芯片、控制軟件的全國產化PLC和RTU產品，并在國家管網集團開展現場應用。

2    項目目標與原則

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，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。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，有效解決長輸油氣管道安全生產需求、控制系統自主可控及網絡安全防護需求，提升長輸油氣管道基礎設施的安全水平。

3      項目實施與應用

本項目主要內容包括5部分：全國產化PLC研制、全國產化RTU研制、全國產化編程軟件開發、全國產化PLC和RTU安裝集成設計、全國產化控制系統 (PLC/RTU)在長輸油氣管道行業的現場應用。

3.1全國產化可編程邏輯控制器（PLC）研制

全國產化PLC包含電源模塊、主控制器模塊、電通信模塊、光通信模塊、輸入輸出(IO)模塊、Modbus網關模塊、高速計數器模塊、脈沖調制輸出模塊、RTD模塊等，PLC系統架構如圖1所示：

圖1 PLC系統框架圖

本項目在已有超御IL40 PLC的基礎上，針對PLC在長輸油氣管道行業應用特點，分別研究進口元器件國產化替代方案、基于全國產軟硬件平臺的 PLC 軟硬件架構技術、故障診斷及冗余技術可信計算技術、功能安全與信息安全融合技術、基于國產軟硬件平臺面向多任務控制的數據保護和運行控制技術、基于現場總線的故障自診斷技術、面向多總線的統一模塊配置策略等，提出基于國產處理器的軟硬件架構，形成全國產化PLC產品。

3.2全國產化遠程控制終端(RTU)研制

全國產RTU主要包含電源模塊、主控制模塊、IO模塊、Modbus網關模塊等，RTU系統架構如圖2所示。

圖2 RTU系統框架圖

本項目在目前超御PLC的技術基礎上，針對RTU在長輸油氣管道行業應用特點，設計全國產化RTU軟硬件架構方案，研究基于全國產軟硬件平臺的RTU軟硬件架構技術、故障診斷及安全輸出技術、面向多任務控制的數據保護和運行控制技術、面向多總線的統一模塊配置策略等，進行全國產化硬件結構與原理設計，自主研發RTU嵌入式軟件，形成面向全國產化RTU產品，包括主控制器模塊、開關量輸入模塊、繼電器型開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、Modbus通信模塊(RS485接口)等。

3.3全國產化編程軟件開發

全國產化編程軟件作為PLC和RTU的編程工具，運行在上位機工程師站。軟件支持跨Wintel平臺與國產計算機平臺，符合IEC61131-3標準。基于自主可控架構(如飛騰+麒麟)，面向長輸油氣管道全國產PLC、RTU編程編譯需求，完成本項目研制的全國產PLC、RTU模塊的硬件配置功能。通過研究平臺自適應的安全可信編程編譯技術，實現從編程編譯環境啟動、對外交互、用戶組態到控制邏輯編譯、下載的編譯全過程安全防護。通過研究跨平臺編程軟件國產CPU編譯適配技術，采用可跨平臺的工業語言編程編譯工具鏈，設計獨有的工業控制語言編譯目標文件、鏈接加載文件、編譯器、鏈接器、調試器及調試技術，實現自主可控 PLC 的多目標平臺的編程編譯支持。

油氣管道全國產化PLC和RTU，核心設備采用飛騰CPU、麒麟OS、華大半導體MCU等100%國產化軟硬件設計，具備全自主、高可靠、強安全的特點。

3.4全國產化PLC和RTU安裝集成設計

為保證系統安全運行，本項目采用新、老系統并列運行，在工控行業首次實施：

?  控制系統的數字量輸入采集模塊均選用漏型直流24V模塊；

?  模擬量量輸入采集模塊均選用4-20mA四線制接法，用一進兩出信號分離器處理；

?  控制權限切換，采用供電通斷方式來實現。

 圖3 新老系統并行示意圖 

圖4 全國產化PLC和RTU系統架構圖

在工程實施中，電子元器件的安裝、信號的分為、控制無擾切換等是首次實施，對整個團隊是比較大的考驗。

3.4.1機柜設備安裝及布線

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的接入2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智能裝在柜子側面，具體改造如圖5、圖6所示。

圖5 現場布局安裝圖           

    圖6 全國產化PLC和RTU系統現場安裝照

3.4.2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，本項目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7所示。

圖7 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。本項目配置模擬量及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8所示。

圖8 模擬量輸入信號接線圖

3.4.3 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，為了更好的解決此問題，本項目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9。

圖9 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，為了更好的解決此問題，本項目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10所示。

  圖10 摸擬量輸出信號接線圖

3.4.4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。現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2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：

?  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；

?  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。

?  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。

?  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。

3.5全國產化控制系統(PLC/RTU)在長輸油氣管道行業的現場應用

2023年11月，首套全國產PLC和RTU設備分別在國家管網集團山東省分公司臨濟復線臨邑站和黃河南遠控閥室正式投入運行，下一步，還將在成品油、天然氣管道中投入運行，以提升我國長輸油氣管道基礎設施安全水平，保障國家能源安全。

3.6項目創新性

3.6.1技術創新

項目對標國外主流產品，突破了面向多目標平臺的異構融合編程編譯技術、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運行控制技術、跨平臺編程軟件國產CPU編譯適配技術等關鍵核心技術，提出全國產PLC、RTU軟硬件架構，形成全國產PLC與RTU產品，產品達到管道應用領域國內先進水平，優于國家可編程邏輯控制器標準。

3.6.2應用創新 

根據國家管網臨濟復線臨邑站現場實際需求，采用全國產架構以及新老系統并行運行的應用方案，開展現場應用。系統核心芯片、操作系統、開發環境、編譯器等實現了全國產化替代，作為全國產PLC/RTU產品在長輸油氣管網領域的首次應用，解決了油氣管道行業控制系統“卡脖子”問題，為油氣管道行業設備國產化研制提供了經驗，為油氣管道現場應用推廣實施打下了基礎。

4      效益分析

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16000億元，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。

本項目的成功實施，對國家管網集團加速推進構建“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；標志著我國能源行業再度突破一項關鍵核心技術，成功填補國內空白，實現油氣管道傳輸控制系統自主可控、安全可靠，扭轉長輸油氣管道控制系統長期依賴進口的局面，保障國家能源安全。