基于PLC與PROFIBUS總線的油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

摘 要：為了保證油氣管道安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運行，文章設(shè)計了一種使用PROFIBUS現(xiàn)場總線構(gòu)建基于S7-400系列PLC的管道監(jiān)控系統(tǒng)，并從系統(tǒng)設(shè)計、控制組態(tài)軟件開發(fā)、監(jiān)控軟件開發(fā)三個方面論述了系統(tǒng)的組建過程。鑒于站場分散與管道運行管理的實際，本監(jiān)控系統(tǒng)采用集中監(jiān)測、分散控制的模式，現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線。在中石油蘭成渝成品油長輸管線中的應(yīng)用表明，系統(tǒng)能夠滿足油氣長輸管道現(xiàn)場參數(shù)多、位置分散，對信號實時性和抗干擾能力要求高等實際要求，大大節(jié)省了管道的維護(hù)成本，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：油氣管道；PROFIBUS；PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；現(xiàn)場總線

1 概述

原油燃?xì)夤艿酪坏┌l(fā)生泄漏、火災(zāi)甚至爆炸等事故，會造成輸送停止、油氣損失、污染周邊環(huán)境甚至人員傷亡等嚴(yán)重后果。長期以來，盡管有巡視員或維修工的定期巡查，但是仍不可能做到完全的巡檢，而且浪費大量的人力物力。因為管理上的缺陷，社會上一些不法分子猖狂盜竊集輸管線中的原油，原油泄漏事故頻有發(fā)生，再加上自然的因素，從而造成了不必要的重大財產(chǎn)損失。針對國內(nèi)油氣管線當(dāng)前現(xiàn)狀，我們急需一套完整的管道管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對原油燃?xì)廨斔瓦^程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析和上傳，實時跟蹤、監(jiān)控生產(chǎn)過程，進(jìn)而對輸送管道運營狀況進(jìn)行分析和診斷。

PROFIBUS現(xiàn)場總線是專門為自動控制系統(tǒng)與設(shè)備級分散I/O之間進(jìn)行通信而設(shè)計的，具有支持多主站，實時性強，可靠性高、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)的特點[1]。文章探討了一種基于PLC和PROFIBUS現(xiàn)場總線的油氣長輸管道監(jiān)控系統(tǒng)，并從系統(tǒng)設(shè)計、控制組態(tài)軟件開發(fā)、監(jiān)控軟件開發(fā)三個方面論述了具體的實現(xiàn)方法[1]。

2 PROFIBUS現(xiàn)場總線的技術(shù)特點

PROFIBUS是目前應(yīng)用最廣、最成熟的現(xiàn)場總線之一。它被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造自動化、流程控制自動化和交通電力現(xiàn)場監(jiān)控，它具備如下特點：

2.1 開放式

允許用戶在系統(tǒng)中集成自己的控制算法、工藝流程，使控制系統(tǒng)更加具備靈活性。

2.2 實時性

高達(dá)12Mb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸速率決定了PROFIBUS總線具有更高的實時性。

2.3 分散性

現(xiàn)場總線上各個節(jié)點的控制裝置和儀表、傳感器可就地構(gòu)成控制回路，而不再依賴于中控室，實現(xiàn)控制的分散性，使控制系統(tǒng)簡單化、實時化。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)分為兩級，采用“集中監(jiān)視、分散控制”的模式。第一級（上層監(jiān)控系統(tǒng)）為工程師站和操作員站，負(fù)責(zé)生產(chǎn)調(diào)度，監(jiān)控管道泵、閥門等設(shè)備運行狀態(tài)以及介質(zhì)的溫度、流量、壓力等參數(shù)。第二級（底層控制系統(tǒng)）包含I/O現(xiàn)場主控制站以及多個遠(yuǎn)程分布式I/O站，負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場信號采集、工程量變換，控制泵啟停和閥門開關(guān)，對管道運行狀態(tài)進(jìn)行實時診斷，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果傳送到工程師站和操作員站。

油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)的組成及配置

系統(tǒng)的上層監(jiān)控系統(tǒng)由1臺工程師站和3臺操作員站組成，其中工程師站配置CP5611網(wǎng)卡，以連接PLC MPI多點接口，并安裝STEP7軟件，使工程師站具備PG功能。工程師站負(fù)責(zé)硬件配置、測試、維護(hù)及操作診斷等；操作員站為監(jiān)控站，安裝WinCC監(jiān)控軟件，負(fù)責(zé)通信組態(tài)、報表生成與打印、過程參數(shù)顯示等。監(jiān)控計算機(jī)通過PLC監(jiān)控相應(yīng)設(shè)備，并實現(xiàn)設(shè)備啟?？刂啤⒙?lián)鎖及保護(hù)。上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是連接工程師站/操作員站與現(xiàn)場控制站節(jié)點的實時通信網(wǎng)絡(luò)，采用通信速率高、穩(wěn)定性強的MPI通信方式[2]。

底層控制系統(tǒng)由基于現(xiàn)場總線技術(shù)的主控制器及分布式I/O模塊組成，每個I/O模塊具有獨立的現(xiàn)場總線通信節(jié)點。其中，主控制器采用西門子S7-400系列的CPU414-2DP，CPU414-2DP上連接4個通信模塊CP441-2，每個通信模塊上連接多個智能設(shè)備及儀表。分布式I/O模塊選擇西門子ET200M，連接安裝在各工藝站場的工藝管線上的不帶有DP通信接口的儀表，用于工藝過程的監(jiān)控與站場安全的監(jiān)視。

3.3 現(xiàn)場主控制器和I/O模塊的地址設(shè)定

底層控制系統(tǒng)的現(xiàn)場主控制器和分布式I/O模塊通過主從方式通信，主控制器為PROFIBUS-DP主站，I/O模塊為I/O模塊從站。通信時每個總線節(jié)點必須設(shè)置一個PROFIBUS地址以在PROFIBUS-DP上實現(xiàn)唯一標(biāo)識。本現(xiàn)場主控制器的地址設(shè)定為2，通過軟件設(shè)定。將I/O模塊的前門打開后可以看到8個滑塊DIP撥碼開關(guān)，通過它們可以設(shè)定I/O模塊的PROFIBUS地址，允許的地址是1至125。最底部的開關(guān)不起作用，其余撥碼開關(guān)從下到上依次為第1～7位，ON為1，OFF為0，地址換算方法如下：

地址=20×k0+21×k1+22×k2+23×k3+24×k4+25×k5+26×k6（1）

式中：ki=1表示第i位的開關(guān)撥到ON位置；ki=0表示第i位的開關(guān)撥到OFF位置（i=0～6）。如地址為10，則k1、k3=1（ON）；k0、k2、k4、k5、k6=0（OFF）。

4 控制組態(tài)軟件開發(fā)

系統(tǒng)的控制組態(tài)軟件為西門子STEP7，STEP7中的梯形圖和語句表為PLC編程常用的編程語言，所有模塊的組態(tài)數(shù)據(jù)通過組態(tài)軟件向PLC下載。STEP7通過帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具來為PLC的所有模塊設(shè)置參數(shù)。CPU用智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯誤和模板更換等事件[2]。

在網(wǎng)絡(luò)連接好之后，使用STEP7對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)包括從站的硬件配置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置兩部分。為了滿足上層監(jiān)控軟件WinCC的需要和報表生成的設(shè)計要求，設(shè)計了相關(guān)的動態(tài)數(shù)據(jù)塊，既為上層監(jiān)視和控制提供了相應(yīng)的變量和狀態(tài)，也為報表系統(tǒng)提供了相關(guān)原始數(shù)據(jù)。在從站配置中，采用ET200M的IM-153帶模擬量和數(shù)字量的輸入輸出模塊連接現(xiàn)場設(shè)備，來采集溫度、壓力、流量等各種參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時，需要設(shè)置相應(yīng)的通信模塊CP441-2作為通信主站，同時設(shè)定它的PROFIBUS地址，通訊速率及MPI地址等參數(shù)[3]。組態(tài)完畢后，編譯無誤后，下載到PLC控制器中去，即完成了整個系統(tǒng)監(jiān)控層的硬件組態(tài)開發(fā)設(shè)計。

開發(fā)控制組態(tài)軟件時，采用結(jié)構(gòu)法編制控制程序，將復(fù)雜的自動化程序分解成可以反復(fù)使用的小程序塊，由相應(yīng)的程序塊來調(diào)用執(zhí)行。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備及生產(chǎn)工藝的特點，對溫度、壓力、流量等模擬量信號，編寫了采樣子程序、加權(quán)平均子程序和工程量變換等一系列子程序。

5 監(jiān)控軟件開發(fā)

上層監(jiān)控軟件由人機(jī)界面系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)組成，使用組態(tài)軟件WinCC進(jìn)行開發(fā)。WinCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息報警、過程參數(shù)歸檔以及可靠的數(shù)所管理功能[4]。

根據(jù)管道監(jiān)控的工藝要求和工作人員監(jiān)控需要，在WinCC中進(jìn)行圖形組態(tài)，提供系統(tǒng)動態(tài)流程的監(jiān)控畫面，設(shè)定各I/O設(shè)備的運行參數(shù)，用全局腳本生成C項目函數(shù)，并連接到PLC中需要被監(jiān)控的變量，以實現(xiàn)記錄、顯示、報表生成等功能。

通過監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，能夠直接監(jiān)視控制管道沿線各遠(yuǎn)控線路緊急截斷閥，向管道沿線各站下達(dá)壓力和流量設(shè)定值。當(dāng)出現(xiàn)管道泄露、發(fā)生威脅管道安全的水擊、沿線各站非正常關(guān)閉等事件時，通過監(jiān)控界面可立即觀察到事件的發(fā)生地點，并且系統(tǒng)會自動采取報警、歸檔、打印記錄和故障工況的聯(lián)鎖保護(hù)等措施。

6 結(jié)束語

根據(jù)油氣長輸管道現(xiàn)場參數(shù)多、位置分散，對信號實時性和抗干擾能力要求高等實際的要求，文章設(shè)計了一種基于PLC與PROFI

BUS總線技術(shù)的油氣管道監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)集中監(jiān)測、分散控制的功能，大大節(jié)省了管道的維護(hù)成本，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，此系統(tǒng)目前已在中國石油蘭-成-渝成品油長輸管線蘭州首站進(jìn)行實際應(yīng)用，效果良好。

參考文獻(xiàn)

[1]李正軍.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]李卓.基于Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)備組態(tài)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2006.

[4]楊路明，雷亞軍.組態(tài)軟件WinCC在自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算技術(shù)與自動化，2003（12）：21-24.

作者簡介：陳江（1979-），男，漢族，山東高密，單位：天津綠清管道科技股份有限公司，副經(jīng)理，工程師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械電子技術(shù)。

曲衛(wèi)冬（1979-），女，漢族，黑龍江北安，單位：國網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心，副教授，碩士研究生。