王樹祺　魏亮　葉恒　滕然

摘要：管道輸送是天然氣運輸中最重要的運輸方式，相比于其他的運輸方式，管道運輸不但可以實現(xiàn)天然氣的遠距離運輸，同時還具有運輸成本低、安全性高的優(yōu)點。在目前的天然氣的管道輸送中，自動化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。PLC/RTU技術(shù)在工業(yè)控制中有著很高的穩(wěn)定性和有效性，可以有效地提高天然氣的輸送效率。本文闡述了基于PLC/RTU技術(shù)在天然氣管道輸送中的應(yīng)用，期待能夠起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：PLC/RTU；天然氣；管道輸送；應(yīng)用研究

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）27-0244-03

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及工業(yè)化進程的不斷完善，工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中對于能源的需求也越來越迫切。同石油、煤炭等能源相比，天然氣具有經(jīng)濟、安全、環(huán)保等優(yōu)點。在天然氣的輸送中，采用傳統(tǒng)的公路、鐵路方式難以實現(xiàn)高效率的輸送，采用管道輸送的方式可以很好地解決這個問題。管道輸送天然氣可以實現(xiàn)天然氣的遠距離不間斷運輸，同時還可以很好地適應(yīng)天然氣易流動可壓縮的屬性，具有運輸成本低、安全性高的優(yōu)點，同時能夠有效地降低對環(huán)境所帶來的負面影響。

由于天然氣管道的距離通常很長，為了保證天然氣管道在鋪設(shè)、使用的過程中保持穩(wěn)定、安全的狀態(tài)。必須運用先進的自動化控制手段，保證天然氣輸送的安全可靠。PLC/RTU控制技術(shù)是一種安全、穩(wěn)定的現(xiàn)代化工業(yè)控制技術(shù)，能夠在天然氣管道輸送中起到良好的作用，實現(xiàn)對工藝站場內(nèi)的工藝數(shù)據(jù)采集、數(shù)學運算、自動控制、遠程監(jiān)控等多種工作，有效提高管道輸送的安全性。

1 PLC/RTU技術(shù)概述

PLC的全稱是Programmable Logic Controller，其中文名叫可編程邏輯控制器；RTU的全稱是Remote Terminal Unit，其中文名叫遠程終端單元。在現(xiàn)代工業(yè)控制中，PLC通常是指大中型的控制器，能夠接入大量的I/O點、具備多種通信方式、能夠進行復雜邏輯控制運算，但成本比較高；RTU通常是指小型的控制單元，能夠接入的點數(shù)比較少，通信方式有限，運算能力一般，但相對經(jīng)濟。隨著科學技術(shù)飛速發(fā)展，RTU技術(shù)不斷革新，性能不斷增強，部分RTU產(chǎn)品已經(jīng)能夠承擔部分原來需要PLC來完成的工作，在目前的天然氣管道輸送控制系統(tǒng)中，通常PLC與RTU相互結(jié)合，共同完成全系統(tǒng)的邏輯控制任務(wù)。

目前，在天然氣管道自動化控制中，PLC/RTU得到了非常廣泛的應(yīng)用。在控制系統(tǒng)中通常都包括中央處理器、存儲設(shè)備、I/O接口、電源、通信模塊以及專用功能模塊等。PLC/RTU技術(shù)在天然氣管道輸送中有著顯著的優(yōu)點，主要體現(xiàn)在PLC/RTU控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)模塊化，可以根據(jù)實際需要自由組合，有較高的可靠性和抗干擾能力。特別是RTU，環(huán)境適應(yīng)能力很強，部分RTU設(shè)備運行溫度范圍在-40℃～+70℃，非常適合在溫差大的環(huán)境中使用。

2 PLC/RTU系統(tǒng)在天然氣管道運輸中的應(yīng)用

在天然氣管道輸送控制系統(tǒng)中，站場控制系統(tǒng)通常采用處理能力比較強的PLC系統(tǒng)；而管道上遠程閥室的控制系統(tǒng)通常采用的RTU系統(tǒng)。PLC/RTU系統(tǒng)是天然氣管道SCADA系統(tǒng)的遠方控制單元，是保證SCADA系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)。站控PLC系統(tǒng)安裝在各工藝站場的控制室或機柜間內(nèi)；閥室RTU系統(tǒng)安裝在遠程閥室機柜間內(nèi)或露天安裝，它們不但完成了對天然氣管道的數(shù)據(jù)采集和本地控制，同時還把天然氣管道的過程數(shù)據(jù)傳輸給遠方的調(diào)控中心并執(zhí)行其下達的遠程控制命令。

2.1 站場自動控制功能的實現(xiàn)

1） 站場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

站控PLC系統(tǒng)完成對站內(nèi)工藝過程及設(shè)備運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制及聯(lián)鎖保護。站控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)可以顯示在操作員工作站的人機界面上，操作員通過人機界面實現(xiàn)對站場工藝運行情況的監(jiān)控。

2） 自動壓力保護

站控PLC系統(tǒng)可以通過控制站內(nèi)輸氣管線上的調(diào)節(jié)閥進行壓力控制和調(diào)節(jié)，當下游分輸壓力高時，根據(jù)控制邏輯進行PID計算，自動關(guān)小調(diào)節(jié)閥開度，降低下游管線壓力；當下游分輸壓力低時，自動開大調(diào)節(jié)閥開度，提高下游管線壓力，自動維持下游分輸壓力的穩(wěn)定。如果站內(nèi)工藝設(shè)備或者干線管道壓力在自動調(diào)節(jié)的情況仍然超出安全范圍，PLC系統(tǒng)根據(jù)操作原理會自動執(zhí)行放空操作，保證設(shè)備、管道和人員的安全。

3） 自動溫度保護

天然氣管線在進行節(jié)流計量時容易出現(xiàn)冰堵的現(xiàn)象，特別是在我國北方，冰堵給天然氣管道輸送、計量造成很大的困擾，小則出現(xiàn)輸送壓力不穩(wěn)，大則可能造成關(guān)鍵設(shè)備損壞或天然氣泄漏。站控PLC/RTU系統(tǒng)可以根據(jù)控制邏輯，自動控制管道加熱設(shè)備（電加熱或者蒸氣伴熱），自動實現(xiàn)節(jié)流計量裝置溫度保護，預(yù)防控制冰堵。

4） 自動流量調(diào)節(jié)

站控PLC/RTU系統(tǒng)可以對輸氣管線的下游分輸用戶進行流量調(diào)節(jié)控制。站控PLC系統(tǒng)從現(xiàn)場流量計實時采集流量數(shù)據(jù)，通過PID計算，控制調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)對下游分輸用戶的流量調(diào)節(jié)與控制。調(diào)度中心或站場在保證下游用戶最低安全輸氣流量的前提下，還可以設(shè)定在規(guī)定時間內(nèi)對下游用戶的分輸氣量。站控PLC系統(tǒng)按照設(shè)定的分輸量實現(xiàn)對下游用戶單位時間內(nèi)的平均氣量輸送，并通過給定的邏輯運算，進一步實現(xiàn)對下游用戶輸氣量的小時指定、日指定，并準確完成月度、年度輸氣計劃。

2.2 遠程閥室自動控制功能的實現(xiàn)

1） 數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)視

天然氣管道閥室通常采用RTU來作為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。通過RTU來對閥室內(nèi)工藝變量及設(shè)備運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制及自動進行聯(lián)鎖保護。采集的天然氣管道過程數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)可傳輸至上、下游站場的SCADA系統(tǒng)和遠方調(diào)控中心。調(diào)控中心和站場的操作人員可遠程對閥室進行監(jiān)控和管理。目前國內(nèi)天然氣管道遠程閥室基本實現(xiàn)了無人值守、遠程監(jiān)控、自動保護。

2） 緊急關(guān)斷

在天然氣管道運行生產(chǎn)中，出現(xiàn)緊急情況時，例如地震、滑坡、山洪等等，遠程閥室的截斷閥門需要進行緊急關(guān)斷。RTU通過控制器內(nèi)部給定的控制邏輯能夠自關(guān)斷閥門，也可以根據(jù)需要通過調(diào)度中心或站場操作人員進行遠程手動關(guān)斷，保障天然氣管道的安全。

3） 惡劣環(huán)境

天然氣管道的輸送距離長，地域跨度大，向北至黑龍江漠河，向南可以到廣東湛江，目前天然氣管道控制系統(tǒng)中，站場的PLC系統(tǒng)通常配備有采暖或者制冷措施，但是在野外的監(jiān)控閥室通常無采暖或制冷措施。在我國北方，冬天最低氣溫可達零下50℃；在我國南部，夏日最高氣溫可達零上50℃，在野外的機柜內(nèi)溫度會更高。寬溫型RTU系統(tǒng)能夠很好地適應(yīng)這種極端自然環(huán)境，運行穩(wěn)定、可靠，自動采集閥室的壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)、監(jiān)控截斷閥門狀態(tài)，并完成與上下游站場SCADA系統(tǒng)和調(diào)控中心的數(shù)據(jù)通信。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害自動預(yù)警功能的實現(xiàn)

長輸天然氣管道在敷設(shè)過程中，經(jīng)常會穿越山川、河流以及地震帶等多樣復雜的地質(zhì)環(huán)境。管道的沿途可能發(fā)生的山體滑坡、泥石流、暴雨、山洪、地震等地質(zhì)災(zāi)害都對管道的安全運行會產(chǎn)生巨大危害，因此，對這些地質(zhì)災(zāi)害的自動預(yù)警功能就顯得尤為重要。搭建“傳感器+通信網(wǎng)絡(luò)+PLC/RTU+控制中心”結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對長輸天然氣管道全程監(jiān)視和預(yù)警。

在天然氣管道沿線安裝位移傳感器、雨量傳感器、應(yīng)力傳感器等各種智能型傳感器，通過通信網(wǎng)絡(luò)連接，匯入站控或者調(diào)控中心的PLC/RTU系統(tǒng)，PLC/RTU系統(tǒng)對采集到的傳感器信息進行整合處理后傳給調(diào)控中心和站場的人機界面。當某區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時，根據(jù)傳感器實時反饋的信息，在調(diào)控中心和相關(guān)站場自動產(chǎn)生相應(yīng)的預(yù)警，運行人員根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)和報警級別，能夠采取相應(yīng)措施或應(yīng)急預(yù)案，控制事態(tài)發(fā)展，保護天然氣管道的安全。

2.4 管道泄漏預(yù)警功能的實現(xiàn)

天然氣管道在運行中也存在著泄露的風險，一旦天然氣泄露會對附近的自然環(huán)境和管道本體產(chǎn)生重大影響，甚至會發(fā)生不可估量的災(zāi)難，因此，天然氣管道的泄露監(jiān)測非常重要。

目前國內(nèi)天然氣管道，泄漏檢測系統(tǒng)根據(jù)實際需要會對管道輸送中的溫度、壓力、流量、光電等傳感器數(shù)據(jù)以及工藝設(shè)備的動作和狀態(tài)進行實時采集。泄漏檢測系統(tǒng)根據(jù)采集到的傳感器數(shù)據(jù)和工藝設(shè)備狀態(tài)，進行特定數(shù)學邏輯運算和存儲，并根據(jù)管道的數(shù)學模型進行在線預(yù)警，一旦發(fā)生天然氣管道泄露，泄露檢測系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)，并準確定位泄露發(fā)生的位置、自動報警，通知生產(chǎn)運維人員進行應(yīng)急處理，防止事態(tài)的進一步惡化。

2.5 天然氣管道ESD功能的實現(xiàn)

緊急停車（ESD）系統(tǒng)是保證管道及沿線站場安全的安全保護系統(tǒng)，通?？杉稍谡究豍LC系統(tǒng)中，也可根據(jù)需要設(shè)置一套獨立的PLC系統(tǒng)來實現(xiàn)。ESD命令優(yōu)先于任何操作邏輯和命令，ESD程序一旦觸發(fā)（ESD 按鈕動作或ESD程序命令發(fā)出），ESD系統(tǒng)將自動關(guān)斷站場與管道進出口的連接，并打開站場放空閥門，切斷站場電源，同時ESD系統(tǒng)自動發(fā)出閉鎖信號，站場ESD閥門在未接到人工復位命令之前不能再次操作，ESD系統(tǒng)使站場工藝過程從危險的狀態(tài)轉(zhuǎn)為安全的狀態(tài)。根據(jù)操作原理，ESD控制系統(tǒng)還能夠自動關(guān)斷天然氣管道上其他站場和遠程閥室，保證天然氣管道能夠在緊急的狀態(tài)下安全地停輸，控制事態(tài)的進一步惡化。

2.6 天然氣管道中控功能的實現(xiàn)

天然氣管道通常會有相應(yīng)的調(diào)度控制中心，調(diào)度控制中心的主要任務(wù)是通過各站的站控PLC系統(tǒng)和遠控截斷閥室的RTU系統(tǒng)來完成該管道的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)歸檔、遠程控制、輸量調(diào)節(jié)、故障處理和安全保護等任務(wù)。

調(diào)度控制中心與各站場和閥室之間通過通信信道相互連接，常用的通信信道包括光纜、衛(wèi)星、公網(wǎng)DDN等。

在“中控”模式下，調(diào)度和操作人員可以在調(diào)控中心通過PLC/RTU控制系統(tǒng)完成對全線的監(jiān)視、控制和管理。各站控制PLC系統(tǒng)和閥室RTU系統(tǒng)在調(diào)控中心的統(tǒng)一指揮下完成各自工作。在“站控”模式下，控制權(quán)限授權(quán)給站場，由站場的操作人員來完成對本站和管轄內(nèi)閥室的監(jiān)視、控制和管理。通過PLC/RTU控制系統(tǒng)，國內(nèi)新建天然氣管道站場已經(jīng)實現(xiàn)“遠程控制、有人值守、無人操作”的管控模式，隨著PLC/RTU技術(shù)的在天然氣管道中應(yīng)用的不斷發(fā)展，站場可逐漸實現(xiàn)“遠程控制、無人操作、無人值守”的管控模式。

3 結(jié)束語

目前PLC/RTU技術(shù)在天然氣管道輸送中得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了十分重要的作用，PLC/RTU具有模塊化、功能強、精度高、速度快、可靠性好等優(yōu)點，能夠?qū)艿垒斔偷母鱾€階段進行全面有效的監(jiān)控，值得在天然氣管道輸送中進一步推廣。但是需要指出PLC/RTU技術(shù)在天然氣管道輸送中的應(yīng)用還不夠全面，特別是在管道的泄漏和故障檢測方面，還有很大的提升空間。隨著我國天然氣行業(yè)發(fā)展的不斷完善和壯大，對技術(shù)的要求也越來越高，PLC/RTU技術(shù)的應(yīng)用需要不斷地更新和擴展，從而滿足現(xiàn)代化的天然氣管道輸送要求。

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[通聯(lián)編輯：張薇]