基于ＤＣＳ的管道輸送實驗系統(tǒng)設(shè)計

摘要 針對油氣儲運工程專業(yè)實驗教學(xué)與科研的需要，設(shè)計開發(fā)了一套以DCS為核心的管道輸送實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)技術(shù)先進、自動化程度高、組態(tài)靈活，可模擬長輸管道運行工況，實現(xiàn)從泵到泵、從罐到罐、旁接油罐等多種輸送工藝，具有豐富多樣的實驗功能；并可用于專業(yè)實習(xí)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和研究生培養(yǎng)等，同時也為科研工作的開展提供了便利條件。

關(guān)鍵詞 管道輸送；DCS控制；實驗系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號:TE832;TP273文件標(biāo)識碼：A文章編號：1671-489X（2007）01-0047-04

Experimental System of Pipeline Transportation Based on DCS//Zhao Shuhua，Zhao Huijun

AbstractIn order to meet the need of experiment teaching and investigation for oil gas storage and transportation engineering， the experimental system of pipeline transportation was developed based on DCS， which with advanced technique and high automatic. The system is a multifunctional testing platform which can be used to simulate running of long pipeline， such as running between station and station， running between tank and tank， running between station and tank， and applied for fieldwork， curricular design， graduation-design and postgraduate training， etc. At the same time，it provide conditions for the activity of science and technology research.

Key word pipeline transportation；experimental system；design

Author's address Jiangsu Polytechnic University Jiangsu Key Laboratory of Oil Gas Storage and Transportation Technology，Changzhou 213016，China

管道輸送是流體(水、油、氣、液漿)最重要的輸送方式，也是油氣儲運學(xué)科最主要的研究領(lǐng)域。為了更好、更全面地研究管道輸送系統(tǒng)的特點和規(guī)律，根據(jù)高校油氣儲運專業(yè)教學(xué)和科研的需要，配合油氣儲運重點學(xué)科建設(shè)、特色專業(yè)建設(shè)和省級重點實驗室建設(shè)，結(jié)合我院“中央與地方共建專項基金－油氣儲運工程中心建設(shè)”，自行設(shè)計研制了一套基于DCS的油品儲運管道輸送實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)涵蓋了油氣儲運專業(yè)主要專業(yè)課程知識以及站庫操作、工程設(shè)計、安全防護及故障處理等多種知識和技術(shù)，是目前國內(nèi)油品儲運實驗研究中管道最長、規(guī)模最大的全自動仿真模擬實驗系統(tǒng)，具有自動檢測、自動控制和自動調(diào)節(jié)等功能，可進行長輸管道工藝調(diào)節(jié)、站庫設(shè)備及安全認(rèn)識、儲運系統(tǒng)仿真與運行模擬、測量儀表及自動控制、DCS系統(tǒng)組態(tài)與系統(tǒng)控制、管路與泵特性調(diào)節(jié)，以及管道水擊及控制、腐蝕測定與防護、漏點檢測與定位等實驗教學(xué)和科研工作，還可用于油氣儲運專業(yè)實習(xí)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、研究生培養(yǎng)等。

1 實驗系統(tǒng)概況

管道輸送實驗系統(tǒng)是一套模擬油品儲運長輸管道輸送工藝系統(tǒng)，根據(jù)管道輸送的內(nèi)容、特點和設(shè)計要求^[1]，結(jié)合自己專業(yè)特色和科研需要，參考并采用了最新的自動檢測和控制技術(shù)^[2、3]，設(shè)計開發(fā)出基于DCS控制系統(tǒng)的由罐區(qū)、泵房、工藝管線、閥組、控制儀表及工作站等組成的大型綜合性實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)占地1 300 m2，管線總長2 500 m，沿線設(shè)置了4個輸油泵站，每個泵站有2臺離心泵、1座儲罐和工藝管道等，2臺泵可以單泵運行完成輸送任務(wù)，也可以雙泵串聯(lián)或并聯(lián)工作來提高輸送能力。各站在整個輸送系統(tǒng)中，4個泵站和工藝管路組成一個循環(huán)系統(tǒng)，每個泵站既可以作為首站，也可以作為末站或中間站，可以實現(xiàn)站內(nèi)循環(huán)和外輸2種不同工藝，在外輸工藝中可以實現(xiàn)“從罐到罐”、“旁接油罐”、“從泵到泵”及收發(fā)油、倒罐、正輸、反輸、越站等基本工藝。所有工藝均可以通過DCS實現(xiàn)自動控制。

系統(tǒng)的控制部分是系統(tǒng)的核心和設(shè)計的關(guān)鍵。必須具備如下功能：

1）能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的信號和狀態(tài)以及管路壓力、溫度、流量、儲罐液位、泵頻率、功率、油氣濃度等工藝參數(shù)進行檢測和計量；

2）能通過對各閥門的開/關(guān)控制實現(xiàn)工藝流程的切換；

3）通過對泵、閥的不同組合和控制，完成每一種管道輸送工藝的實驗任務(wù)；

4）能通過對管路調(diào)節(jié)閥、泵電機變頻器的調(diào)節(jié)對流量、液位等主要參數(shù)進行控制調(diào)節(jié)；

5）還能夠?qū)ρb置現(xiàn)場的儲罐液位、油氣濃度等進行超限報警，并對實驗裝置工藝運行情況和過程進行仿真模擬。

2 DCS及其系統(tǒng)配置

DCS，即集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System），又名分布式控制系統(tǒng)，是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的新型計算機控制系統(tǒng)。它綜合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、測量與控制技術(shù)、CRT技術(shù)、圖形顯示技術(shù)、冗余及診斷技術(shù)以及人機接口技術(shù)等先進技術(shù)，采用多層分級的結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)現(xiàn)代化控制與管理的需求^[4]。它以計算機為中心，將系統(tǒng)的控制功能和故障分散到各個子系統(tǒng)，同時又將系統(tǒng)的操作、監(jiān)測和管理集中起來，具有分組遞階的分布式結(jié)構(gòu)。它既吸收了分散式儀表控制系統(tǒng)和集中式計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)點，又采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計。因此，DCS系統(tǒng)以其強大的控制功能及高的可靠性在石油化工生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用^[5-7]，目前已經(jīng)成為工業(yè)過程控制的主流系統(tǒng)，在油品儲運生產(chǎn)和管理中越來越被重視并采用。

該控制系統(tǒng)實有檢測和控制信號點數(shù)247點，考慮到系統(tǒng)安全和擴充，應(yīng)設(shè)置一定量的冗余，配置各類信號點280點。根據(jù)實驗系統(tǒng)設(shè)計思想和要求，考慮到系統(tǒng)的實用性、先進性和經(jīng)濟性，經(jīng)過多方考察和反復(fù)論證，選擇并采用了技術(shù)先進、實用靈活、功能完善、市場占有率高的浙大中控的SUPCON JX-300X集散控制系統(tǒng)（DCS）^[8]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的基本組成包括工程師站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）、現(xiàn)場采集單元（FDAS）和過程控制網(wǎng)絡(luò)（Scnet Ⅱ）。

工程師站（ES）是為工程設(shè)計的，內(nèi)裝配置有SCKey系統(tǒng)組態(tài)軟件和AdranTrol監(jiān)控軟件包，通過系統(tǒng)組態(tài)平臺生成適合于生產(chǎn)工藝要求的應(yīng)用系統(tǒng)，而使用系統(tǒng)的維護工具軟件可以實現(xiàn)過程控制網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、故障診斷、信號調(diào)校等。

操作站（OS）是操作人員完成過程監(jiān)控管理任務(wù)的環(huán)境，由工業(yè)PC機、21\"CRT、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機等組成，并配有ScnetII網(wǎng)卡、HUB和操作系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的集中顯示、集中操作和集中管理。

控制站（CS）是系統(tǒng)中直接與現(xiàn)場打交道的I/O處理單元，主要有機柜、機籠、機箱和主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和多功能智能I/O卡件、端子板等組成，實現(xiàn)對現(xiàn)場過程信號的采集、處理、控制等。

過程控制網(wǎng)絡(luò)（Scnet Ⅱ）是工程師站、操作站、控制站的連接通道，完成信息、控制命令等傳輸。

本實驗控制系統(tǒng)設(shè)計了1個控制站，8個工程師站兼操作站。8個站可進行單站控制，也可聯(lián)合工作，實現(xiàn)本實驗平臺所需的各項監(jiān)控功能。系統(tǒng)軟、硬件配置如表1、表2所示。

控制過程的實現(xiàn)是通過DCS系統(tǒng)對每臺泵的啟停狀態(tài)、各種閥門的開關(guān)狀態(tài)、流量計、溫度計和壓力表的工作參數(shù)等進行現(xiàn)場采集，然后以數(shù)字量的形式通過過程控制網(wǎng)進行傳輸，然后經(jīng)控制站內(nèi)部I/O控制總線（SBUS）反饋到工作站，并可針對用戶進行的相應(yīng)操作，然后遠傳回現(xiàn)場控制元件，實施自動控制，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的分散控制、集中管理的全集成綜合自動化。

3系統(tǒng)組態(tài)

由于DCS系統(tǒng)的通用性和復(fù)雜性，系統(tǒng)的許多功能及匹配參數(shù)需要根據(jù)具體場合由用戶設(shè)定，要實現(xiàn)對現(xiàn)場裝置系統(tǒng)的檢測、控制和調(diào)節(jié)等各種功能，首先必須對系統(tǒng)的信息進行設(shè)定和編程操作即\"系統(tǒng)組態(tài)\"，組態(tài)的主要內(nèi)容如圖2所示。

系統(tǒng)組態(tài)是在工程師站上進行的，利用DCS自帶的基本組態(tài)軟件SCKey、圖形編程工具Sccontrol、流程圖制作軟件SCDraw、報表制作軟件SCForm以及實時監(jiān)控軟件AdvanTrol等來完成實現(xiàn)，組態(tài)完成后，再進行編譯，然后下載到控制站執(zhí)行。界面清晰、簡單易學(xué)、實用方便、組態(tài)靈活。依次設(shè)計出的管道輸送實驗系統(tǒng)的主控畫面如圖3所示。

4 結(jié)束語

自行設(shè)計研制的基于DCS的管道輸送實驗系統(tǒng)于2005年初建成，至今在其上已完成了多次實驗、實習(xí)和研究任務(wù)，實驗涉及的內(nèi)容多、覆蓋面廣、綜合性強、效果良好。結(jié)合本裝置由儲運2004屆學(xué)生所做的“油品儲運實驗平臺工藝設(shè)計”被評為“江蘇省普通高校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計”一等獎；由本實驗平臺開設(shè)的“油品儲運管道輸送實驗”實驗方案在2005年舉行的“江蘇工業(yè)學(xué)院設(shè)計型方案評比”中榮獲一等獎，以該實驗系統(tǒng)為主要內(nèi)容的“油氣儲運實驗技術(shù)”已被列入本校儲運本科培養(yǎng)方案中的特色課程。該實驗系統(tǒng)的建成使用、更新并加強了實驗內(nèi)容、方法與手段，提高了科研實力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新意識和工程設(shè)計能力，是校內(nèi)進行儲運學(xué)科實踐教學(xué)和科研工作的理想場所。

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