1    項目背景介紹

國家管網(wǎng)集團負責全國原油、天然氣、成品油干線(xiàn)管網(wǎng)及儲氣調峰等基礎設施的建設和運營(yíng)，業(yè)務(wù)體量大。輸油管道現役控制系統大量選用國外進(jìn)口PLC、RTU產(chǎn)品搭建，面臨一定的安全風(fēng)險。為解決長(cháng)輸油氣管道核心控制技術(shù)“卡脖子”的問(wèn)題，提升長(cháng)輸油氣管道控制系統自主可控水平，保障長(cháng)輸油氣管道生產(chǎn)過(guò)程安全及信息安全，由中電智能科技有限公司聯(lián)合國家管網(wǎng)集團東部原油儲運有限公司科技研發(fā)中心，基于現有的國產(chǎn)PLC硬件基礎，針對長(cháng)輸油氣管道領(lǐng)域特定應用需求，研制基于國產(chǎn)芯片、控制軟件的全國產(chǎn)化PLC和RTU產(chǎn)品，并在國家管網(wǎng)集團開(kāi)展現場(chǎng)應用。

2    項目目標與原則

為解決長(cháng)輸油氣管道核心控制技術(shù)“卡脖子”的問(wèn)題，提升長(cháng)輸油氣管道控制系統自主可控水平，保障長(cháng)輸油氣管道生產(chǎn)過(guò)程安全及信息安全，項目基于現有的國產(chǎn)PLC軟硬件研究基礎，針對長(cháng)輸油氣管道領(lǐng)域特定應用需求，對標國際主流產(chǎn)品，通過(guò)研究進(jìn)口元器件全國產(chǎn)化替代與國產(chǎn)元器件性能優(yōu)化選型、平臺自適應的安全可信技術(shù)、基于全國產(chǎn)硬件平臺的面向多任務(wù)控制的數據保護和運行控制技術(shù)、跨平臺編程軟件國產(chǎn)CPU編譯適配技術(shù)、面向多總線(xiàn)的統一模塊配置策略等，提出全國產(chǎn)PLC、RTU軟硬件架構，構建全國產(chǎn)PLC、RTU技術(shù)體系，形成基于國產(chǎn)芯片、控制軟件的PLC和RTU產(chǎn)品。產(chǎn)品性能指標滿(mǎn)足國家管網(wǎng)需求，整體功能性能指標達到國內先進(jìn)水平，在長(cháng)輸油氣管道控制系統對進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行全國產(chǎn)自主可控替代，實(shí)現現場(chǎng)應用，有效解決長(cháng)輸油氣管道安全生產(chǎn)需求、控制系統自主可控及網(wǎng)絡(luò )安全防護需求，提升長(cháng)輸油氣管道基礎設施的安全水平。

3      項目實(shí)施與應用

本項目主要內容包括5部分：全國產(chǎn)化PLC研制、全國產(chǎn)化RTU研制、全國產(chǎn)化編程軟件開(kāi)發(fā)、全國產(chǎn)化PLC和RTU安裝集成設計、全國產(chǎn)化控制系統 (PLC/RTU)在長(cháng)輸油氣管道行業(yè)的現場(chǎng)應用。

3.1全國產(chǎn)化可編程邏輯控制器（PLC）研制

全國產(chǎn)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(wǎng)關(guān)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(cháng)輸油氣管道行業(yè)應用特點(diǎn)，分別研究進(jìn)口元器件國產(chǎn)化替代方案、基于全國產(chǎn)軟硬件平臺的 PLC 軟硬件架構技術(shù)、故障診斷及冗余技術(shù)可信計算技術(shù)、功能安全與信息安全融合技術(shù)、基于國產(chǎn)軟硬件平臺面向多任務(wù)控制的數據保護和運行控制技術(shù)、基于現場(chǎng)總線(xiàn)的故障自診斷技術(shù)、面向多總線(xiàn)的統一模塊配置策略等，提出基于國產(chǎn)處理器的軟硬件架構，形成全國產(chǎn)化PLC產(chǎn)品。

3.2全國產(chǎn)化遠程控制終端(RTU)研制

全國產(chǎn)RTU主要包含電源模塊、主控制模塊、IO模塊、Modbus網(wǎng)關(guān)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(shù)基礎上，針對RTU在長(cháng)輸油氣管道行業(yè)應用特點(diǎn)，設計全國產(chǎn)化RTU軟硬件架構方案，研究基于全國產(chǎn)軟硬件平臺的RTU軟硬件架構技術(shù)、故障診斷及安全輸出技術(shù)、面向多任務(wù)控制的數據保護和運行控制技術(shù)、面向多總線(xiàn)的統一模塊配置策略等，進(jìn)行全國產(chǎn)化硬件結構與原理設計，自主研發(fā)RTU嵌入式軟件，形成面向全國產(chǎn)化RTU產(chǎn)品，包括主控制器模塊、開(kāi)關(guān)量輸入模塊、繼電器型開(kāi)關(guān)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(chǎn)化編程軟件開(kāi)發(fā)

全國產(chǎn)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(chǎn)計算機平臺，符合IEC61131-3標準?；谧灾骺煽丶軜?如飛騰+麒麟)，面向長(cháng)輸油氣管道全國產(chǎn)PLC、RTU編程編譯需求，完成本項目研制的全國產(chǎn)PLC、RTU模塊的硬件配置功能。通過(guò)研究平臺自適應的安全可信編程編譯技術(shù)，實(shí)現從編程編譯環(huán)境啟動(dòng)、對外交互、用戶(hù)組態(tài)到控制邏輯編譯、下載的編譯全過(guò)程安全防護。通過(guò)研究跨平臺編程軟件國產(chǎn)CPU編譯適配技術(shù)，采用可跨平臺的工業(yè)語(yǔ)言編程編譯工具鏈，設計獨有的工業(yè)控制語(yǔ)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(shù)，實(shí)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(chǎn)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(chǎn)化軟硬件設計，具備全自主、高可靠、強安全的特點(diǎn)。

3.4全國產(chǎn)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(yè)首次實(shí)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(xiàn)制接法，用一進(jìn)兩出信號分離器處理；

?  控制權限切換，采用供電通斷方式來(lái)實(shí)現。

 圖3 新老系統并行示意圖 

圖4 全國產(chǎn)化PLC和RTU系統架構圖

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

3.4.1機柜設備安裝及布線(xiàn)

現場(chǎng)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(chǎng)信號能同時(shí)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(chǎng)控制柜柜前面板與后面板均已裝滿(mǎn)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(chǎng)布局安裝圖           

    圖6 全國產(chǎn)化PLC和RTU系統現場(chǎng)安裝照

3.4.2采集信號分配

數字量輸入信號接線(xiàn)：現場(chǎng)1個(gè)數字量輸入信號需要同時(shí)接到2個(gè)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(guò)雙觸點(diǎn)繼電器實(shí)現信號分離，具體接線(xiàn)如圖7所示。

圖7 數字量輸入信號接線(xiàn)圖

模擬量輸入信號接線(xiàn)：現場(chǎng)1個(gè)模擬量輸入信號需要同時(shí)接到2個(gè)控制系統。本項目配置模擬量及RTD信號一進(jìn)二出安全柵，將現場(chǎng)儀表信號分配為兩路輸出后分別接入原系統和國產(chǎn)化PLC系統，具體原理及接線(xiàn)如圖8所示。

圖8 模擬量輸入信號接線(xiàn)圖

3.4.3 控制權限切換

數字量輸出信號接線(xiàn)：現場(chǎng)同1個(gè)設備在同一時(shí)間只能由1套PLC控制系統控制，為了更好的解決此問(wèn)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(lái)隔離信號輸出，接線(xiàn)如圖9。

圖9 數字量輸出信號接線(xiàn)圖

模擬量輸出信號接線(xiàn)：現場(chǎng)同1個(gè)設備在同一時(shí)間只能由1套PLC控制系統控制，為了更好的解決此問(wèn)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(lái)隔離信號輸出，接線(xiàn)如圖10所示。

  圖10 摸擬量輸出信號接線(xiàn)圖

3.4.4新老系統無(wú)擾切換實(shí)現方式

新、老系統的控制權限切換，通過(guò)機柜門(mén)上的切換開(kāi)關(guān)及切換開(kāi)關(guān)所驅動(dòng)的切換繼電器來(lái)實(shí)現?，F場(chǎng)設備控制信號接入PLC機柜內切換繼電器觸點(diǎn)公共端，老系統輸出信號接入繼電器的常閉觸點(diǎn)，新系統輸出信號接入繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)。當控制權限為老系統控制時(shí)，繼電器不得電，現場(chǎng)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(shí)，切換開(kāi)關(guān)驅動(dòng)所有輸出信號的切換繼電器，切換繼電器線(xiàn)圈閉合后，觸點(diǎn)動(dòng)作，現場(chǎng)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(dòng)/手動(dòng)、就地/遠控、新老系統切換應實(shí)現無(wú)擾動(dòng)切換。站場(chǎng)控制模式切換應確保站場(chǎng)控制參數設定值保持不變。

為實(shí)現新、老系統無(wú)擾動(dòng)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(kāi)關(guān)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(shí)間也較短，僅需考慮在系統切換前無(wú)相關(guān)操作、觀(guān)察2套系統的DO輸出模塊中輸出通道無(wú)輸出即可。

為實(shí)現模擬量控制信號的無(wú)擾動(dòng)，以模擬量控制閥門(mén)為例，主要從以下幾個(gè)方面考慮：

?  受控設備就地、遠控的無(wú)擾動(dòng)切換：就地狀態(tài)時(shí)，接受現場(chǎng)旋鈕操作控制，PLC閥位控制信號跟蹤實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度反饋信號；當切換為遠控時(shí)，PLC閥位控制輸出信號為實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度信號，閥門(mén)開(kāi)度不變；

?  受控設備手、自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換：手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，接受操作員站HMI下發(fā)開(kāi)度控制，PLC閥位自動(dòng)控制信號跟蹤實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度反饋信號；當切換為自動(dòng)時(shí)，PLC閥位控制輸出信號為實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度信號，閥門(mén)開(kāi)度不變；自動(dòng)狀態(tài)下，HMI手動(dòng)開(kāi)度控制信號跟蹤實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度反饋信號，當切換為手動(dòng)時(shí)，HMI手動(dòng)開(kāi)度控制信號為實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度信號，閥門(mén)開(kāi)度不變。當閥門(mén)處于遠控、自動(dòng)模式時(shí)切換為就地狀態(tài)時(shí)，閥門(mén)控制模式自動(dòng)切換為手動(dòng)模式。

?  站控/中心的無(wú)擾動(dòng)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(wú)擾動(dòng)切換。

?  新、老PLC系統的切換：老系統控制時(shí)，新系統相應控制模式自動(dòng)切換為手動(dòng)模式，閥位控制信號跟蹤實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度反饋信號。新系統控制時(shí)，老系統相應控制模式自動(dòng)切換為手動(dòng)模式，閥位控制信號跟蹤實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度反饋信號。由于新、老系統間并無(wú)直接通信，新、老系統的設定值需人工同步。建議對相關(guān)設定值修改時(shí)，新老系統同時(shí)修改設定。在系統切換前，人工檢查相關(guān)設定值是否一致。

3.5全國產(chǎn)化控制系統(PLC/RTU)在長(cháng)輸油氣管道行業(yè)的現場(chǎng)應用

2023年11月，首套全國產(chǎn)PLC和RTU設備分別在國家管網(wǎng)集團山東省分公司臨濟復線(xiàn)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(cháng)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(chuàng )新性

3.6.1技術(shù)創(chuàng )新

項目對標國外主流產(chǎn)品，突破了面向多目標平臺的異構融合編程編譯技術(shù)、平臺自適應的安全可信技術(shù)、基于全國產(chǎn)硬件平臺的面向多任務(wù)控制的運行控制技術(shù)、跨平臺編程軟件國產(chǎn)CPU編譯適配技術(shù)等關(guān)鍵核心技術(shù)，提出全國產(chǎn)PLC、RTU軟硬件架構，形成全國產(chǎn)PLC與RTU產(chǎn)品，產(chǎn)品達到管道應用領(lǐng)域國內先進(jìn)水平，優(yōu)于國家可編程邏輯控制器標準。

3.6.2應用創(chuàng )新 

根據國家管網(wǎng)臨濟復線(xiàn)臨邑站現場(chǎng)實(shí)際需求，采用全國產(chǎn)架構以及新老系統并行運行的應用方案，開(kāi)展現場(chǎng)應用。系統核心芯片、操作系統、開(kāi)發(fā)環(huán)境、編譯器等實(shí)現了全國產(chǎn)化替代，作為全國產(chǎn)PLC/RTU產(chǎn)品在長(cháng)輸油氣管網(wǎng)領(lǐng)域的首次應用，解決了油氣管道行業(yè)控制系統“卡脖子”問(wèn)題，為油氣管道行業(yè)設備國產(chǎn)化研制提供了經(jīng)驗，為油氣管道現場(chǎng)應用推廣實(shí)施打下了基礎。

4      效益分析

數據顯示，近些年國內經(jīng)濟呈現出了高速發(fā)展的態(tài)勢，而隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的不斷完善，油氣儲運行業(yè)也已經(jīng)逐漸發(fā)展了起來(lái)。根據中研網(wǎng)數據，預計"十三五"到"十四五"期間，我國油氣管網(wǎng)主干道總投資將達到16000億元，新建10多萬(wàn)公里管道。本項目將推動(dòng)國產(chǎn)化安全可控PLC及RTU產(chǎn)品技術(shù)水平的提升，提高油氣儲運這一關(guān)鍵基礎設施領(lǐng)域的安全，并實(shí)現國產(chǎn)化安全可控PLC及RTU產(chǎn)品在長(cháng)輸油氣管道行業(yè)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(shí)施，對國家管網(wǎng)集團加速推進(jìn)構建“全國一張網(wǎng)”、促進(jìn)全面加強基礎設施建設具有重要積極的意義；標志著(zhù)我國能源行業(yè)再度突破一項關(guān)鍵核心技術(shù)，成功填補國內空白，實(shí)現油氣管道傳輸控制系統自主可控、安全可靠，扭轉長(cháng)輸油氣管道控制系統長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口的局面，保障國家能源安全。