1    項目背景介紹

國家管網(wǎng)集團負責(zé)全國原油、天然氣、成品油干線管網(wǎng)及儲氣調(diào)峰等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和運營，業(yè)務(wù)體量大。輸油管道現(xiàn)役控制系統(tǒng)大量選用國外進口PLC、RTU產(chǎn)品搭建，面臨一定的安全風(fēng)險。為解決長輸油氣管道核心控制技術(shù)“卡脖子”的問題，提升長輸油氣管道控制系統(tǒng)自主可控水平，保障長輸油氣管道生產(chǎn)過程安全及信息安全，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(xiàn)有的國產(chǎn)PLC硬件基礎(chǔ)，針對長輸油氣管道領(lǐng)域特定應(yīng)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)集團開展現(xiàn)場應(yīng)用。

2    項目目標與原則

為解決長輸油氣管道核心控制技術(shù)“卡脖子”的問題，提升長輸油氣管道控制系統(tǒng)自主可控水平，保障長輸油氣管道生產(chǎn)過程安全及信息安全，項目基于現(xiàn)有的國產(chǎn)PLC軟硬件研究基礎(chǔ)，針對長輸油氣管道領(lǐng)域特定應(yīng)用需求，對標國際主流產(chǎn)品，通過研究進口元器件全國產(chǎn)化替代與國產(chǎn)元器件性能優(yōu)化選型、平臺自適應(yīng)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(shù)據(jù)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)、面向多總線的統(tǒng)一模塊配置策略等，提出全國產(chǎn)PLC、RTU軟硬件架構(gòu)，構(gòu)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)品性能指標滿足國家管網(wǎng)需求，整體功能性能指標達到國內(nèi)先進水平，在長輸油氣管道控制系統(tǒng)對進口產(chǎn)品進行全國產(chǎn)自主可控替代，實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用，有效解決長輸油氣管道安全生產(chǎn)需求、控制系統(tǒng)自主可控及網(wǎng)絡(luò)安全防護需求，提升長輸油氣管道基礎(chǔ)設(shè)施的安全水平。

3      項目實施與應(yīng)用

本項目主要內(nèi)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)化編程軟件開發(fā)、全國產(chǎn)化PLC和RTU安裝集成設(shè)計、全國產(chǎn)化控制系統(tǒng) (PLC/RTU)在長輸油氣管道行業(yè)的現(xiàn)場應(yīng)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(shù)器模塊、脈沖調(diào)制輸出模塊、RTD模塊等，PLC系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 PLC系統(tǒng)框架圖

本項目在已有超御IL40 PLC的基礎(chǔ)上，針對PLC在長輸油氣管道行業(yè)應(yīng)用特點，分別研究進口元器件國產(chǎn)化替代方案、基于全國產(chǎn)軟硬件平臺的 PLC 軟硬件架構(gòu)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(shù)據(jù)保護和運行控制技術(shù)、基于現(xiàn)場總線的故障自診斷技術(shù)、面向多總線的統(tǒng)一模塊配置策略等，提出基于國產(chǎn)處理器的軟硬件架構(gòu)，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(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 RTU系統(tǒng)框架圖

本項目在目前超御PLC的技術(shù)基礎(chǔ)上，針對RTU在長輸油氣管道行業(yè)應(yīng)用特點，設(shè)計全國產(chǎn)化RTU軟硬件架構(gòu)方案，研究基于全國產(chǎn)軟硬件平臺的RTU軟硬件架構(gòu)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(shù)據(jù)保護和運行控制技術(shù)、面向多總線的統(tǒng)一模塊配置策略等，進行全國產(chǎn)化硬件結(jié)構(gòu)與原理設(shè)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、開關(guān)量輸入模塊、繼電器型開關(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。基于自主可控架構(gòu)(如飛騰+麒麟)，面向長輸油氣管道全國產(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。通過研究平臺自適應(yīng)的安全可信編程編譯技術(shù)，實現(xiàn)從編程編譯環(huán)境啟動、對外交互、用戶組態(tài)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(chǎn)CPU編譯適配技術(shù)，采用可跨平臺的工業(yè)語言編程編譯工具鏈，設(shè)計獨有的工業(yè)控制語言編譯目標文件、鏈接加載文件、編譯器、鏈接器、調(diào)試器及調(diào)試技術(shù)，實現(xiàn)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(shè)備采用飛騰CPU、麒麟OS、華大半導(dǎo)體MCU等100%國產(chǎn)化軟硬件設(shè)計，具備全自主、高可靠、強安全的特點。

3.4全國產(chǎn)化PLC和RTU安裝集成設(shè)計

為保證系統(tǒng)安全運行，本項目采用新、老系統(tǒng)并列運行，在工控行業(yè)首次實施：

?  控制系統(tǒng)的數(shù)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(quán)限切換，采用供電通斷方式來實現(xiàn)。

 圖3 新老系統(tǒng)并行示意圖 

圖4 全國產(chǎn)化PLC和RTU系統(tǒng)架構(gòu)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(shè)備安裝及布線

現(xiàn)場控制柜的規(guī)格為：800mm寬*600mm深*2100mm高，顏色為灰色，統(tǒng)一為威圖標準柜。為了保證現(xiàn)場信號能同時順利的接入2套控制系統(tǒng)，需將信號一分為二，信號一分為二分配器和切換的相應(yīng)設(shè)備計劃裝于舊系統(tǒng)控制柜內(nèi)。目前站場控制柜柜前面板與后面板均已裝滿設(shè)備，信號一分為二分配器和切換的相應(yīng)設(shè)備智能裝在柜子側(cè)面，具體改造如圖5、圖6所示。

圖5 現(xiàn)場布局安裝圖           

    圖6 全國產(chǎn)化PLC和RTU系統(tǒng)現(xiàn)場安裝照

3.4.2采集信號分配

數(shù)字量輸入信號接線：現(xiàn)場1個數(shù)字量輸入信號需要同時接到2個控制系統(tǒng)，本項目2套控制系統(tǒng)的數(shù)字量輸入選用繼電器隔離，通過雙觸點繼電器實現(xiàn)信號分離，具體接線如圖7所示。

圖7 數(shù)字量輸入信號接線圖

模擬量輸入信號接線：現(xiàn)場1個模擬量輸入信號需要同時接到2個控制系統(tǒng)。本項目配置模擬量及RTD信號一進二出安全柵，將現(xiàn)場儀表信號分配為兩路輸出后分別接入原系統(tǒng)和國產(chǎn)化PLC系統(tǒng)，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(quán)限切換

數(shù)字量輸出信號接線：現(xiàn)場同1個設(shè)備在同一時間只能由1套PLC控制系統(tǒng)控制，為了更好的解決此問題，本項目2套控制系統(tǒng)的數(shù)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(shù)字量輸出信號接線圖

模擬量輸出信號接線：現(xiàn)場同1個設(shè)備在同一時間只能由1套PLC控制系統(tǒng)控制，為了更好的解決此問題，本項目2套控制系統(tǒng)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(tǒng)無擾切換實現(xiàn)方式

新、老系統(tǒng)的控制權(quán)限切換，通過機柜門上的切換開關(guān)及切換開關(guān)所驅(qū)動的切換繼電器來實現(xiàn)。現(xiàn)場設(shè)備控制信號接入PLC機柜內(nèi)切換繼電器觸點公共端，老系統(tǒng)輸出信號接入繼電器的常閉觸點，新系統(tǒng)輸出信號接入繼電器的常開觸點。當(dāng)控制權(quán)限為老系統(tǒng)控制時，繼電器不得電，現(xiàn)場控制信號與老系統(tǒng)輸出信號導(dǎo)通，接收老系統(tǒng)控制信號。切換為新系統(tǒng)控制時，切換開關(guān)驅(qū)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(xiàn)場設(shè)備控制信號與新系統(tǒng)輸出信號導(dǎo)通，接收新系統(tǒng)控制信號。

對于輸油泵、調(diào)節(jié)閥，中控/站控、PID自動/手動、就地/遠控、新老系統(tǒng)切換應(yīng)實現(xiàn)無擾動切換。站場控制模式切換應(yīng)確保站場控制參數(shù)設(shè)定值保持不變。

為實現(xiàn)新、老系統(tǒng)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(shè)定值。開關(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(xù)時間也較短，僅需考慮在系統(tǒng)切換前無相關(guān)操作、觀察2套系統(tǒng)的DO輸出模塊中輸出通道無輸出即可。

為實現(xiàn)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(shè)備就地、遠控的無擾動切換：就地狀態(tài)時，接受現(xiàn)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(dāng)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(shè)備手、自動的無擾動切換：手動狀態(tài)時，接受操作員站HMI下發(fā)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(dāng)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(tài)下，HMI手動開度控制信號跟蹤實際閥門開度反饋信號，當(dāng)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(dāng)閥門處于遠控、自動模式時切換為就地狀態(tài)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(yīng)設(shè)定值；中控模式下，站控跟蹤中心設(shè)定值。達到中心、站控切換的無擾動切換。

?  新、老PLC系統(tǒng)的切換：老系統(tǒng)控制時，新系統(tǒng)相應(yīng)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(tǒng)控制時，老系統(tǒng)相應(yīng)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(tǒng)間并無直接通信，新、老系統(tǒng)的設(shè)定值需人工同步。建議對相關(guān)設(shè)定值修改時，新老系統(tǒng)同時修改設(shè)定。在系統(tǒng)切換前，人工檢查相關(guān)設(shè)定值是否一致。

3.5全國產(chǎn)化控制系統(tǒng)(PLC/RTU)在長輸油氣管道行業(yè)的現(xiàn)場應(yīng)用

2023年11月，首套全國產(chǎn)PLC和RTU設(shè)備分別在國家管網(wǎng)集團山東省分公司臨濟復(fù)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(chǔ)設(shè)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(gòu)融合編程編譯技術(shù)、平臺自適應(yīng)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(gòu)，形成全國產(chǎn)PLC與RTU產(chǎn)品，產(chǎn)品達到管道應(yīng)用領(lǐng)域國內(nèi)先進水平，優(yōu)于國家可編程邏輯控制器標準。

3.6.2應(yīng)用創(chuàng)新 

根據(jù)國家管網(wǎng)臨濟復(fù)線臨邑站現(xiàn)場實際需求，采用全國產(chǎn)架構(gòu)以及新老系統(tǒng)并行運行的應(yīng)用方案，開展現(xiàn)場應(yīng)用。系統(tǒng)核心芯片、操作系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、編譯器等實現(xiàn)了全國產(chǎn)化替代，作為全國產(chǎn)PLC/RTU產(chǎn)品在長輸油氣管網(wǎng)領(lǐng)域的首次應(yīng)用，解決了油氣管道行業(yè)控制系統(tǒng)“卡脖子”問題，為油氣管道行業(yè)設(shè)備國產(chǎn)化研制提供了經(jīng)驗，為油氣管道現(xiàn)場應(yīng)用推廣實施打下了基礎(chǔ)。

4      效益分析

數(shù)據(jù)顯示，近些年國內(nèi)經(jīng)濟呈現(xiàn)出了高速發(fā)展的態(tài)勢，而隨著相關(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。根據(jù)中研網(wǎng)數(shù)據(jù)，預(yù)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多萬公里管道。本項目將推動國產(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(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的安全，并實現(xiàn)國產(chǎn)化安全可控PLC及RTU產(chǎn)品在長輸油氣管道行業(yè)的首臺套應(yīng)用，后期具備大規(guī)模推廣應(yīng)用空間。

本項目的成功實施，對國家管網(wǎng)集團加速推進構(gòu)建“全國一張網(wǎng)”、促進全面加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要積極的意義；標志著我國能源行業(yè)再度突破一項關(guān)鍵核心技術(shù)，成功填補國內(nèi)空白，實現(xiàn)油氣管道傳輸控制系統(tǒng)自主可控、安全可靠，扭轉(zhuǎn)長輸油氣管道控制系統(tǒng)長期依賴進口的局面，保障國家能源安全。