單位：中國石油西部管道管道（保衛(wèi)）處

作者：趙  云、楊永和

時間：2009年6月

新型輸油管道遠程監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對輸油管道的安全問題日益重要，對輸油管道建立新型24小時全天候遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的自動化程度高、安全、可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景及經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：輸油管道；監(jiān)控；系統(tǒng)

中圖分類號:   TP274                       文獻標識碼：A

Pipeline of new remote monitoring system

Abstract: The problem for the safety of oil pipelines have become increasingly important, it established a new 24-hour remote monitoring system.  The system was a highly automated system, and it was security and reliable. It has a broad application prospects and the economic value.

Keywords: pipeline; monitoring; system

在“十一五”發(fā)展規(guī)劃中,我國政府制定了“加強輸油管道建設(shè),形成管道運輸網(wǎng)”的發(fā)展戰(zhàn)略。根據(jù)有關(guān)方面的規(guī)劃,未來10年內(nèi),中國將建成14條輸油管道,形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫”,總長超過一萬公里的輸油管道格局。這預示著中國即將迎來輸油管道建設(shè)的高峰期。隨著大規(guī)模輸油管道的建設(shè),輸油管道的安全問題受到高度重視。

由于通常輸油管道大部分處于自然環(huán)境惡劣、交通不便的地區(qū)。如果在這些地方建立站場,勢必給企業(yè)增加很大的運行成本。但如果輸油管道泄漏現(xiàn)象，不僅會造成石油和天然氣的大量浪費，而且會嚴重污染環(huán)境。同時，近年來輸油管道的打孔盜油現(xiàn)象非常嚴重，往往巡線人員前腳走，不法分子后腳就開始大肆打孔盜油，且打孔盜油技術(shù)十分“熟練”，十幾分鐘內(nèi)就能完成打孔、裝閥門、放油，等巡線人員發(fā)現(xiàn)情況返回時，不法分子早已逃之夭夭，產(chǎn)生的經(jīng)濟損失是不可估量的。因此，對輸油管道建立新型24小時全天候遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有重大的社會和經(jīng)濟意義。

1.傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)是采用傳統(tǒng)的閉路電視監(jiān)控或傳統(tǒng)電子儀器進行遠程監(jiān)控，誤差較大，效率也比較低，而且硬件投資比較大。同時，在模式下，管理人員需要監(jiān)視太多的視頻畫面，遠遠超出人的接受能力，導致實際監(jiān)控效果低下。實驗結(jié)果表明，在盯著視頻畫面僅僅22分鐘之后，人眼將對視頻畫面里95%以上的活動信息視而不見，而使用傳統(tǒng)的電子儀器進行測試，儀器易損，操作困難，適應(yīng)性差，在雨季和冬季作業(yè)時搬遷非常困難。

2. 新型輸油管道遠程監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)主要由通信接收機、Windows電腦平臺、顯示器、打印機、音箱和網(wǎng)絡(luò)接口等組成，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

通信接收機主要將分布在輸油管道各個位置的振動信號處理器和視頻監(jiān)控所發(fā)出的處理結(jié)果接收到Windows電腦平臺上，并通過軟件將整個輸油管道的安全狀態(tài)描述出來，出現(xiàn)異常信號的位置、數(shù)量、類型將清晰的顯現(xiàn)在顯示器上，可以通過音箱發(fā)出報警信號提醒監(jiān)控人員，通過攝像機將視頻儲存下來，還可以通過Internet與其他輸油管道的監(jiān)控報警系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，使得所有輸油管道的狀態(tài)被一覽無余的監(jiān)控在我們眼中。

3.與傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)典型區(qū)別

典型區(qū)別在于這套遠程監(jiān)控系統(tǒng)同時采用了振動信號處理器和視頻監(jiān)控。輸油管道發(fā)生泄漏或人為破壞及打孔盜油時必然會引起管道振動信號的異常。由于管道壁遭到破壞和老化，產(chǎn)生孔口，流體會持續(xù)地向外噴流，產(chǎn)生強烈振動，振動以波的形式從振源沿管壁和管中流體向兩側(cè)遠距離傳播:為了偷石油或者天然氣，必然事先有人員、車輛或動力系統(tǒng)靠近，這些人員、車輛運動或動力系統(tǒng)產(chǎn)生的振動也會沿管道和地面?zhèn)鞑�。這時，安裝在管道上間距一定的振動傳感器將探測到這些事件產(chǎn)生的振動波，并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過自適應(yīng)識別處理技術(shù)，能將各種異常振動信號從環(huán)境噪聲中提取出來，經(jīng)過特征識別后把識別結(jié)果傳輸?shù)斤@示終端振動信號處理器，再通過音箱發(fā)出報警信號提醒監(jiān)控人員，同時通過攝像機和攝像頭將視頻儲存下來，這樣就能夠減輕管理人員的負擔。這樣才能真正讓控制中心人員從繁雜的電視監(jiān)控工作中解脫出來，以便有更多的資源應(yīng)對可疑現(xiàn)場，同時達到24小時全天候遠程監(jiān)控的目的。

4.主要監(jiān)控設(shè)備

4.1 振動傳感器

在這里，我們選用這新型的光電式振動傳感器，它將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學信號，經(jīng)光學系統(tǒng)放大后顯示和記錄，它具有能測量的靈敏度較高，精度也較高，使用簡單方便，不易損壞等諸多優(yōu)點。

4.2視頻監(jiān)控設(shè)備

視頻監(jiān)控設(shè)備主要包括攝像機、硬盤錄像機和監(jiān)視器。由于站場的部分攝像頭安裝在野外工作環(huán)境,以及在有防爆等特殊環(huán)境下工作的要求,同時要求晝夜監(jiān)視,因此必須選擇較高性能的攝像機產(chǎn)品,以及選擇經(jīng)過國家防爆認證的防爆護罩和防爆云臺,以保證系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定可靠地工作。室內(nèi)攝像機可選擇一體化快球攝像機,室外可選擇彩色低照度攝像機,攝像機的最低照度最好要小于0.05 Lx,水平分辨率在480 TVL以上,信噪比大。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)主機

監(jiān)控系統(tǒng)主機對所有輸油管道實時監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集,其主要功能有:通過通信通道向各個RTU采集主要工藝參數(shù)及運行狀態(tài);向各被控站發(fā)送控制指令,通過站控系統(tǒng)執(zhí)行完成運行參數(shù)采集及狀態(tài)、動態(tài)趨勢、歷史趨勢和模擬流程顯示;運行事件、資料的存儲和記錄;運行報表和事故狀態(tài)報告打印;數(shù)據(jù)處理;系統(tǒng)故障檢測和報警。

4.4 數(shù)據(jù)采集卡

根據(jù)實際需要和對各種PCI型號的數(shù)據(jù)采集卡進行比較，最后選擇了PCI1711這種數(shù)據(jù)采集卡。因PCI1711是一種基于PCI總線的多通道A／D（數(shù)字量/模擬量）轉(zhuǎn)換卡，可用于各類模擬量的采集、控制和處理，而振動的參數(shù)為模擬量，故用PCI1711采集模擬量。

5. 新型輸油管道遠程監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

5.1整體框架

整個監(jiān)控系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)組成，第一層是信息網(wǎng)絡(luò)層,即以太網(wǎng)(Ethernet),由監(jiān)控中心計算機通過網(wǎng)卡、以太網(wǎng)交換機和Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)由以太網(wǎng)單元相連而組成,監(jiān)控站或遠程終端通過Modbus/TCP協(xié)議與監(jiān)控中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。第二層是監(jiān)控器件網(wǎng)絡(luò)層,即Modbus網(wǎng)。其組成為:(1)輸送站站控計算機;(2)RTU終端控制單元;(3)輸送站各閥門,管道運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、控制單元等。該網(wǎng)絡(luò)層由RS232/485現(xiàn)場總線連接而成。

5.2功能說明

監(jiān)控系統(tǒng)主機對所有站場及無人閥室的主要工藝參數(shù)進行在線實時監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集,其主要功能有:通過通信通道向各個RTU采集主要工藝參數(shù)及運行狀態(tài);向各被控站發(fā)送控制指令,通過站控系統(tǒng)執(zhí)行并完成運行參數(shù)采集、狀態(tài)顯示、動態(tài)趨勢顯示、歷史趨勢顯示、模擬流程顯示;運行事件、資料存儲、記錄;運行報表打印、事故狀態(tài)報告打印;數(shù)據(jù)處理;系統(tǒng)故障檢測、報警。

5.3基于Modbus/TCP的遠程通信與數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)

（1）網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)

分布在網(wǎng)絡(luò)上的診斷信息需要通過遠程數(shù)據(jù)采集,匯總到網(wǎng)絡(luò)上的遠程診斷中心,遠程診斷中心實時監(jiān)測各站點當前管道運行狀態(tài),一方面可以實現(xiàn)對管道進行遠程泄漏診斷,另一方面也可將實時診斷結(jié)果傳遞給相關(guān)子站,便于對各種故障及時采取措施,避免更大損失。由于系統(tǒng)由兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成,分別由Modbus協(xié)議和Modbus/TCP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)單元之間的通信。

①現(xiàn)場總線單元之間的通信

站控計算機和RTU終端構(gòu)成分布式泵站監(jiān)控站,處在第二層網(wǎng)絡(luò),通過RS232/485轉(zhuǎn)換接口及雙絞線構(gòu)成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。站控計算機采用Client/Server方式,可實現(xiàn)過程級優(yōu)化協(xié)調(diào)控制,向下讀取RTU數(shù)據(jù),向上發(fā)送監(jiān)控站各參數(shù)信息并接收監(jiān)控中心下達的調(diào)度控制信息。站控RTU作為現(xiàn)場檢測控制主機,采集管道流量、壓力、溫度等信號,控制泵、閥等執(zhí)行機構(gòu)動作。現(xiàn)場儀表主要由各種傳感器和高速采集卡組成,負責采集泵站各閥門、油罐狀態(tài)及管道運行參數(shù)信息。

②監(jiān)控中心與站點監(jiān)控機或RTU之間的通信

監(jiān)控中心是操作、監(jiān)視、控制管理和設(shè)計的中心,是全系統(tǒng)與外界聯(lián)系的窗口。監(jiān)控中心按照星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成監(jiān)控中心局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程訪問登錄服務(wù)。RTU作為一種遠端測控單元裝置,負責對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制。與常用的可編程控制器PLC相比,RTU通常要具有優(yōu)良的通信能力和更大的存儲容量,適用于更為惡劣環(huán)境下溫度等參數(shù)的采集,并提供更多的計算功能。正是由于RTU完善的功能,使得RTU產(chǎn)品在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用。

由于Modbus/TCP協(xié)議采用Client/Server的通信模型,因此協(xié)議實現(xiàn)時分為客戶端程序和服務(wù)器端程序兩部分。監(jiān)控中心主機作為客戶端,遠程站控計算機或RTU作為服務(wù)器端。服務(wù)器端可以并行處理多個客戶請求,同時還能進行Modbus幀處理。監(jiān)控中心根據(jù)Modbus/TCP的通信機制,實時地通過各個網(wǎng)段的502端口,直接讀取與之相連的遠程終端存儲單元的數(shù)據(jù),并存入數(shù)據(jù)服務(wù)器中。監(jiān)控中心組態(tài)程序運行時,可以通過設(shè)置一定頻率從遠程服務(wù)器中采集數(shù)據(jù),并繪制出相應(yīng)的曲線。

（2）以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能

RTU終端是通過RS232/485轉(zhuǎn)換接口及雙絞線構(gòu)成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,而與遠程監(jiān)控中心則是通過Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的,因此需要添加特定的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān),來實現(xiàn)Modus協(xié)議與Modbus/TCP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)將從串口得到的RTU數(shù)據(jù)經(jīng)過報文拆裝后,根據(jù)規(guī)約進行轉(zhuǎn)換,通過網(wǎng)卡通信模塊發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。反之,網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)到達網(wǎng)關(guān)后也經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后,組裝成新的報文,發(fā)送給目的RTU。

（3）遠程數(shù)據(jù)通信程序?qū)崿F(xiàn)方法

硬件安裝及網(wǎng)絡(luò)設(shè)置后,用戶可采用Intouch等專業(yè)組態(tài)軟件對遠程泵站進行實時監(jiān)控,也可以通過自行開發(fā)的VC、VB、DELPHI程序軟件實現(xiàn)對遠程終端的訪問和數(shù)據(jù)采集,自行開發(fā)的軟件模塊可以采用Sockets編程實現(xiàn)。Windows Sockets接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)最為通用的API,已成為Windows網(wǎng)絡(luò)編程的標準。它以Unix中流行的Socket接口為范例定義了一套Microsoft Windows下網(wǎng)絡(luò)編程接口函數(shù)庫。Microsoft在Socket API庫的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了Winsock控件,專門用于Windows接口,與Sockct完全兼容。利用Winsock控件可以與遠程計算機建立連接,Winsock包含有用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)和傳輸控制協(xié)議(TCP)。Winsock控件對用戶來說是不可見的,它提供了訪問UDP和TCP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。Winsock封裝了煩瑣的技術(shù)細節(jié),編寫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序時,不用了解TCP/IP的細節(jié)或調(diào)用低級的Winsock API。通過設(shè)置控件的屬性并調(diào)用其方法就可以輕易地連接到一臺遠程機器上去,并且可以進行雙向通信。

利用Winsock創(chuàng)建通信過程如下:

基于TCP通信,需要分別建立客戶程序和服務(wù)器應(yīng)用程序。創(chuàng)建客戶應(yīng)用程序,就必須知道服務(wù)器的名稱或IP地址(Remote Host屬性)和進行偵聽的斷口(Remote Port屬性),然后調(diào)用Connect方法。創(chuàng)建服務(wù)器應(yīng)用程序,應(yīng)設(shè)置一個收聽端口(Local Port屬性),并調(diào)用Listen方法,即可等候遠程客戶端進行調(diào)用與連接。因此,當主機端接收到客戶端調(diào)用并且要求連接的信息時,將會觸發(fā)要求連接(Connection Request)事件,接著進行標準的允許或拒絕操作。一旦主機端與客戶端連接成功,任何一方都可以收發(fā)數(shù)據(jù)。調(diào)用SendData方法發(fā)送數(shù)據(jù),當接收數(shù)據(jù)會觸發(fā)DataArrival事件時,調(diào)用該事件內(nèi)的GetData方法可以獲取數(shù)據(jù)。

6. 新型輸油管道遠程監(jiān)控系統(tǒng)的特點

（1）圖像傳輸時，網(wǎng)絡(luò)資源占用低，在低帶寬條件下傳輸高畫質(zhì)、流暢圖像；

（2）該遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心是“發(fā)現(xiàn)可疑行為”和“攝像”。尤其以“發(fā)現(xiàn)可疑行為”作為設(shè)計基礎(chǔ)，只有在發(fā)現(xiàn)了可疑行為的基礎(chǔ)，才開始報警及攝像記錄。這樣既減輕管理人員的負擔，又達到24小時全天候遠程監(jiān)控的目的。

（3）能夠可視化管理，在監(jiān)控中心和客戶端同一界面顯示實時視頻圖像和實時變化數(shù)據(jù)，從而達到可視化的管理功能。

（4）增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，可以結(jié)合現(xiàn)場的實際情況和單位的要求，進行改進，而這些改進都是很方便的。

（5）信息安全：充分利用網(wǎng)絡(luò)隧道、128位加密算法、防火墻/VPN、加密鎖、權(quán)限管理、安全認證、實時時鐘等技術(shù)，保證監(jiān)控系統(tǒng)和錄像資料不被越權(quán)使用和破壞；

（6）強大管理平臺：分布分級式管理，用戶可以不受時間、空間限制對監(jiān)控管理目標進行實時監(jiān)控、實時管理、實時查看、實時指揮。

7.結(jié)論

該輸油管道遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以對任何類型管道進行遠程監(jiān)控，可以在輸油管道的監(jiān)控工作中節(jié)省大量的人力物力，快速有效地發(fā)現(xiàn)管道中出現(xiàn)的異�，F(xiàn)象，自動化程度高、安全、可靠，所以具有廣泛的應(yīng)用前景及經(jīng)濟價值。

圖2  輸油管道遠程監(jiān)控系統(tǒng)

圖3 輸油管道視頻監(jiān)控平臺

圖4 視頻監(jiān)控服務(wù)界面

參考文獻：

[1]Jackson  M. The Software and the Machine[M]. Beijing: Science Press, 1995：283-292.

[2]Offen R. Domain Understanding Is the key to Successful System Development[J].Requirement Eng.2002,21(7):172-175.

[3]Boehm B. Understanding and Controlling Software Costs[J]. Trans Software Eng.1998,14(10):1462-1477.

[4] 楊燕婷，周山宏.基于振動傳感器的油氣輸送管道監(jiān)控報警系統(tǒng)[J].石油工業(yè)計算機應(yīng)用，2005，3（13）：36-38

[5] 喬會東.網(wǎng)絡(luò)電視監(jiān)控系統(tǒng)在油氣長輸管道中的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2006，4（43）：43-45

作者簡介：趙云，工程師，1969年生，2009年畢業(yè)于西北師范大學，現(xiàn)主要從事長輸油氣管道的運行管理工作。通訊地址：烏魯木齊市北京中路666號塔里木石油酒店迎賓樓612室，郵編：830013 電話：0991-6996843 E-mail：zhaoyun696@petrochina.com.cn

《管道保護》2010年第1期（總第1期）