單位：中國(guó)石油西部管道管道（保衛(wèi)）處

作者：趙  云、楊永和

時(shí)間：2009年6月

新型輸油管道遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對(duì)輸油管道的安全問(wèn)題日益重要，對(duì)輸油管道建立新型24小時(shí)全天候遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高、安全、可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：輸油管道；監(jiān)控；系統(tǒng)

中圖分類號(hào):   TP274                       文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)政府制定了“加強(qiáng)輸油管道建設(shè),形成管道運(yùn)輸網(wǎng)”的發(fā)展戰(zhàn)略。根據(jù)有關(guān)方面的規(guī)劃,未來(lái)10年內(nèi),中國(guó)將建成14條輸油管道,形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫(kù)”,總長(zhǎng)超過(guò)一萬(wàn)公里的輸油管道格局。這預(yù)示著中國(guó)即將迎來(lái)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(wèn)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(chǎng),勢(shì)必給企業(yè)增加很大的運(yùn)行成本。但如果輸油管道泄漏現(xiàn)象，不僅會(huì)造成石油和天然氣的大量浪費(fèi)，而且會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。同時(shí)，近年來(lái)輸油管道的打孔盜油現(xiàn)象非常嚴(yán)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(shí)，不法分子早已逃之夭夭，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失是不可估量的。因此，對(duì)輸油管道建立新型24小時(shí)全天候遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

1.傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)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(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)，在模式下，管理人員需要監(jiān)視太多的視頻畫面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人的接受能力，導(dǎo)致實(shí)際監(jiān)控效果低下。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在盯著視頻畫面僅僅22分鐘之后，人眼將對(duì)視頻畫面里95%以上的活動(dòng)信息視而不見，而使用傳統(tǒng)的電子儀器進(jìn)行測(cè)試，儀器易損，操作困難，適應(yīng)性差，在雨季和冬季作業(yè)時(shí)搬遷非常困難。

2. 新型輸油管道遠(yuǎn)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(jī)、Windows電腦平臺(tái)、顯示器、打印機(jī)、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(jī)主要將分布在輸油管道各個(gè)位置的振動(dòng)信號(hào)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(tái)上，并通過(guò)軟件將整個(gè)輸油管道的安全狀態(tài)描述出來(lái)，出現(xiàn)異常信號(hào)的位置、數(shù)量、類型將清晰的顯現(xiàn)在顯示器上，可以通過(guò)音箱發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒監(jiān)控人員，通過(guò)攝像機(jī)將視頻儲(chǔ)存下來(lái)，還可以通過(guò)Internet與其他輸油管道的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，使得所有輸油管道的狀態(tài)被一覽無(wú)余的監(jiān)控在我們眼中。

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

典型區(qū)別在于這套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)采用了振動(dòng)信號(hào)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(shí)必然會(huì)引起管道振動(dòng)信號(hào)的異常。由于管道壁遭到破壞和老化，產(chǎn)生孔口，流體會(huì)持續(xù)地向外噴流，產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，振動(dòng)以波的形式從振源沿管壁和管中流體向兩側(cè)遠(yuǎn)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(dòng)力系統(tǒng)靠近，這些人員、車輛運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)沿管道和地面?zhèn)鞑ァ＿@時(shí)，安裝在管道上間距一定的振動(dòng)傳感器將探測(cè)到這些事件產(chǎn)生的振動(dòng)波，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)識(shí)別處理技術(shù)，能將各種異常振動(dòng)信號(hào)從環(huán)境噪聲中提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)特征識(shí)別后把識(shí)別結(jié)果傳輸?shù)斤@示終端振動(dòng)信號(hào)處理器，再通過(guò)音箱發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒監(jiān)控人員，同時(shí)通過(guò)攝像機(jī)和攝像頭將視頻儲(chǔ)存下來(lái)，這樣就能夠減輕管理人員的負(fù)擔(dān)。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(lái)，以便有更多的資源應(yīng)對(duì)可疑現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)達(dá)到24小時(shí)全天候遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

4.主要監(jiān)控設(shè)備

4.1 振動(dòng)傳感器

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

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(jī)、硬盤錄像機(jī)和監(jiān)視器。由于站場(chǎng)的部分?jǐn)z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(shí)要求晝夜監(jiān)視,因此必須選擇較高性能的攝像機(jī)產(chǎn)品,以及選擇經(jīng)過(guò)國(guó)家防爆認(rèn)證的防爆護(hù)罩和防爆云臺(tái),以保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作。室內(nèi)攝像機(jī)可選擇一體化快球攝像機(jī),室外可選擇彩色低照度攝像機(jī),攝像機(jī)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(jī)

監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)對(duì)所有輸油管道實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集,其主要功能有:通過(guò)通信通道向各個(gè)RTU采集主要工藝參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài);向各被控站發(fā)送控制指令,通過(guò)站控系統(tǒng)執(zhí)行完成運(yùn)行參數(shù)采集及狀態(tài)、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)和模擬流程顯示;運(yùn)行事件、資料的存儲(chǔ)和記錄;運(yùn)行報(bào)表和事故狀態(tài)報(bào)告打印;數(shù)據(jù)處理;系統(tǒng)故障檢測(cè)和報(bào)警。

4.4 數(shù)據(jù)采集卡

根據(jù)實(shí)際需要和對(duì)各種PCI型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)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(dòng)的參數(shù)為模擬量，故用PCI1711采集模擬量。

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

5.1整體框架

整個(gè)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(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)卡、以太網(wǎng)交換機(jī)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(yuǎn)程終端通過(guò)Modbus/TCP協(xié)議與監(jiān)控中心實(shí)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(jì)算機(jī);(2)RTU終端控制單元;(3)輸送站各閥門,管道運(yùn)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(chǎng)總線連接而成。

5.2功能說(shuō)明

監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)對(duì)所有站場(chǎng)及無(wú)人閥室的主要工藝參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集,其主要功能有:通過(guò)通信通道向各個(gè)RTU采集主要工藝參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài);向各被控站發(fā)送控制指令,通過(guò)站控系統(tǒng)執(zhí)行并完成運(yùn)行參數(shù)采集、狀態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)顯示、歷史趨勢(shì)顯示、模擬流程顯示;運(yùn)行事件、資料存儲(chǔ)、記錄;運(yùn)行報(bào)表打印、事故狀態(tài)報(bào)告打印;數(shù)據(jù)處理;系統(tǒng)故障檢測(cè)、報(bào)警。

5.3基于Modbus/TCP的遠(yuǎn)程通信與數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)

（1）網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)

分布在網(wǎng)絡(luò)上的診斷信息需要通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集,匯總到網(wǎng)絡(luò)上的遠(yuǎn)程診斷中心,遠(yuǎn)程診斷中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各站點(diǎn)當(dāng)前管道運(yùn)行狀態(tài),一方面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道進(jìn)行遠(yuǎn)程泄漏診斷,另一方面也可將實(shí)時(shí)診斷結(jié)果傳遞給相關(guān)子站,便于對(duì)各種故障及時(shí)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)單元之間的通信。

①現(xiàn)場(chǎng)總線單元之間的通信

站控計(jì)算機(jī)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(guò)RS232/485轉(zhuǎn)換接口及雙絞線構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),通過(guò)Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。站控計(jì)算機(jī)采用Client/Server方式,可實(shí)現(xiàn)過(guò)程級(jí)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(dá)的調(diào)度控制信息。站控RTU作為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)控制主機(jī),采集管道流量、壓力、溫度等信號(hào),控制泵、閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作�，F(xiàn)場(chǎng)儀表主要由各種傳感器和高速采集卡組成,負(fù)責(zé)采集泵站各閥門、油罐狀態(tài)及管道運(yùn)行參數(shù)信息。

②監(jiān)控中心與站點(diǎn)監(jiān)控機(jī)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(jì)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(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)登錄服務(wù)。RTU作為一種遠(yuǎn)端測(cè)控單元裝置,負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(jì)算功能。正是由于RTU完善的功能,使得RTU產(chǎn)品在遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)時(shí)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(jī)作為客戶端,遠(yuǎn)程站控計(jì)算機(jī)或RTU作為服務(wù)器端。服務(wù)器端可以并行處理多個(gè)客戶請(qǐng)求,同時(shí)還能進(jìn)行Modbus幀處理。監(jiān)控中心根據(jù)Modbus/TCP的通信機(jī)制,實(shí)時(shí)地通過(guò)各個(gè)網(wǎng)段的502端口,直接讀取與之相連的遠(yuǎn)程終端存儲(chǔ)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(yùn)行時(shí),可以通過(guò)設(shè)置一定頻率從遠(yuǎn)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(guò)RS232/485轉(zhuǎn)換接口及雙絞線構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),通過(guò)Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,而與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心則是通過(guò)Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)實(shí)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(lái)實(shí)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(guò)報(bào)文拆裝后,根據(jù)規(guī)約進(jìn)行轉(zhuǎn)換,通過(guò)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(dá)網(wǎng)關(guān)后也經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后,組裝成新的報(bào)文,發(fā)送給目的RTU。

（3）遠(yuǎn)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(duì)遠(yuǎn)程泵站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,也可以通過(guò)自行開發(fā)的VC、VB、DELPHI程序軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程終端的訪問(wèn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)。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(kù)。Microsoft在Socket API庫(kù)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(yuǎn)程計(jì)算機(jī)建立連接,Winsock包含有用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)和傳輸控制協(xié)議(TCP)。Winsock控件對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是不可見的,它提供了訪問(wèn)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(xì)節(jié),編寫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序時(shí),不用了解TCP/IP的細(xì)節(jié)或調(diào)用低級(jí)的Winsock API。通過(guò)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(tái)遠(yuǎn)程機(jī)器上去,并且可以進(jìn)行雙向通信。

利用Winsock創(chuàng)建通信過(guò)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(jìn)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(gè)收聽端口(Local Port屬性),并調(diào)用Listen方法,即可等候遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行調(diào)用與連接。因此,當(dāng)主機(jī)端接收到客戶端調(diào)用并且要求連接的信息時(shí),將會(huì)觸發(fā)要求連接(Connection Request)事件,接著進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的允許或拒絕操作。一旦主機(jī)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(dāng)接收數(shù)據(jù)會(huì)觸發(fā)DataArrival事件時(shí),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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）圖像傳輸時(shí)，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(yuǎn)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(jì)基礎(chǔ)，只有在發(fā)現(xiàn)了可疑行為的基礎(chǔ)，才開始報(bào)警及攝像記錄。這樣既減輕管理人員的負(fù)擔(dān)，又達(dá)到24小時(shí)全天候遠(yuǎn)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(shí)時(shí)視頻圖像和實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，從而達(dá)到可視化的管理功能。

（4）增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和單位的要求，進(jìn)行改進(jìn)，而這些改進(jìn)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(rèn)證、實(shí)時(shí)時(shí)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(qiáng)大管理平臺(tái)：分布分級(jí)式管理，用戶可以不受時(shí)間、空間限制對(duì)監(jiān)控管理目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)管理、實(shí)時(shí)查看、實(shí)時(shí)指揮。

7.結(jié)論

該輸油管道遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)任何類型管道進(jìn)行遠(yuǎn)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(dòng)化程度高、安全、可靠，所以具有廣泛的應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖2  輸油管道遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

圖3 輸油管道視頻監(jiān)控平臺(tái)

圖4 視頻監(jiān)控服務(wù)界面

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作者簡(jiǎn)介：趙云，工程師，1969年生，2009年畢業(yè)于西北師范大學(xué)，現(xiàn)主要從事長(zhǎng)輸油氣管道的運(yùn)行管理工作。通訊地址：烏魯木齊市北京中路666號(hào)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(hù)》2010年第1期（總第1期）