水击超前保护系统分析与设计

水击超前保护系统分析与设计

李庚泽 1 王宇鸿 2

中国石化管道储运有限公司潍坊输油处 山东省潍坊 市 261000

摘要:本文阐述水击对输油管线带来的危害，以及东黄复线水击产生的原因和风险分析。对东黄复线水击超前保护系统进行了分析，详细论述了水击超前保护系统的软硬件设计。在依托现有站控PLC系统的基础上，提出了一套完整的密闭输油管线水击超前保护的理论和设计方案。

关键词: 水击  超前保护 SCADA 系统  PLC系统

一、 问题分析

1.1 水击保护基本原理

东黄复线沿线各站及潍坊调控中心已经全面实现基于计算机技术、通信技术以及自动化技术的SCADA系统(系统控制与数据采集)，利用东黄复线的SCADA系统以及生产网络，建立一个基于PLC（可编程逻辑控制器）系统和计算机系统的水击超前保护系统。

水击超前保护系统在水击发生时用提前停泵的方法进行超前保护，从而保护全线管道和设备。即在某站突然停泵或者干线阀门突然关断时，水击超前保护系统自动向水击发生的输油站的上、下站下达停泵指令的电信号，由于电信号传播的速度远远大于水击波传播的速度（约1km/s），水击超前保护系统可以在水击波到达上、下站之前发出指令停泵，产生减压波来消除水击发生站产生的水击增压波，从而达到保护管道和设备的目的。

1.2 水击产生条件

(1)紧急停泵

输油管线或沿线各中间站突发事故，由人工触发执行输油泵组紧急停泵，当输油泵全停时触发水击。

(2)联锁停泵

输油站出站、泵入口汇管、泵出口汇管压力超过或低于顺序跳泵值联锁停泵执行顺序停泵；输油泵泵体参数超限联锁停泵均执行单泵紧急停泵，采集的运行参数高于联锁设定值；汇管管线压力超过全停跳泵值执行输油泵全跳泵；输油站发生电气故障时并输油泵全部紧急停泵时；均可触发水击。

上述联锁停泵保护除压力开关硬线跳泵以及来自变电所的电气故障、母线电压低外，均设置联锁保护软开关。软开关投用，联锁有效，软开关摘除，联锁无效。

二、方案设计

2.1 水击超前保护系统功能设计

东黄复线水击保护系统配置原则：正常情况下，沿线各站的水击保护数据直接汇聚到水击保护系统所在站，作为主用数据传输通道，设置站场和调控中心路由配置。根据东黄复线水击超前保护系统操作策略以及运行的要求，东黄复线水击超前保护系统具备以下功能：

（1）进行“黄岛-广饶-齐鲁”、“黄岛-广饶-东营”运行工况的设定。东黄复线在运行工况发生改变时，由潍坊处水击超前保护系统操作员工作站根据当前运行工况设定，同时，水击超前保护系统的执行策略也随之进行切换，避免错误的水击保护动作发生。

（2） 满足条件自动触发程序，水击系统触发程序在执行过程中任何步骤中各个监测点的状态均触发报警并写入报警历史记录，并继续执行下一步，这样有利于水击超前保护动作发生停泵时进行原因分析。

（3）由于水击超前保护基于黄岛油库与潍坊处各站之间的生产网通讯系统，水击保护系统应能自动判断黄岛油库与各站间的通讯状态。当发生通讯故障时，自动屏蔽该站水击保护功能并在潍坊处调度室的操作员站上进行报警，待通讯恢复后自动开启水击保护功能。

（4）当发生水击超前保护动作发出停泵指令引发东黄复线全部跳泵后，系统应对引发水击动作的检测参数的数据和状态进行锁定，由潍坊处值班调度人员进行复位操作后才可以恢复运行。

（5）各站进站压力水击超前保护设定值可集成到原站控上位机上，在站控SCADA系统中增操作界面，在操作界面中增设本站“投用/解除”水击超前保护的软限位开关。

（6）当沿线各站的水击信号源触发后，都需要延时2s后执行下一步逻辑，以消除数据采集异常带来的水击误动作。

（7）输油泵事故全停的逻辑判断：站内停电，变电所开关柜出线侧母线电压一般为6kV，通过485通讯的方式把母线电压采集的站控PLC上，一般认为母线电压< 5kV，就判断为发生停电，把变电所停电的判定条件为0kV < 母线电压 < 5KV， 同时所有运行泵由运行状态变为停止状态。

2.2 系统硬件设计

东黄复线沿线各站都是采用施耐德电气Modicon Quantum （昆腾）PLC作为站控SCADA系统的PLC系统，中心控制器是支持热备冗余的CPU。该PLC系统具备以下特点：

如果出现影响主PLC的意外故障，备用系统自动接管，应用程序的执行和I/O的控

制将转换到拥有最新数据的备用PLC。

运行工艺的数据的采集和控制都是通过安装在远程机架上的I/O模块的方式进行。

由于昆腾系列PLC在性能上的诸多优点，对热备冗余的全方位支持，并考虑到PLC系统的兼容性以及数据处理的效率，东黄复线水击超前保护系统新增一套PLC系统,水击PLC利用部署在本地机架上的NOE模块，通过以太网的方式分别与黄岛油库、中间站以及东营站的站控PLC系统进行数据交换和命令控制。

因为东黄复线沿线各站的水击信号的采集及各站跳泵动作的执行都是在各自站控PLC系统上进行的，为保证水击处理逻辑的独立性、可靠性和实时性，水击PLC系统仅仅运行水击处理逻辑程序，除黄岛油库外东黄复线其它各站通过站控PLC通讯的方式来采集数据和发出指令，黄岛油库的水击触发通过水击PLC系统的远程I/O机架进行检测和执行水击跳泵。所以，水击PLC系统需要配置热备冗余的两个本地机架和一个远程I/O机架。

2.3系统软件设计

2.3.1 下位机程序设计

PLC系统内部运行的工控程序一般采用Unity Pro作为下位机软件的开发环境，考虑的与其它站点的兼容性，水击PLC程序采用Unity 5.0来进行设计。

Unity Pro 5.0不仅可以与PLC上传/下载程序，还可以在PC上仿真PLC，无需硬件即可编程，并进行应用程序的调试。支持多种PLC程序开发语言，易于调试，支持断点，单步执行，观测点功能，内置诊断观测器的系统诊断，便于PLC程序的调试。

（1）项目配置

根据硬件设计阶段确定的机架以及模块类型，在Unity Pro开发环境中建立本地机架以及远程机架，并配置好对应电源模块、CPU模块、RIO通讯模块、以太网通讯模块以及I/O模块。

（2）任务程序

黄岛油库出站压力采集、输油泵状态及停泵指令采用远程I/O机架的方式，其它比如压力开关状态、电气故障信号等是采用昆腾PLC间通讯等方式进行数据读取与控制。并通过水击触发程序，进行逻辑控制。

2.3.2 上位机程序设计

水击超前保护系统操作员工作站（上位机）SCADA系统是采用CitectSCADA7.2来设计的，CitectSCADA是领先世界的工业自动化软件系统，是基于真正客户-服务器的结构体系，CitectSCADA提供了最大的灵活性，稳定性和可靠性，以及方便快捷的安装和管理功能。

在水击超前保护SCADA系统中，根据功能需求，上位机只需要设计I/O通讯、Alarms（报警）、Display（显示）三个主要功能组件。

(1)I/O通讯设计

I/O通讯是Citect数据采集与控制的基础，负责与I/O设备（远程的水击PLC）进行通讯，将原始数据采集后，为Citect其它功能组件提供数据服务。

(2) Alarms报警设计

当显示报警列表时，就会向报警服务器请求特定的报警数据，触发点的定义和报警状态，监视所有的报警状态：模拟量，数字量，统计过程控制（SPC）。

（3）Display显示设计

用户管理及权限设定, 报警信息显示, 显示水击信号采集的各种状态、压力数据，以及投用／维护联锁，运行方式设定等。便于进行与其他的任务接口更新画面的数据并执行控制命令。

结束语

实践证明，水击超前保护系统进一步完善了输油管线中联锁保护系统的范畴，不仅仅提高了潍坊输油处的自动化水平,更为东黄复线这条30多年的老管线继续平稳运行、继续创造效益提供了安全保障。

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