單位：中國石油西部管道管道（保衛）處

作者：趙  云、楊永和

時間：2009年6月

新型輸油管道遠程監控系統

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小時全天候遠程監控系統。該系統的自動化程度高、安全、可靠，具有廣泛的應用前景及經濟價值。

關鍵詞：輸油管道；監控；系統

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”發展規劃中,我國政府制定了“加強輸油管道建設,形成管道運輸網”的發展戰略。根據有關方面的規劃,未來10年內,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的高峰期。隨著大規模輸油管道的建設,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境惡劣、交通不便的地區。如果在這些地方建立站場,勢必給企業增加很大的運行成本。但如果輸油管道泄漏現象，不僅會造成石油和天然氣的大量浪費，而且會嚴重污染環境。同時，近年來輸油管道的打孔盜油現象非常嚴重，往往巡線人員前腳走，不法分子后腳就開始大肆打孔盜油，且打孔盜油技術十分“熟練”，十幾分鐘內就能完成打孔、裝閥門、放油，等巡線人員發現情況返回時，不法分子早已逃之夭夭，產生的經濟損失是不可估量的。因此，對輸油管道建立新型24小時全天候遠程監控系統具有重大的社會和經濟意義。

1.傳統的遠程監控系統存在的問題

傳統的遠程監控系統是采用傳統的閉路電視監控或傳統電子儀器進行遠程監控，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，管理人員需要監視太多的視頻畫面，遠遠超出人的接受能力，導致實際監控效果低下。實驗結果表明，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，而使用傳統的電子儀器進行測試，儀器易損，操作困難，適應性差，在雨季和冬季作業時搬遷非常困難。

2. 新型輸油管道遠程監控系統工作原理

監控系統主要由通信接收機、Windows電腦平臺、顯示器、打印機、音箱和網絡接口等組成，如圖1所示。

圖1 監控系統框架圖

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控所發出的處理結果接收到Windows電腦平臺上，并通過軟件將整個輸油管道的安全狀態描述出來，出現異常信號的位置、數量、類型將清晰的顯現在顯示器上，可以通過音箱發出報警信號提醒監控人員，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控報警系統聯網，使得所有輸油管道的狀態被一覽無余的監控在我們眼中。

3.與傳統的遠程監控系統典型區別

典型區別在于這套遠程監控系統同時采用了振動信號處理器和視頻監控。輸油管道發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，產生孔口，流體會持續地向外噴流，產生強烈振動，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、車輛或動力系統靠近，這些人員、車輛運動或動力系統產生的振動也會沿管道和地面傳播。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生的振動波，并轉換成電信號，經過自適應識別處理技術，能將各種異常振動信號從環境噪聲中提取出來，經過特征識別后把識別結果傳輸到顯示終端振動信號處理器，再通過音箱發出報警信號提醒監控人員，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控工作中解脫出來，以便有更多的資源應對可疑現場，同時達到24小時全天候遠程監控的目的。

4.主要監控設備

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換為光學信號，經光學系統放大后顯示和記錄，它具有能測量的靈敏度較高，精度也較高，使用簡單方便，不易損壞等諸多優點。

4.2視頻監控設備

視頻監控設備主要包括攝像機、硬盤錄像機和監視器。由于站場的部分攝像頭安裝在野外工作環境,以及在有防爆等特殊環境下工作的要求,同時要求晝夜監視,因此必須選擇較高性能的攝像機產品,以及選擇經過國家防爆認證的防爆護罩和防爆云臺,以保證系統能夠長期穩定可靠地工作。室內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 監控系統主機

監控系統主機對所有輸油管道實時監視、控制和數據采集,其主要功能有:通過通信通道向各個RTU采集主要工藝參數及運行狀態;向各被控站發送控制指令,通過站控系統執行完成運行參數采集及狀態、動態趨勢、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報告打印;數據處理;系統故障檢測和報警。

4.4 數據采集卡

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

5. 新型輸油管道遠程監控系統體系結構

5.1整體框架

整個監控系統由兩層網絡組成，第一層是信息網絡層,即以太網(Ethernet),由監控中心計算機通過網卡、以太網交換機和Modbus/TCP網關由以太網單元相連而組成,監控站或遠程終端通過Modbus/TCP協議與監控中心實現數據交換。第二層是監控器件網絡層,即Modbus網。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,管道運行參數的數據采集、控制單元等。該網絡層由RS232/485現場總線連接而成。

5.2功能說明

監控系統主機對所有站場及無人閥室的主要工藝參數進行在線實時監視、控制和數據采集,其主要功能有:通過通信通道向各個RTU采集主要工藝參數及運行狀態;向各被控站發送控制指令,通過站控系統執行并完成運行參數采集、狀態顯示、動態趨勢顯示、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、事故狀態報告打印;數據處理;系統故障檢測、報警。

5.3基于Modbus/TCP的遠程通信與數據交換實現

（1）網絡通信實現

分布在網絡上的診斷信息需要通過遠程數據采集,匯總到網絡上的遠程診斷中心,遠程診斷中心實時監測各站點當前管道運行狀態,一方面可以實現對管道進行遠程泄漏診斷,另一方面也可將實時診斷結果傳遞給相關子站,便于對各種故障及時采取措施,避免更大損失。由于系統由兩層網絡結構組成,分別由Modbus協議和Modbus/TCP協議實現網絡單元之間的通信。

①現場總線單元之間的通信

站控計算機和RTU終端構成分布式泵站監控站,處在第二層網絡,通過RS232/485轉換接口及雙絞線構成現場總線網絡,通過Modbus協議實現數據交換。站控計算機采用Client/Server方式,可實現過程級優化協調控制,向下讀取RTU數據,向上發送監控站各參數信息并接收監控中心下達的調度控制信息。站控RTU作為現場檢測控制主機,采集管道流量、壓力、溫度等信號,控制泵、閥等執行機構動作。現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、油罐狀態及管道運行參數信息。

②監控中心與站點監控機或RTU之間的通信

監控中心是操作、監視、控制管理和設計的中心,是全系統與外界聯系的窗口。監控中心按照星形網絡結構構成監控中心局域網絡系統,通過網絡實現遠程訪問登錄服務。RTU作為一種遠端測控單元裝置,負責對現場信號、工業設備的監測和控制。與常用的可編程控制器PLC相比,RTU通常要具有優良的通信能力和更大的存儲容量,適用于更為惡劣環境下溫度等參數的采集,并提供更多的計算功能。正是由于RTU完善的功能,使得RTU產品在遠程監控系統中得到了大量應用。

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

（2）以太網網關功能

RTU終端是通過RS232/485轉換接口及雙絞線構成現場總線網絡,通過Modbus協議實現數據交換,而與遠程監控中心則是通過Modbus/TCP網絡協議結構實現數據交換的,因此需要添加特定的以太網網關,來實現Modus協議與Modbus/TCP協議之間的轉換。網關將從串口得到的RTU數據經過報文拆裝后,根據規約進行轉換,通過網卡通信模塊發送到網絡上。反之,網絡上的數據到達網關后也經規約轉換后,組裝成新的報文,發送給目的RTU。

（3）遠程數據通信程序實現方法

硬件安裝及網絡設置后,用戶可采用Intouch等專業組態軟件對遠程泵站進行實時監控,也可以通過自行開發的VC、VB、DELPHI程序軟件實現對遠程終端的訪問和數據采集,自行開發的軟件模塊可以采用Sockets編程實現。Windows Sockets接口是TCP/IP網絡最為通用的API,已成為Windows網絡編程的標準。它以Unix中流行的Socket接口為范例定義了一套Microsoft Windows下網絡編程接口函數庫。Microsoft在Socket API庫的基礎上創建了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包含有用戶數據報協議(UDP)和傳輸控制協議(TCP)。Winsock控件對用戶來說是不可見的,它提供了訪問UDP和TCP網絡服務的方便途徑。Winsock封裝了煩瑣的技術細節,編寫網絡應用程序時,不用了解TCP/IP的細節或調用低級的Winsock API。通過設置控件的屬性并調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器應用程序。創建客戶應用程序,就必須知道服務器的名稱或IP地址(Remote Host屬性)和進行偵聽的斷口(Remote Port屬性),然后調用Connect方法。創建服務器應用程序,應設置一個收聽端口(Local Port屬性),并調用Listen方法,即可等候遠程客戶端進行調用與連接。因此,當主機端接收到客戶端調用并且要求連接的信息時,將會觸發要求連接(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數據。調用SendData方法發送數據,當接收數據會觸發DataArrival事件時,調用該事件內的GetData方法可以獲取數據。

6. 新型輸油管道遠程監控系統的特點

（1）圖像傳輸時，網絡資源占用低，在低帶寬條件下傳輸高畫質、流暢圖像；

（2）該遠程監控系統的核心是“發現可疑行為”和“攝像”。尤其以“發現可疑行為”作為設計基礎，只有在發現了可疑行為的基礎，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小時全天候遠程監控的目的。

（3）能夠可視化管理，在監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據，從而達到可視化的管理功能。

（4）增加了系統設計的靈活性，可以結合現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：充分利用網絡隧道、128位加密算法、防火墻/VPN、加密鎖、權限管理、安全認證、實時時鐘等技術，保證監控系統和錄像資料不被越權使用和破壞；

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

7.結論

該輸油管道遠程監控系統可以對任何類型管道進行遠程監控，可以在輸油管道的監控工作中節省大量的人力物力，快速有效地發現管道中出現的異常現象，自動化程度高、安全、可靠，所以具有廣泛的應用前景及經濟價值。

圖2  輸油管道遠程監控系統

圖3 輸油管道視頻監控平臺

圖4 視頻監控服務界面

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控報警系統[J].石油工業計算機應用，2005，3（13）：36-38

[5] 喬會東.網絡電視監控系統在油氣長輸管道中的應用[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年畢業于西北師范大學，現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）