单位：中国石油西部管道管道（保卫）处

作者：赵  云、杨永和

时间：2009年6月

新型输油管道远程监控系统

摘要：针对输油管道的安全问题日益重要，对输油管道建立新型24小时全天候远程监控系统。该系统的自动化程度高、安全、可靠，具有广泛的应用前景及经济价值。

关键词：输油管道；监控；系统

中图分类号:   TP274                       文献标识码：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”发展规划中,我国政府制定了“加强输油管道建设,形成管道运输网”的发展战略。根据有关方面的规划,未来10年内,中国将建成14条输油管道,形成“两纵、两横、四枢纽、五气库”,总长超过一万公里的输油管道格局。这预示着中国即将迎来输油管道建设的高峰期。随着大规模输油管道的建设,输油管道的安全问题受到高度重视。

由于通常输油管道大部分处于自然环境恶劣、交通不便的地区。如果在这些地方建立站场,势必给企业增加很大的运行成本。但如果输油管道泄漏现象，不仅会造成石油和天然气的大量浪费，而且会严重污染环境。同时，近年来输油管道的打孔盗油现象非常严重，往往巡线人员前脚走，不法分子后脚就开始大肆打孔盗油，且打孔盗油技术十分“熟练”，十几分钟内就能完成打孔、装阀门、放油，等巡线人员发现情况返回时，不法分子早已逃之夭夭，产生的经济损失是不可估量的。因此，对输油管道建立新型24小时全天候远程监控系统具有重大的社会和经济意义。

1.传统的远程监控系统存在的问题

传统的远程监控系统是采用传统的闭路电视监控或传统电子仪器进行远程监控，误差较大，效率也比较低，而且硬件投资比较大。同时，在模式下，管理人员需要监视太多的视频画面，远远超出人的接受能力，导致实际监控效果低下。实验结果表明，在盯着视频画面仅仅22分钟之后，人眼将对视频画面里95%以上的活动信息视而不见，而使用传统的电子仪器进行测试，仪器易损，操作困难，适应性差，在雨季和冬季作业时搬迁非常困难。

2. 新型输油管道远程监控系统工作原理

监控系统主要由通信接收机、Windows电脑平台、显示器、打印机、音箱和网络接口等组成，如图1所示。

图1 监控系统框架图

通信接收机主要将分布在输油管道各个位置的振动信号处理器和视频监控所发出的处理结果接收到Windows电脑平台上，并通过软件将整个输油管道的安全状态描述出来，出现异常信号的位置、数量、类型将清晰的显现在显示器上，可以通过音箱发出报警信号提醒监控人员，通过摄像机将视频储存下来，还可以通过Internet与其他输油管道的监控报警系统联网，使得所有输油管道的状态被一览无余的监控在我们眼中。

3.与传统的远程监控系统典型区别

典型区别在于这套远程监控系统同时采用了振动信号处理器和视频监控。输油管道发生泄漏或人为破坏及打孔盗油时必然会引起管道振动信号的异常。由于管道壁遭到破坏和老化，产生孔口，流体会持续地向外喷流，产生强烈振动，振动以波的形式从振源沿管壁和管中流体向两侧远距离传播:为了偷石油或者天然气，必然事先有人员、车辆或动力系统靠近，这些人员、车辆运动或动力系统产生的振动也会沿管道和地面传播。这时，安装在管道上间距一定的振动传感器将探测到这些事件产生的振动波，并转换成电信号，经过自适应识别处理技术，能将各种异常振动信号从环境噪声中提取出来，经过特征识别后把识别结果传输到显示终端振动信号处理器，再通过音箱发出报警信号提醒监控人员，同时通过摄像机和摄像头将视频储存下来，这样就能够减轻管理人员的负担。这样才能真正让控制中心人员从繁杂的电视监控工作中解脱出来，以便有更多的资源应对可疑现场，同时达到24小时全天候远程监控的目的。

4.主要监控设备

4.1 振动传感器

在这里，我们选用这新型的光电式振动传感器，它将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录，它具有能测量的灵敏度较高，精度也较高，使用简单方便，不易损坏等诸多优点。

4.2视频监控设备

视频监控设备主要包括摄像机、硬盘录像机和监视器。由于站场的部分摄像头安装在野外工作环境,以及在有防爆等特殊环境下工作的要求,同时要求昼夜监视,因此必须选择较高性能的摄像机产品,以及选择经过国家防爆认证的防爆护罩和防爆云台,以保证系统能够长期稳定可靠地工作。室内摄像机可选择一体化快球摄像机,室外可选择彩色低照度摄像机,摄像机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 监控系统主机

监控系统主机对所有输油管道实时监视、控制和数据采集,其主要功能有:通过通信通道向各个RTU采集主要工艺参数及运行状态;向各被控站发送控制指令,通过站控系统执行完成运行参数采集及状态、动态趋势、历史趋势和模拟流程显示;运行事件、资料的存储和记录;运行报表和事故状态报告打印;数据处理;系统故障检测和报警。

4.4 数据采集卡

根据实际需要和对各种PCI型号的数据采集卡进行比较，最后选择了PCI1711这种数据采集卡。因PCI1711是一种基于PCI总线的多通道A／D（数字量/模拟量）转换卡，可用于各类模拟量的采集、控制和处理，而振动的参数为模拟量，故用PCI1711采集模拟量。

5. 新型输油管道远程监控系统体系结构

5.1整体框架

整个监控系统由两层网络组成，第一层是信息网络层,即以太网(Ethernet),由监控中心计算机通过网卡、以太网交换机和Modbus/TCP网关由以太网单元相连而组成,监控站或远程终端通过Modbus/TCP协议与监控中心实现数据交换。第二层是监控器件网络层,即Modbus网。其组成为:(1)输送站站控计算机;(2)RTU终端控制单元;(3)输送站各阀门,管道运行参数的数据采集、控制单元等。该网络层由RS232/485现场总线连接而成。

5.2功能说明

监控系统主机对所有站场及无人阀室的主要工艺参数进行在线实时监视、控制和数据采集,其主要功能有:通过通信通道向各个RTU采集主要工艺参数及运行状态;向各被控站发送控制指令,通过站控系统执行并完成运行参数采集、状态显示、动态趋势显示、历史趋势显示、模拟流程显示;运行事件、资料存储、记录;运行报表打印、事故状态报告打印;数据处理;系统故障检测、报警。

5.3基于Modbus/TCP的远程通信与数据交换实现

（1）网络通信实现

分布在网络上的诊断信息需要通过远程数据采集,汇总到网络上的远程诊断中心,远程诊断中心实时监测各站点当前管道运行状态,一方面可以实现对管道进行远程泄漏诊断,另一方面也可将实时诊断结果传递给相关子站,便于对各种故障及时采取措施,避免更大损失。由于系统由两层网络结构组成,分别由Modbus协议和Modbus/TCP协议实现网络单元之间的通信。

①现场总线单元之间的通信

站控计算机和RTU终端构成分布式泵站监控站,处在第二层网络,通过RS232/485转换接口及双绞线构成现场总线网络,通过Modbus协议实现数据交换。站控计算机采用Client/Server方式,可实现过程级优化协调控制,向下读取RTU数据,向上发送监控站各参数信息并接收监控中心下达的调度控制信息。站控RTU作为现场检测控制主机,采集管道流量、压力、温度等信号,控制泵、阀等执行机构动作。现场仪表主要由各种传感器和高速采集卡组成,负责采集泵站各阀门、油罐状态及管道运行参数信息。

②监控中心与站点监控机或RTU之间的通信

监控中心是操作、监视、控制管理和设计的中心,是全系统与外界联系的窗口。监控中心按照星形网络结构构成监控中心局域网络系统,通过网络实现远程访问登录服务。RTU作为一种远端测控单元装置,负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比,RTU通常要具有优良的通信能力和更大的存储容量,适用于更为恶劣环境下温度等参数的采集,并提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能,使得RTU产品在远程监控系统中得到了大量应用。

由于Modbus/TCP协议采用Client/Server的通信模型,因此协议实现时分为客户端程序和服务器端程序两部分。监控中心主机作为客户端,远程站控计算机或RTU作为服务器端。服务器端可以并行处理多个客户请求,同时还能进行Modbus帧处理。监控中心根据Modbus/TCP的通信机制,实时地通过各个网段的502端口,直接读取与之相连的远程终端存储单元的数据,并存入数据服务器中。监控中心组态程序运行时,可以通过设置一定频率从远程服务器中采集数据,并绘制出相应的曲线。

（2）以太网网关功能

RTU终端是通过RS232/485转换接口及双绞线构成现场总线网络,通过Modbus协议实现数据交换,而与远程监控中心则是通过Modbus/TCP网络协议结构实现数据交换的,因此需要添加特定的以太网网关,来实现Modus协议与Modbus/TCP协议之间的转换。网关将从串口得到的RTU数据经过报文拆装后,根据规约进行转换,通过网卡通信模块发送到网络上。反之,网络上的数据到达网关后也经规约转换后,组装成新的报文,发送给目的RTU。

（3）远程数据通信程序实现方法

硬件安装及网络设置后,用户可采用Intouch等专业组态软件对远程泵站进行实时监控,也可以通过自行开发的VC、VB、DELPHI程序软件实现对远程终端的访问和数据采集,自行开发的软件模块可以采用Sockets编程实现。Windows Sockets接口是TCP/IP网络最为通用的API,已成为Windows网络编程的标准。它以Unix中流行的Socket接口为范例定义了一套Microsoft Windows下网络编程接口函数库。Microsoft在Socket API库的基础上创建了Winsock控件,专门用于Windows接口,与Sockct完全兼容。利用Winsock控件可以与远程计算机建立连接,Winsock包含有用户数据报协议(UDP)和传输控制协议(TCP)。Winsock控件对用户来说是不可见的,它提供了访问UDP和TCP网络服务的方便途径。Winsock封装了烦琐的技术细节,编写网络应用程序时,不用了解TCP/IP的细节或调用低级的Winsock API。通过设置控件的属性并调用其方法就可以轻易地连接到一台远程机器上去,并且可以进行双向通信。

利用Winsock创建通信过程如下:

基于TCP通信,需要分别建立客户程序和服务器应用程序。创建客户应用程序,就必须知道服务器的名称或IP地址(Remote Host属性)和进行侦听的断口(Remote Port属性),然后调用Connect方法。创建服务器应用程序,应设置一个收听端口(Local Port属性),并调用Listen方法,即可等候远程客户端进行调用与连接。因此,当主机端接收到客户端调用并且要求连接的信息时,将会触发要求连接(Connection Request)事件,接着进行标准的允许或拒绝操作。一旦主机端与客户端连接成功,任何一方都可以收发数据。调用SendData方法发送数据,当接收数据会触发DataArrival事件时,调用该事件内的GetData方法可以获取数据。

6. 新型输油管道远程监控系统的特点

（1）图像传输时，网络资源占用低，在低带宽条件下传输高画质、流畅图像；

（2）该远程监控系统的核心是“发现可疑行为”和“摄像”。尤其以“发现可疑行为”作为设计基础，只有在发现了可疑行为的基础，才开始报警及摄像记录。这样既减轻管理人员的负担，又达到24小时全天候远程监控的目的。

（3）能够可视化管理，在监控中心和客户端同一界面显示实时视频图像和实时变化数据，从而达到可视化的管理功能。

（4）增加了系统设计的灵活性，可以结合现场的实际情况和单位的要求，进行改进，而这些改进都是很方便的。

（5）信息安全：充分利用网络隧道、128位加密算法、防火墙/VPN、加密锁、权限管理、安全认证、实时时钟等技术，保证监控系统和录像资料不被越权使用和破坏；

（6）强大管理平台：分布分级式管理，用户可以不受时间、空间限制对监控管理目标进行实时监控、实时管理、实时查看、实时指挥。

7.结论

该输油管道远程监控系统可以对任何类型管道进行远程监控，可以在输油管道的监控工作中节省大量的人力物力，快速有效地发现管道中出现的异常现象，自动化程度高、安全、可靠，所以具有广泛的应用前景及经济价值。

图2  输油管道远程监控系统

图3 输油管道视频监控平台

图4 视频监控服务界面

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作者简介：赵云，工程师，1969年生，2009年毕业于西北师范大学，现主要从事长输油气管道的运行管理工作。通讯地址：乌鲁木齐市北京中路666号塔里木石油酒店迎宾楼612室，邮编：830013 电话：0991-6996843 E-mail：zhaoyun696@petrochina.com.cn

《管道保护》2010年第1期（总第1期）