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摘要：管道输送是天然气运输中最重要的运输方式，相比于其他的运输方式，管道运输不但可以实现天然气的远距离运输，同时还具有运输成本低、安全性高的優点。在目前的天然气的管道输送中，自动化技术得到了广泛的应用。PLC/RTU技术在工业控制中有着很高的稳定性和有效性，可以有效地提高天然气的输送效率。本文阐述了基于PLC/RTU技术在天然气管道输送中的应用，期待能够起到一定的借鉴作用。
关键词：PLC/RTU；天然气；管道输送；应用研究
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）27-0244-03
随着我国经济的快速发展以及工业化进程的不断完善，工业生产和社会生活中对于能源的需求也越来越迫切。同石油、煤炭等能源相比，天然气具有经济、安全、环保等优点。在天然气的输送中，采用传统的公路、铁路方式难以实现高效率的输送，采用管道输送的方式可以很好地解决这个问题。管道输送天然气可以实现天然气的远距离不间断运输，同时还可以很好地适应天然气易流动可压缩的属性，具有运输成本低、安全性高的优点，同时能够有效地降低对环境所带来的负面影响。
由于天然气管道的距离通常很长，为了保证天然气管道在铺设、使用的过程中保持稳定、安全的状态。必须运用先进的自动化控制手段，保证天然气输送的安全可靠。PLC/RTU控制技术是一种安全、稳定的现代化工业控制技术，能够在天然气管道输送中起到良好的作用，实现对工艺站场内的工艺数据采集、数学运算、自动控制、远程监控等多种工作，有效提高管道输送的安全性。
1 PLC/RTU技术概述
PLC的全称是Programmable Logic Controller，其中文名叫可编程逻辑控制器；RTU的全称是Remote Terminal Unit，其中文名叫远程终端单元。在现代工业控制中，PLC通常是指大中型的控制器，能够接入大量的I/O点、具备多种通信方式、能够进行复杂逻辑控制运算，但成本比较高；RTU通常是指小型的控制单元，能够接入的点数比较少，通信方式有限，运算能力一般，但相对经济。随着科学技术飞速发展，RTU技术不断革新，性能不断增强，部分RTU产品已经能够承担部分原来需要PLC来完成的工作，在目前的天然气管道输送控制系统中，通常PLC与RTU相互结合，共同完成全系统的逻辑控制任务。
目前，在天然气管道自动化控制中，PLC/RTU得到了非常广泛的应用。在控制系统中通常都包括中央处理器、存储设备、I/O接口、电源、通信模块以及专用功能模块等。PLC/RTU技术在天然气管道输送中有着显著的优点，主要体现在PLC/RTU控制系统具有结构模块化，可以根据实际需要自由组合，有较高的可靠性和抗干扰能力。特别是RTU，环境适应能力很强，部分RTU设备运行温度范围在-40℃～ 70℃，非常适合在温差大的环境中使用。
2 PLC/RTU系统在天然气管道运输中的应用
在天然气管道输送控制系统中，站场控制系统通常采用处理能力比较强的PLC系统；而管道上远程阀室的控制系统通常采用的RTU系统。PLC/RTU系统是天然气管道SCADA系统的远方控制单元，是保证SCADA系统正常运行的基础。站控PLC系统安装在各工艺站场的控制室或机柜间内；阀室RTU系统安装在远程阀室机柜间内或露天安装，它们不但完成了对天然气管道的数据采集和本地控制，同时还把天然气管道的过程数据传输给远方的调控中心并执行其下达的远程控制命令。
2.1 站场自动控制功能的实现
1） 站场数据采集与监控
站控PLC系统完成对站内工艺过程及设备运行状态进行数据采集、监视控制及联锁保护。站控系统采集到的数据可以显示在操作员工作站的人机界面上，操作员通过人机界面实现对站场工艺运行情况的监控。
2） 自动压力保护
站控PLC系统可以通过控制站内输气管线上的调节阀进行压力控制和调节，当下游分输压力高时，根据控制逻辑进行PID计算，自动关小调节阀开度，降低下游管线压力；当下游分输压力低时，自动开大调节阀开度，提高下游管线压力，自动维持下游分输压力的稳定。如果站内工艺设备或者干线管道压力在自动调节的情况仍然超出安全范围，PLC系统根据操作原理会自动执行放空操作，保证设备、管道和人员的安全。
3） 自动温度保护
天然气管线在进行节流计量时容易出现冰堵的现象，特别是在我国北方，冰堵给天然气管道输送、计量造成很大的困扰，小则出现输送压力不稳，大则可能造成关键设备损坏或天然气泄漏。站控PLC/RTU系统可以根据控制逻辑，自动控制管道加热设备（电加热或者蒸气伴热），自动实现节流计量装置温度保护，预防控制冰堵。
4） 自动流量调节
站控PLC/RTU系统可以对输气管线的下游分输用户进行流量调节控制。站控PLC系统从现场流量计实时采集流量数据，通过PID计算，控制调节阀的开度，实现对下游分输用户的流量调节与控制。调度中心或站场在保证下游用户最低安全输气流量的前提下，还可以设定在规定时间内对下游用户的分输气量。站控PLC系统按照设定的分输量实现对下游用户单位时间内的平均气量输送，并通过给定的逻辑运算，进一步实现对下游用户输气量的小时指定、日指定，并准确完成月度、年度输气计划。
2.2 远程阀室自动控制功能的实现
1） 数据采集与远程监视
天然气管道阀室通常采用RTU来作为数据采集与监控系统。通过RTU来对阀室内工艺变量及设备运行状态进行数据采集、监视控制及自动进行联锁保护。采集的天然气管道过程数据经过通信网络可传输至上、下游站场的SCADA系统和远方调控中心。调控中心和站场的操作人员可远程对阀室进行监控和管理。目前国内天然气管道远程阀室基本实现了无人值守、远程监控、自动保护。 2） 紧急关断
在天然气管道运行生产中，出现紧急情况时，例如地震、滑坡、山洪等等，远程阀室的截断阀门需要进行紧急关断。RTU通过控制器内部給定的控制逻辑能够自关断阀门，也可以根据需要通过调度中心或站场操作人员进行远程手动关断，保障天然气管道的安全。
3） 恶劣环境
天然气管道的输送距离长，地域跨度大，向北至黑龙江漠河，向南可以到广东湛江，目前天然气管道控制系统中，站场的PLC系统通常配备有采暖或者制冷措施，但是在野外的监控阀室通常无采暖或制冷措施。在我国北方，冬天最低气温可达零下50℃；在我国南部，夏日最高气温可达零上50℃，在野外的机柜内温度会更高。宽温型RTU系统能够很好地适应这种极端自然环境，运行稳定、可靠，自动采集阀室的压力、温度、流量等工艺参数、监控截断阀门状态，并完成与上下游站场SCADA系统和调控中心的数据通信。
2.3 地质灾害自动预警功能的实现
长输天然气管道在敷设过程中，经常会穿越山川、河流以及地震带等多样复杂的地质环境。管道的沿途可能发生的山体滑坡、泥石流、暴雨、山洪、地震等地质灾害都对管道的安全运行会产生巨大危害，因此，对这些地质灾害的自动预警功能就显得尤为重要。搭建“传感器 通信网络 PLC/RTU 控制中心”结构可以实现对长输天然气管道全程监视和预警。
在天然气管道沿线安装位移传感器、雨量传感器、应力传感器等各种智能型传感器，通过通信网络连接，汇入站控或者调控中心的PLC/RTU系统，PLC/RTU系统对采集到的传感器信息进行整合处理后传给调控中心和站场的人机界面。当某区域发生地质灾害时，根据传感器实时反馈的信息，在调控中心和相关站场自动产生相应的预警，运行人员根据监控数据和报警级别，能够采取相应措施或应急预案，控制事态发展，保护天然气管道的安全。
2.4 管道泄漏预警功能的实现
天然气管道在运行中也存在着泄露的风险，一旦天然气泄露会对附近的自然环境和管道本体产生重大影响，甚至会发生不可估量的灾难，因此，天然气管道的泄露监测非常重要。
目前国内天然气管道，泄漏检测系统根据实际需要会对管道输送中的温度、压力、流量、光电等传感器数据以及工艺设备的动作和状态进行实时采集。泄漏检测系统根据采集到的传感器数据和工艺设备状态，进行特定数学逻辑运算和存储，并根据管道的数学模型进行在线预警，一旦发生天然气管道泄露，泄露检测系统能够及时发现，并准确定位泄露发生的位置、自动报警，通知生产运维人员进行应急处理，防止事态的进一步恶化。
2.5 天然气管道ESD功能的实现
紧急停车（ESD）系统是保证管道及沿线站场安全的安全保护系统，通常可集成在站控PLC系统中，也可根据需要设置一套独立的PLC系统来实现。ESD命令优先于任何操作逻辑和命令，ESD程序一旦触发（ESD 按钮动作或ESD程序命令发出），ESD系统将自动关断站场与管道进出口的连接，并打开站场放空阀门，切断站场电源，同时ESD系统自动发出闭锁信号，站场ESD阀门在未接到人工复位命令之前不能再次操作，ESD系统使站场工艺过程从危险的状态转为安全的状态。根据操作原理，ESD控制系统还能够自动关断天然气管道上其他站场和远程阀室，保证天然气管道能够在紧急的状态下安全地停输，控制事态的进一步恶化。
2.6 天然气管道中控功能的实现
天然气管道通常会有相应的调度控制中心，调度控制中心的主要任务是通过各站的站控PLC系统和远控截断阀室的RTU系统来完成该管道的数据采集、数据处理、数据归档、远程控制、输量调节、故障处理和安全保护等任务。
调度控制中心与各站场和阀室之间通过通信信道相互连接，常用的通信信道包括光缆、卫星、公网DDN等。
在“中控”模式下，调度和操作人员可以在调控中心通过PLC/RTU控制系统完成对全线的监视、控制和管理。各站控制PLC系统和阀室RTU系统在调控中心的统一指挥下完成各自工作。在“站控”模式下，控制权限授权给站场，由站场的操作人员来完成对本站和管辖内阀室的监视、控制和管理。通过PLC/RTU控制系统，国内新建天然气管道站场已经实现“远程控制、有人值守、无人操作”的管控模式，随着PLC/RTU技术的在天然气管道中应用的不断发展，站场可逐渐实现“远程控制、无人操作、无人值守”的管控模式。
3 结束语
目前PLC/RTU技术在天然气管道输送中得到了广泛的应用，发挥了十分重要的作用，PLC/RTU具有模块化、功能强、精度高、速度快、可靠性好等优点，能够对管道输送的各个阶段进行全面有效的监控，值得在天然气管道输送中进一步推广。但是需要指出PLC/RTU技术在天然气管道输送中的应用还不够全面，特别是在管道的泄漏和故障检测方面，还有很大的提升空间。随着我国天然气行业发展的不断完善和壮大，对技术的要求也越来越高，PLC/RTU技术的应用需要不断地更新和扩展，从而满足现代化的天然气管道输送要求。
参考文献：
[1] 李树彬. 浅谈PLC/RTU控制技术在工业自动化中的应用[J].机电信息，2011（30）：122-123.
[2] 王岩. 浅谈PLC/RTU控制技术的特点和发展方向[J].兰州工业学院学报，2011，18（1）：40-44.
[3] 甘能. 基于PLC/RTU控制技术在工业自动化中的应用研究[J]. 电子技术与软件工程， 2015（6）：159-160.
[4] 武兰江， 王丽艳， 李黎. 基于PLC/RTU控制技术在工业自动化中的应用研究[J].橡塑技术与装备， 2015（18）：100-101.
[5] 韩小茹. 基于PLC/RTU技术分析燃气管道阀门远程控制系统的设计[J].科技传播， 2014（5）.
[6] 杨前明， 曹佃娜. 基于PLC/RTU触摸屏设计的天然气输送管道多参量监测系统实现方法[J]. 现代制造技术与装备， 2015（4）：42-44.
[7] 刘会斌，王海涛.PLC/RTU系统在天然气长输管道中的应用[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2015，05：203-204
[8] 姚成， 黄国方， 周劭亮，等. 软PLC/RTU技术应用于智能保护测控装置的实现方案[J]. 电力系统自动化， 2010（23）：115-118.
[9] 张宏飞， 包睿， 李超. 工业自动化监控系统中PLC/RTU技术的应用研究[J]. 现代电子技术， 2015（11）：150-151.
[10] 郑联先. 基于PLC/RTU技术下现代工业控制系统应用与发展[J]. 科技创新与应用， 2013（30）：65-65.
[通联编辑：张薇]
关键词：PLC/RTU；天然气；管道输送；应用研究
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）27-0244-03
随着我国经济的快速发展以及工业化进程的不断完善，工业生产和社会生活中对于能源的需求也越来越迫切。同石油、煤炭等能源相比，天然气具有经济、安全、环保等优点。在天然气的输送中，采用传统的公路、铁路方式难以实现高效率的输送，采用管道输送的方式可以很好地解决这个问题。管道输送天然气可以实现天然气的远距离不间断运输，同时还可以很好地适应天然气易流动可压缩的属性，具有运输成本低、安全性高的优点，同时能够有效地降低对环境所带来的负面影响。
由于天然气管道的距离通常很长，为了保证天然气管道在铺设、使用的过程中保持稳定、安全的状态。必须运用先进的自动化控制手段，保证天然气输送的安全可靠。PLC/RTU控制技术是一种安全、稳定的现代化工业控制技术，能够在天然气管道输送中起到良好的作用，实现对工艺站场内的工艺数据采集、数学运算、自动控制、远程监控等多种工作，有效提高管道输送的安全性。
1 PLC/RTU技术概述
PLC的全称是Programmable Logic Controller，其中文名叫可编程逻辑控制器；RTU的全称是Remote Terminal Unit，其中文名叫远程终端单元。在现代工业控制中，PLC通常是指大中型的控制器，能够接入大量的I/O点、具备多种通信方式、能够进行复杂逻辑控制运算，但成本比较高；RTU通常是指小型的控制单元，能够接入的点数比较少，通信方式有限，运算能力一般，但相对经济。随着科学技术飞速发展，RTU技术不断革新，性能不断增强，部分RTU产品已经能够承担部分原来需要PLC来完成的工作，在目前的天然气管道输送控制系统中，通常PLC与RTU相互结合，共同完成全系统的逻辑控制任务。
目前，在天然气管道自动化控制中，PLC/RTU得到了非常广泛的应用。在控制系统中通常都包括中央处理器、存储设备、I/O接口、电源、通信模块以及专用功能模块等。PLC/RTU技术在天然气管道输送中有着显著的优点，主要体现在PLC/RTU控制系统具有结构模块化，可以根据实际需要自由组合，有较高的可靠性和抗干扰能力。特别是RTU，环境适应能力很强，部分RTU设备运行温度范围在-40℃～ 70℃，非常适合在温差大的环境中使用。
2 PLC/RTU系统在天然气管道运输中的应用
在天然气管道输送控制系统中，站场控制系统通常采用处理能力比较强的PLC系统；而管道上远程阀室的控制系统通常采用的RTU系统。PLC/RTU系统是天然气管道SCADA系统的远方控制单元，是保证SCADA系统正常运行的基础。站控PLC系统安装在各工艺站场的控制室或机柜间内；阀室RTU系统安装在远程阀室机柜间内或露天安装，它们不但完成了对天然气管道的数据采集和本地控制，同时还把天然气管道的过程数据传输给远方的调控中心并执行其下达的远程控制命令。
2.1 站场自动控制功能的实现
1） 站场数据采集与监控
站控PLC系统完成对站内工艺过程及设备运行状态进行数据采集、监视控制及联锁保护。站控系统采集到的数据可以显示在操作员工作站的人机界面上，操作员通过人机界面实现对站场工艺运行情况的监控。
2） 自动压力保护
站控PLC系统可以通过控制站内输气管线上的调节阀进行压力控制和调节，当下游分输压力高时，根据控制逻辑进行PID计算，自动关小调节阀开度，降低下游管线压力；当下游分输压力低时，自动开大调节阀开度，提高下游管线压力，自动维持下游分输压力的稳定。如果站内工艺设备或者干线管道压力在自动调节的情况仍然超出安全范围，PLC系统根据操作原理会自动执行放空操作，保证设备、管道和人员的安全。
3） 自动温度保护
天然气管线在进行节流计量时容易出现冰堵的现象，特别是在我国北方，冰堵给天然气管道输送、计量造成很大的困扰，小则出现输送压力不稳，大则可能造成关键设备损坏或天然气泄漏。站控PLC/RTU系统可以根据控制逻辑，自动控制管道加热设备（电加热或者蒸气伴热），自动实现节流计量装置温度保护，预防控制冰堵。
4） 自动流量调节
站控PLC/RTU系统可以对输气管线的下游分输用户进行流量调节控制。站控PLC系统从现场流量计实时采集流量数据，通过PID计算，控制调节阀的开度，实现对下游分输用户的流量调节与控制。调度中心或站场在保证下游用户最低安全输气流量的前提下，还可以设定在规定时间内对下游用户的分输气量。站控PLC系统按照设定的分输量实现对下游用户单位时间内的平均气量输送，并通过给定的逻辑运算，进一步实现对下游用户输气量的小时指定、日指定，并准确完成月度、年度输气计划。
2.2 远程阀室自动控制功能的实现
1） 数据采集与远程监视
天然气管道阀室通常采用RTU来作为数据采集与监控系统。通过RTU来对阀室内工艺变量及设备运行状态进行数据采集、监视控制及自动进行联锁保护。采集的天然气管道过程数据经过通信网络可传输至上、下游站场的SCADA系统和远方调控中心。调控中心和站场的操作人员可远程对阀室进行监控和管理。目前国内天然气管道远程阀室基本实现了无人值守、远程监控、自动保护。 2） 紧急关断
在天然气管道运行生产中，出现紧急情况时，例如地震、滑坡、山洪等等，远程阀室的截断阀门需要进行紧急关断。RTU通过控制器内部給定的控制逻辑能够自关断阀门，也可以根据需要通过调度中心或站场操作人员进行远程手动关断，保障天然气管道的安全。
3） 恶劣环境
天然气管道的输送距离长，地域跨度大，向北至黑龙江漠河，向南可以到广东湛江，目前天然气管道控制系统中，站场的PLC系统通常配备有采暖或者制冷措施，但是在野外的监控阀室通常无采暖或制冷措施。在我国北方，冬天最低气温可达零下50℃；在我国南部，夏日最高气温可达零上50℃，在野外的机柜内温度会更高。宽温型RTU系统能够很好地适应这种极端自然环境，运行稳定、可靠，自动采集阀室的压力、温度、流量等工艺参数、监控截断阀门状态，并完成与上下游站场SCADA系统和调控中心的数据通信。
2.3 地质灾害自动预警功能的实现
长输天然气管道在敷设过程中，经常会穿越山川、河流以及地震带等多样复杂的地质环境。管道的沿途可能发生的山体滑坡、泥石流、暴雨、山洪、地震等地质灾害都对管道的安全运行会产生巨大危害，因此，对这些地质灾害的自动预警功能就显得尤为重要。搭建“传感器 通信网络 PLC/RTU 控制中心”结构可以实现对长输天然气管道全程监视和预警。
在天然气管道沿线安装位移传感器、雨量传感器、应力传感器等各种智能型传感器，通过通信网络连接，汇入站控或者调控中心的PLC/RTU系统，PLC/RTU系统对采集到的传感器信息进行整合处理后传给调控中心和站场的人机界面。当某区域发生地质灾害时，根据传感器实时反馈的信息，在调控中心和相关站场自动产生相应的预警，运行人员根据监控数据和报警级别，能够采取相应措施或应急预案，控制事态发展，保护天然气管道的安全。
2.4 管道泄漏预警功能的实现
天然气管道在运行中也存在着泄露的风险，一旦天然气泄露会对附近的自然环境和管道本体产生重大影响，甚至会发生不可估量的灾难，因此，天然气管道的泄露监测非常重要。
目前国内天然气管道，泄漏检测系统根据实际需要会对管道输送中的温度、压力、流量、光电等传感器数据以及工艺设备的动作和状态进行实时采集。泄漏检测系统根据采集到的传感器数据和工艺设备状态，进行特定数学逻辑运算和存储，并根据管道的数学模型进行在线预警，一旦发生天然气管道泄露，泄露检测系统能够及时发现，并准确定位泄露发生的位置、自动报警，通知生产运维人员进行应急处理，防止事态的进一步恶化。
2.5 天然气管道ESD功能的实现
紧急停车（ESD）系统是保证管道及沿线站场安全的安全保护系统，通常可集成在站控PLC系统中，也可根据需要设置一套独立的PLC系统来实现。ESD命令优先于任何操作逻辑和命令，ESD程序一旦触发（ESD 按钮动作或ESD程序命令发出），ESD系统将自动关断站场与管道进出口的连接，并打开站场放空阀门，切断站场电源，同时ESD系统自动发出闭锁信号，站场ESD阀门在未接到人工复位命令之前不能再次操作，ESD系统使站场工艺过程从危险的状态转为安全的状态。根据操作原理，ESD控制系统还能够自动关断天然气管道上其他站场和远程阀室，保证天然气管道能够在紧急的状态下安全地停输，控制事态的进一步恶化。
2.6 天然气管道中控功能的实现
天然气管道通常会有相应的调度控制中心，调度控制中心的主要任务是通过各站的站控PLC系统和远控截断阀室的RTU系统来完成该管道的数据采集、数据处理、数据归档、远程控制、输量调节、故障处理和安全保护等任务。
调度控制中心与各站场和阀室之间通过通信信道相互连接，常用的通信信道包括光缆、卫星、公网DDN等。
在“中控”模式下，调度和操作人员可以在调控中心通过PLC/RTU控制系统完成对全线的监视、控制和管理。各站控制PLC系统和阀室RTU系统在调控中心的统一指挥下完成各自工作。在“站控”模式下，控制权限授权给站场，由站场的操作人员来完成对本站和管辖内阀室的监视、控制和管理。通过PLC/RTU控制系统，国内新建天然气管道站场已经实现“远程控制、有人值守、无人操作”的管控模式，随着PLC/RTU技术的在天然气管道中应用的不断发展，站场可逐渐实现“远程控制、无人操作、无人值守”的管控模式。
3 结束语
目前PLC/RTU技术在天然气管道输送中得到了广泛的应用，发挥了十分重要的作用，PLC/RTU具有模块化、功能强、精度高、速度快、可靠性好等优点，能够对管道输送的各个阶段进行全面有效的监控，值得在天然气管道输送中进一步推广。但是需要指出PLC/RTU技术在天然气管道输送中的应用还不够全面，特别是在管道的泄漏和故障检测方面，还有很大的提升空间。随着我国天然气行业发展的不断完善和壮大，对技术的要求也越来越高，PLC/RTU技术的应用需要不断地更新和扩展，从而满足现代化的天然气管道输送要求。
参考文献：
[1] 李树彬. 浅谈PLC/RTU控制技术在工业自动化中的应用[J].机电信息，2011（30）：122-123.
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[7] 刘会斌，王海涛.PLC/RTU系统在天然气长输管道中的应用[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2015，05：203-204
[8] 姚成， 黄国方， 周劭亮，等. 软PLC/RTU技术应用于智能保护测控装置的实现方案[J]. 电力系统自动化， 2010（23）：115-118.
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[通联编辑：张薇]