庆铁输道仿真系统
摘 要 介绍了大庆至铁岭输道专用的管道运行计算机仿真培训系统。该系统以适于庆铁输道的仿真发动机为核心，以仿真SCADA系统数据库为基础，以微机局域网络为纽带，建立了具有与现场一致的图形操作模式的管道运行仿真系统。该系统的研制开发，为管道SCADA系统建立在线实时仿真系统奠定了基础。
主题词 输道 计算机仿真 SCADA系统 软件
The computer simulation technology has been gradually adopted in the design，staffs training and management of oil pipeline．The paper introduces a oil pipeline computer simulation and training system which are specially developed for Daqing—Tieling oil pipeline．The kernal of the system is a simulation engine for Daqing—Tieling oil pipeline．The base of the system is a database．The system is linked by LAN（local area network）and has the same GUI（graphic user interface）with the actual SCADA system．The research and development of the system are important experience for developing on-line real-time simulation system in the actual pipeline SCADA system．
Subject Headings：oil pipeline，computer simulation，SCADA system，software
一、前言
目前，长输管道运行仿真技术发展很快，应用范围日益扩大，仿真更加准确。然而，国内长输管道的仿真技术应用发展比较缓慢。为了发展具有我国特色的仿真系统，适应管
道输油生产的需要，开发了大庆—铁岭输道（以下简称庆铁输道）专用的原道运行离线计算机仿真培训系统，完成的主要工作有以下几项。
（1）建立了庆铁输道仿真微型计算机局域网络系统；
（2）确立了模拟的SCADA系统；
（3）在系统分析的基础上，研制了适于庆铁输道的仿真发动机；
（4）建立了庆铁输道仿真SCADA系统数据库；
（5）建立了庆铁输道仿真SCADA系统控制中心和子站站控系统的图形库及显示界面；
（6）开发了庆铁输道仿真SCADA系统与其仿真发动机相联系的数据传输软件；
（7）开发了庆铁输道计算机辅助教学（CAI）软件。
庆铁输道计算机仿真培训系统的开发，为国内管道在线仿真技术的发展奠定了基础。
二、概况
庆铁输道北起黑龙江省的林源油库，南至辽宁省铁岭市的安民寨中转油库。输油干线是两条直径为720mm，长度分别为516km和524km的管道。管道系统共有9座输油站，8座增压站（见图 1）。林源、太阳升两泵站，各设6台电动离心泵机组并联；新庙、
牧羊、农安、垂杨、梨树、昌图6泵站，各设10台电动离心泵机组，每5台串联，每串设2台约20％扬程和3台约40％扬程的泵。两条主干线在两串泵机组的出入口既可相互连通，又可互不干扰运行（见图2）；各站在其泵机组的下游侧，每条线各安装1台球形压力调节阀。中间站设加热系统。各增压站均设大流量低扬程泵。
图1 庆铁管道输油站和增压站分布示意图
1－牧羊北增压站；2－垂杨北增压站；3－梨树北增压站；
4－昌图北增压站；5－铁岭北（老线）增压站
图2 垂杨泵站工艺流程图
三、系统总体结构
仿真系统由两种不同类型的软件构成，即控制中心软件和站软件。
控制中心软件远比站软件复杂，这是因为控制中心除驱动仿真发动机外，还要管理所有的站，控制中心向所有站传输并接收其反传的数据，而每站只需管理本站的事务。
1、 控制中心软件
控制中心软件结构见图3。
图3 控制中心软件结构图
控制中心软件由4个部分组成：仿真计算、网络通信、数据库以及界面。网络通信和计算软件还调用了一个的稳态计算程序和仿真培训教学软件（CAI）。在控制中心软件中，仿真计算和数据库是核心部分。控制中心是一个相对的部分，既可与站连接，又可运行。站与控制中心的连接是很自由的，可以在任意时刻与控制中心连接，也可以在任意时刻退出连接。
每次仿真过程为，首先将数据库中的数据读出进行仿真计算，然后将计算结果写入数据库中，再将数据传往已经连接的各站。仿真计算是整个软件最重要的一部分，在这里对操作人员的每一次操作进行分析，并跟踪计算管道的动态过程。
2、 站软件
站软件的结构见图4。
图4 各站程序结构图
站软件由三个部分组成：界面、数据库和网络通信，数据库是核心部分。站的主要工作就是将操作人员的操作写入数据库中。站软件中也只有一个仿真培训教学软件（CAI）。
四、仿真发动机
管道仿真软件的模拟效果，关键在于仿真发动机的设计，即仿真数学模型能否准确、完整地描述管道的水力热力过程，以及对所建立数学模型的有效求解方法。关于庆铁输道仿真数学模型，本文仅描述仿真发动机所对应的工艺过程。
在各中间站的进、出站端，两条主干线通过阀门互相连接，根据不同的工况，可以有4种连通方式(进、出站都连；进、出站都不连；进站连出站不连；出站连进站不连)。不同的连通方式对密闭输油的影响也不同。
1、 各站主要工艺流程功能
仿真系统中的各站流程如下（见图2）。
（1）正输流程。接收上站来油外输。
（2）压力越站。本站不开机，只加热去下站。
（3）穿越站。本站不开机，不加热，但经泵单向阀去下站。
（4）热力越站。本站不加热，只开机加压去下站。
（5）全越站。油流不进站内，经干线去下站。
（6）旁接流程。上站来油与本站油罐相连通，油流经炉和泵去下站。
（7）新线压力越站。新线泵机组全停。
（8）老线压力越站。老线泵机组全停。
2、 监控模式
根据庆铁输道操作原则，仿真系统采用以下监控模式。
（1）SCADA系统 在仿真培训系统上实现输油设备运行及工艺过程参数（由仿真发动机计算）的采集、传输、监视和控制。为取得仿真效果，也相应采用了自动压力调节与泵机组逻辑控制、自动压力保护、压力开关跳车保护及水击超前保护、泄流保护、自动压力越站等多重调节控制保护措施。
（2）监控模式 仿真系统控制为二级，第一级是调度中心遥控，第二级是站控。各输油站设有站控端，操作人员可以控制本站的运行工况。实施遥控时，站控功能被禁止；实施站控时，遥控功能被禁止。
3、 调度中心功能
调度中心通过控制面板，可以实时看到各泵站设备和管道系统的运行情况，可以实时对系统进行控制和调节，采取保护措施。控制面板的命令被仿真发动机接受并实施，然后通过控制中心的各泵站图形显示系统显示出来。中心还具有现场SCADA系统所没有的沿线压力流量实时显示曲线。控制中心主要可以完成以下操作。
（1）任一泵站与管道系统脱离和连接；
（2）泵机组的启动和停运；
（3）泵机组的切换；
（4）电动阀门的开关；
（5）加热炉停运及启动；
（6）流程切换及其显示；
（7）各站各类控制参数的给定与调整；
（8）系统的压力调节及逻辑保护；
（9）水击控制保护；
（10）管道系统动态参数及当前压力趋势显示；
（11）设备状态显示。
4、 站控端功能
站控端通过控制面板，可以实时看到本泵站设备和管道系统的运行情况，处于站控时，可以实时对本站进行控制和调节，采取保护措施。控制面板的命令通过局域网的数据传输系统，被仿真发动机接受并实施，然后通过控制中心和站控终端将图形显示系统显示出来。
5、 事故工况设定
在仿真发动机中，设置了如下水击事故工况选择功能。
（1）各泵站停电；
（2）各泵站部分停泵；
（3）末站关阀；
（4）各站间泄漏。
通过上述设计，可使受训人员处在管道无法实现的工况中。
五、仿真培训系统CAI软件
计算机辅助教学（CAI）软件是庆铁输道仿真培训系统的一个组成部分，用来培训和考核培训人员。CAI包括两方面内容，一是有关长输管道设计、运行的基本理论，二是与庆铁输道实际操作经验和操作原则有关的内容。
六、网络通信
网络通信在庆铁输道运行仿真培训系统中起着桥梁的作用，将各站和控制中心紧密地连接在一起。网络通信程序是Windows Sockets应用程序，采用的协议是TCP/IP。
1、 客户机—服务器（Client-Server）模型
网络通信的模型是客户机—服务器模型。采用这种模型是因为仿真计算集中在控制中心进行，各站不进行任何计算，只是接受控制中心传输的数据，将操作者的所有操作传输给控制中心，并显示泵站的运行状态和参数。该模型采用循环的、面向连接的服务器，采用TCP进行数据传输，保证网络通信的可靠性。
2、 局域网（LAN）的拓扑结构
局域网是由集线器（Hub）将7台微机（控制中心和6个站）连接起来构成的。每台微机安装一个10M的网卡，连接导线是双绞线。
七、系统数据库及图形显示
1、 数据库组成
仿真培训系统的网络组成采用星型网络拓扑结构，对应的系统数据库采用分布式数据库形式，由中心数据库和各站数据库构成。中心数据库对应于控制中心，它存储各个子站的重要数据及调度信息。每台工作站作为系统中的一个子站，模拟一座泵站。子站的数据库分别存储各泵站的数据，各子站直接与中心数据库通信。系统数据库是仿真培训系统的虚拟信息源，内核系统程序通过对数据的读、写、转换等操作以实现仿真。
2、 数据库结构
本数据库属于关系型数据库，它以每个“点”作为一个记录对应管道系统的一个参量。仿真模拟的实质是由仿真发动机程序通过通信程序对“点”中数据进行操作。
控制中心数据库共有记录点991个，其中模拟量点2个,状态量点702个。各子站数据库实际上是控制中心数据库的一个子集，它只包含自己站的数据。
3、 系统图形库
图形库是仿真SCADA系统的重要组成部分，通过它显示管道系统工艺过程的变化，
并进行控制操作。操作人员通过图形界面对管道系统进行操作管理，在各泵站及控制中心对应不同的工艺过程配有完整的图形库。在仿真培训系统中开发了与现场一致的图形库，图形的管理模式与流行的SCADA系统相同。控制中心模拟工作站安装了管道系统全线的图形库，模拟各泵站的工作站安装本站的图形库。以农安站为例，该站共有25张图形。
图形中的可变图素与数据库中的数据相对应，仿真发动机程序根据操作人员的指令，读、写和转换数据库中的虚拟数据，图形显示程序根据数据的变化改变相应的图素，从而实现工艺过程的仿真。在图形中也设计了与现场一致的操作模式，使仿真培训系统具有完全的现场模拟能力。
综上所述，庆铁输道仿真培训系统可用于庆铁输道实时仿真（仿真比例尺为1∶1）。在对进站连通阀全部关闭后，可实现管道单线密闭输油，对其它管道操作人员的培训也有一定的意义。
通过该系统可真实体会到管道动态运行时全线水力过程的变化。管道运行的各种工况、意外事故和误操作均可在该系统中实施，操作者可在这里对整个管道进行控制与监视。也可用该系统制定控制方案和控制定值，通过改变不同方案和定值，仿真其控制过程，确定合适的控制参数。
所研制的仿真系统完全模拟了管道实际的SCADA系统数据库和图形库，为我国管道系统建立仿真软件奠定了基础。
