倪鸿雁¹，陈绪兵^2,3*，杨凯²

（1.中石化节能环保工程科技有限公司，湖北 武汉 430223；2.武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430205；3.化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室，湖北 武汉 430205）

摘  要：随着我国输油气管道建设规模的不断扩大，油气站场数量成倍增长。由于油气站场内部生产设施种类繁多，影响因素复杂，危险性也较为突出，因此油气站场的管理和安全问题逐渐成为行业内部乃至整个社会和国家所关注的焦点。为了提高我国油气站场的监控效率、安全性和可靠性，提出了一种直观、生动、形象的三维可视化在线监控系统，该系统由基于LabVIEW的数据采集与监控子系统和基于GENESIS64的三维可视化站场管理子系统融合在一起，通过SQL Server数据库交换信息，共同构成了一种全新的SCADA系统。市场调查分析表明，油气站场三维可视化在线监控系统具有巨大的市场前景、良好的经济效益和社会效益。

关键词：站场；三维可视化；在线监控；LabVIEW；GENESIS64

中图分类号：              文献标示码：A      

 

Research on Online Monitoring System for Oil and Gas Station Based on 3D Visualization

NI Hong-yan¹, CHEN Xu-bing^2,3* ,YANG Kai² 

(1.Sinopec Energy And Environmental Engineering CO.,LTD , Wuhan 430223, P.R. China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, P.R. China; 3.Hubei Provincial Key Laboratory of Chemical Equipment Intensification and Intrinsic Safety, Wuhan 430205, P.R. China)

 

Abstract: As the continuous expansion of China's oil and gas pipeline construction scale, the number of oil and gas station is doubled. Due to the oil and gas station internal production facilities are various, the influencing factors are complicated, and the dangerousness is also more prominent, so the management and security problems of oil and gas station is gradually become the focus of the industry and even the whole country and society. In order to improve the monitoring efficiency, safety and reliability of China's oil and gas station, a online monitoring system based on 3D visualization is proposed, the system is composed by the data acquisition and monitoring system based on LabVIEW and by the 3D visualization station management system based on GENESIS64, and the data interaction between the two systems is taken by building a SQL Server datebase, above of them constitute a new SCADA system. Finally, through the analysis of the market survey, it shows that the system has a huge market prospects, good economic and social benefits.

Key Words: station; 3D visualization; online monitoring; LabVIEW; GENESIS64 

1 引言

长距离输油气管道是石油和天然气行业的主要运输方式之一，目前我国输油气管道建设规模不断扩大，输油气管道总长迅速增加，油气站场的数量也成倍增长^[1]。油气站场作为能源输送的中转站，其内部生产设施种类繁多，影响因素复杂，危险性也较为突出，油气站场的管理日益成为管道运营企业日常工作的重中之重，其安全问题也逐渐成为行业内部乃至整个社会和国家所关注的焦点。

随着数字化管道技术的发展，我国油气站场正向“有人值守、无人操作、远程控制”的方向发展^[2][3]，传统的人工巡查方式逐渐转变为以自动化控制为主的在线监控方式，即采用数据采集与监视控制系统SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）。SCADA系统的推广使用，大大提高了我国油气站场的监控效率^[4]。目前，油气站场所采用的SCADA系统仅将站场内主要设施如输油泵、压缩机、各种工艺管道等以平面静态模拟图形进行展示，且各种工艺管道通常被埋藏或被建筑物所遮挡无法显示，各类传感器安装也比较隐蔽无法准确定位，给调度指挥人员以及现场操作人员在实际工作过程中带来极大的困惑^[5]；同时，由于监控系统的设计单纯从控制的角度展开，使得数据与设备脱离、工艺流程与现场实际情况脱节，容易导致操作人员不了解工艺和设备，而调度指挥人员以及管理人员不了解现场设备工作状况，给站场的正常运行和管理带来极大的安全隐患^[6]。

三维可视化在线监测技术是近年来快速发展的一种新技术，其将监控对象以三维模型和动画效果的方式显示，具有生动、直观、形象的特点，表现的内容极具可读性^[7][8]。作为一种全新的交互方式，该技术消除了平面交流界面的弊端，通过多角度的三维模型，使操作人员和调度人员将抽象的实时生产数据与现场实际情况相结合，使现场设备的运行情况、各类传感器的安装位置以及测量参数更加直观形象。目前，三维可视化在线监测技术凭借其诸多优势，在电力系统、工业生产及采矿加工等领域得到推广应用，在油气站场中的应用也已受到越来越多的关注，将三维可视化在线监测技术在油气站场上应用，对提高我国油气站场的管理水平具有重要的现实意义。

2创新性与优势

三维可视化在线监控系统是将三维可视化技术和数据采集与监控技术相互融合，充分发挥了两种技术的核心优势，并通过数据库进行数据共享，共同构成一种全新的SCADA系统。数据采集与监控系统通过各类传感器实时采集监视对象的各类数据，上传并给数据库并实时共享给由三维可视化技术搭建的监视对象的三维可视化模型及场景，最后通过视觉与听觉相结合的方式直观的显示出来，极大的提高了监视对象数据的表达能力和工作人员的工作效率。

总的来说，在油气站场运营管理中运用三维可视化在线监控技术将具有如下核心优势：

（1）有效的展示了如输油泵、压缩机及埋藏在地下的工艺管道等站场内主要设施的空间布局、地理位置等信息。充分利用系统的空间分析功能，进行管线连通性的实时分析和工艺流程模拟，对站场设施和管线缺陷等进行有效的跟踪与定位，便于维修与管理。

（2）提供站场内各主要设备的参数信息查询及设备模型的拆分与动画展示，便于现场操作与维护人员了解其内部结构和工作方式；提供站场内消防设施的部署、建筑结构等多种信息的管理和查询，提高站场管理的高效性。

（3）合理的预测站场内突发的设备故障、火灾及油气泄漏等事故的辐射范围，为站场内设备抢修、消防抢救及人员撤离等提供合理的路径规划，将突发事故的损伤降到最低。

3关键技术

为了对油气站场进行全方位的管理、监测和维护，三维可视化在线监控系统需具备强大的空间分析、数据处理与管理等功能，以便于将站场内各设备、管线以及各数据等信息进行一体化管理，因此该系统的技术关键主要包括以下几点：

（1）分析油气站场设备组成、工艺流程等，设计开发基于LabVIEW的油气站场数据采集系统，实现监控中心对站场内分布的各传感器数据实时读取、分析及处理，并实现系统对站场装备的调试与控制。

（2）根据对调度人员和站场操作人员的调研分析，设计三维可视化站场管理子系统的功能模块，采用GENESIS64组态软件建立油气站场的三维可视化模型，并模拟各传感器在站场内的分布，给出对应的标签信息。

（3）搭建系统所需的SQL Server数据库，实现LabVIEW数据采集与监控系统和三维可视化站场管理子系统之间的数据共享。

4 技术方法及路线

油气站场数据采集与监控系统可通过LabVIEW来搭建，以实现网络数据与监控中心计算机的可读写操作，即对数据进行分析与处理等功能，并实现系统对站场装备的调试控制^[9]。通过分析油气站场的设备组成、工艺流程等，并结合在生产调度管理中对数据分析的需要，油气站场数据采集与监控系统需要具备以下功能：

（1）站场内各设备的运行状态及实时数据远程查询；

（2）站场各管线进出口及计量支路的温度、压力、瞬时流量、累计流量的实时显示、变化趋势及历史数据的查询；

（3）站场电动球阀、调压阀等的指示显示，远程开关操作及开关过程的实时显示；

（4）相关通讯模块通讯状态的控制与实时显示；

（5）站场数据采集与监控系统异常情况报警。

因此，油气站场数据采集系统需具备的功能模块如图1所示。

图1油气站场数据采集系统功能模块

油气站场的三维可视化全景模型可采用GENESIS64组态软件搭建，并使用软件自带的模块进行相应功能开发。GENESIS64是一款基于微软系统和工业标准协议的64位3D组态软件，该组态软件大大降低了自动化项目在软件开发上的工作量、加快整个自动化解决方案的实施，从而节省大量的项目开发费用，广泛应用于过程监控与信息化领域。

为了实现站场管理的数字化，建立三维可视化站场管理子系统，便于用户通过系统直观的查看站场内的管线布置，各种设备的位置等，进而实现对站场设备及管线的管理、相关设备资料的关联维护，设备信息的查询统计分析以及对管道缺陷状态的管理等实用功能。因此，三维可视化站场管理子系统功能框架如图2所示。

 

图2 三维可视化站场管理子系统功能框架图

通过对站场工艺图纸和现场勘查，建立油气站场的三维可视化全景模型，主要包括站场建筑物、生产设备、地上及埋藏在地下的管道及各类传感器等，并模拟传感器节点系统在站场的布置，给出节点对应的标签信息，真实还原站场场景模型，并提供站场内各设备设施的定位与查询，帮助场站管理。三维可视化站场管理模型系统示例如图3所示。

 

（a）三维可视化站场全景模型

 

（b）三维可视化站场传感器布置局部图

图3 三维可视化站场管理模型系统示例

三维可视化在线监控系统是通过数据采集与监控系统与三维可视化站场管理子系统之间数据共享，共同构成的一个完整的SCADA系统。然而，由LabVIEW开发的数据采集与监控系统及由GENESIS64开发的三维可视化站场管理子系统都要对数据库进行访问，然而两者都不具备数据库访问功能，因此需要使用LabVIEW免费数据库访问工具包LabSQL。LabSQL工具包利用SQL以及Microsoft ADO语言将复杂的底层ADO及SQL操作封装成一系列的子VI来实现数据库访问，简单易用。三维可视化站场管理子系统可以在数据浏览器中实现数据库各监控数据的读取及数据源的连接，系统可连接的数据源包括数据库、历史数据、仿真数据等，数据通过应用服务器，运行时架构FrameWorX，最终在客户端组件驱动三维可视化模型运动或显示输出^[12][13]。系统数据交互流程如图4所示。

 

图4 系统数据交互流程图

5 结论

目前三维可视化在线监控技术在工业领域应用越来越广泛，在油气站场的应用中也处于积极探索中。随着全球石油天然气管道输送的快速发展，油气站场数量的不断增长，一方面该系统可以对现有的站场进行升级改造；另一方面可以广泛应用于新建设的输油气管道中，如正在建设的新粤浙煤制天然气管道工程，该管道工程线路总长8372公里，设计输气能力300亿立方米/年。由此可见，将三维可视化在线监控系统用于油气站场有着巨大的市场前景、良好的经济效益和社会效益。

 

参考文献

[1] 董绍华，韩忠晨，费凡等. 油气站场完整性管理与关键技术应用研究[J]．集输与加工，2013，33(12): 117-123.

[2] 姚伟. 我国油气储运标准化现状与发展对策[J]. 油气储运，2004，31(6): 416-421.

[3] 程万洲，张华兵，王新. 油气站场工艺管道完整性管理[J]．化工设备与管道，2015，52(3): 76-79.

[4] 徐菱虹，邓月光. 中压天然气管网SCADA系统的设计与实现[J]. 信息管理，2008，1(1)：8-9.

[5] 吴斌. 天然气输气场站SCADA系统的设计与实现[D]．山东大学，2010.

[6] 董春红，石春. 站控SCADA系统的实现[J]. 天然气工业，2005，25(2)：149-151.

[7] 金剑，李宁，刘文华等．三维GIS在油气站场管理中的应用[J]. 中国信息界，2011，6(1)：44-49.

[8] 谭继明，龙飞，熊亮等. 物联网与三维 GIS 技术在油田设备设施管理中的应用[J]. 测绘与空间地理信息，2013，36：182-185.

[9] 李念强，魏长智等. 数据采集技术与系统设计[M]. 北京: 机械工业出版社，2009.

[10] 杨忠仁，饶程. 基于LabVIEW数据采集系统[J]. 重庆大学学报，2004, 27(2): 32-37.

[11] 徐华. 基于LabVIEW和分形技术的状态监测与故障诊断技术的研究[D]. 武汉：武汉科技大学，2008.

[12] 张军，邢朋飞，陈晓辉等. 基于GENESIS64的架桥机3D远程监控系统[J]. 起重运输机械, 2013, (13): 23-26.

[13] 曾俊，蒙建波. 64位三位组态软件GENESIS64在加热炉中的应用探讨[J]. 自动化与仪器仪表, 2012, (6): 86-91.