LNG氣化站站控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鮑 芳，李 軍（廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東 廣州510006）

胡 榮（中石化河南油田分公司技術(shù)處，河南 南陽473132）

LNG氣化站站控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鮑 芳，李 軍（廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東 廣州510006）

胡 榮（中石化河南油田分公司技術(shù)處，河南 南陽473132）

以某LNG氣化站站控系統(tǒng)改造為背景，通過對天然氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的研究，研制了一套具有模塊化及可擴展性的LNG氣化站站控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自主研發(fā)的嵌入式控制器作為過程控制層的核心器件，管理層監(jiān)控軟件采用VB6.0作為開發(fā)工具，同時在控制系統(tǒng)中增加了硬件、軟件等方面的抗干擾措施，具有性能穩(wěn)定可靠及低成本的特點。

LNG氣化站；站控系統(tǒng)；嵌入式控制器；Modbus通信協(xié)議

LNG（液化天然氣）作為清潔能源對優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)、促進工業(yè)生產(chǎn)、改善城市生態(tài)環(huán)境和投資環(huán)境有重要意義。近年來我國各地投資建設(shè)LNG項目的發(fā)展勢頭迅猛，諸多天然氣企業(yè)都采用SCADA（Supervisor Control And Data Acquisition）進行遠程數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場監(jiān)測和自動化管理［1～4］。國內(nèi)大型LNG接收站基本上全套采用國外設(shè)備與技術(shù)，例如廣東大鵬LNG管道項目采用SCADA系統(tǒng)進行遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，線路閥室實行調(diào)度中心遠控模式，工藝站場可實現(xiàn)調(diào)度中心遠控、站控和就地手動控制三級控制模式，其輸氣干線工程SCADA系統(tǒng)采用HONEYWELL公司的PKS系統(tǒng)，站控SCS系統(tǒng)及線路截斷閥室RTU系統(tǒng)則采用BB公司的混合控制器Control Wave和Control Wave Micro［1］。這些設(shè)備可靠性高，但存在著價格較高、無自主知識產(chǎn)權(quán)等缺點，直接導致了整個系統(tǒng)的建設(shè)和運營成本提升。對于中小型氣化站，如果能采用自主研發(fā)的站控系統(tǒng)，則在靈活性上將有所改進，并可大大降低氣化站的建設(shè)及運營成本。筆者以某LNG氣化站站控系統(tǒng)改造為背景，通過對天然氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的研究，研制了一套具有模塊化及可擴展性的氣化站站控系統(tǒng)。

1 天然氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

大型天然氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)主要包括DCS、SIS、FGS、現(xiàn)場儀表、智能設(shè)備管理系統(tǒng)、信息集成系統(tǒng)等［2］?；?“現(xiàn)場控制－生產(chǎn)操作管理－系統(tǒng)集成－遠程訪問和維護”的邏輯層次，采用網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計方案，從上至下可將其分為3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：①信息管理層（信息中心）。該層為綜合信息集成平臺，可帶有站場信息管理、遠程生產(chǎn)過程監(jiān)控、生產(chǎn)計劃優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化、操作管理、生產(chǎn)分析、儲運管理以及生產(chǎn)信息綜合展示平臺等功能模塊。②生產(chǎn)操作層。該層作為統(tǒng)一的生產(chǎn)操作和監(jiān)控平臺，其主要功能是完成管網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)控、操作、數(shù)據(jù)記錄、報警處理、打印、系統(tǒng)管理和維護等，同時提供硬手操功能。根據(jù)信息共享及底層數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理要求，生產(chǎn)操作層將主要生產(chǎn)信息通訊到底層控制子系統(tǒng)，匯集來自底層各功能子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并上傳至信息管理層進行信息集成應(yīng)用。③現(xiàn)場控制層。大型天然氣管網(wǎng)的現(xiàn)場控制層主要包括主控制系統(tǒng)（DCS）及安全儀表系統(tǒng)（SIS）、壓縮機組控制系統(tǒng)（CCS）、火氣監(jiān)控系統(tǒng)（FGS）、振動檢測系統(tǒng)（VMS）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）等各控制功能子系統(tǒng)。其中DCS控制系統(tǒng)是現(xiàn)場控制層的核心系統(tǒng)，除完成站場自動化的基礎(chǔ)操作和生產(chǎn)控制外，同時作為現(xiàn)場控制層的主控制系統(tǒng)連接其他各功能子系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)采集、實時流程查看、實時趨勢瀏覽、報警記錄與查看、報表數(shù)據(jù)存貯、歷史趨勢存貯與查看、生產(chǎn)過程報表生成與輸出等功能。

2 LNG氣化站站控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 站控系統(tǒng)架構(gòu)

通過對天然氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究，結(jié)合某LNG氣化站的工藝流程及實際需求，設(shè)計將SIS、FGS等子系統(tǒng)融入DCS主控制系統(tǒng)。

按其結(jié)構(gòu)從下至上可分為3層：①現(xiàn)場設(shè)備層。該層包括氣化站工藝流程中的各控制電磁閥、溫度傳感器和壓力/壓差傳感器、流量傳感器等；同時在工藝設(shè)備特別是LNG儲罐附近設(shè)置可燃氣體濃度檢測報警器，在生產(chǎn)區(qū)設(shè)置火焰探測器、火災(zāi)報警器以及用來檢測LNG是否泄漏的過冷檢測器等，各路檢測信號均送入DCS系統(tǒng)與設(shè)定報警值比較，便于單元設(shè)備停機或全站聯(lián)鎖停車。②過程控制層。該層為位于站內(nèi)控制室的嵌入式控制器，現(xiàn)場信號以標準4～20mA模擬信號及數(shù)字I/O連接至嵌入式控制器，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集和設(shè)備的檢測控制。③管理層。該層作為氣化站內(nèi)部綜合信息處理及站級集中監(jiān)控部分，包括站級信息管理處理器（數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及Web服務(wù)器）、監(jiān)控計算機、打印機、生產(chǎn)調(diào)度作業(yè)軟件和站級管理軟件等。

監(jiān)控計算機作為站場監(jiān)控主機，通過Modbus-RTU協(xié)議與過程控制層的嵌入式控制器進行數(shù)據(jù)交換；管理層通過監(jiān)控計算機實現(xiàn)對嵌入式控制器的數(shù)據(jù)采集，并將其保存在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中；Web瀏覽服務(wù)功能由Web服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器來實現(xiàn)，可達到上級主管部門上網(wǎng)瀏覽相關(guān)數(shù)據(jù)信息的目的。為了提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，監(jiān)控計算機可采用2臺工控機組成雙機熱備冗余系統(tǒng)。

2.2 嵌入式控制器

嵌入式控制器主要用于接入現(xiàn)場傳感器或儀表的信號，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集和設(shè)備的檢測控制，并將實時采集的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控計算機。嵌入式控制器的可靠性是整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，其軟、硬件的設(shè)計充分考慮了穩(wěn)定性、可靠性及實時性，采取了諸如主模塊與從模塊自定義通信協(xié)議、EMC抗干擾設(shè)計及程序運行失常時的自恢復等措施。嵌入式控制器的硬件主要由主控制模塊（核心為Freescale的16位微控制器9S12DG128）、從控制模塊（核心為Atmel的8位單片機ATmega32）、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示電路，模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊等組成。從控制模塊的主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)并將其變換為統(tǒng)一格式后打包發(fā)送至主模塊，由主模塊處理后通過自定義的RS-232串行通信傳送至監(jiān)控計算機顯示，或者根據(jù)主模塊的操作命令調(diào)用相應(yīng)的處理算法模塊進行數(shù)據(jù)處理并實施控制，以及將主模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)包解碼至輸出控制。

2.3 嵌入式控制器與監(jiān)控計算機的通訊

監(jiān)控計算機與嵌入式控制器間的通信采用Modbus-RTU傳輸協(xié)議。在VB編程環(huán)境下，監(jiān)控計算機的Modbus通訊通過MSComm控件來完成，該控件將通信的大部分底層操作封裝在控件內(nèi)部，應(yīng)用程序只需要獲取和設(shè)置相應(yīng)的控件屬性，從而簡化了編程工作［5］。

根據(jù)要求，嵌入式控制器應(yīng)每間隔一段時間向監(jiān)控計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，然后以中斷方式接收監(jiān)控計算機應(yīng)答數(shù)據(jù)，當嵌入式控制器發(fā)送完數(shù)據(jù)后，允許接收中斷并同時啟動定時器延時一段時間，以便接收監(jiān)控計算機的應(yīng)答數(shù)據(jù)，并進行CRC校驗。如果在規(guī)定的時間里監(jiān)控計算機沒有應(yīng)答，嵌入式控制器重發(fā)命令幀，若3次呼叫無應(yīng)答時給出報警提示。嵌入式控制器向監(jiān)控計算機發(fā)送數(shù)據(jù)和接收監(jiān)控計算機數(shù)據(jù)均由Modbus通訊流程控制。

監(jiān)控計算機采用中斷方式接收嵌入式控制器傳送過來的數(shù)據(jù)。程序運行后首先對串口初始化，包括串口的選擇、波特率的設(shè)置以及校驗方式等。初始化完成后，若接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)到達，則MSComm1＿OnComm產(chǎn)生中斷，接收數(shù)據(jù)并處理，直到中斷結(jié)束，取出完整的通訊數(shù)據(jù)幀。在數(shù)據(jù)處理的過程中，首先判斷CRC校驗是否正確，并對功能碼等數(shù)據(jù)進行判定。如果不正確，監(jiān)控計算機則作出出錯應(yīng)答，嵌入式控制器在得到從機的出錯應(yīng)答后會自動重發(fā)。一般情況下，功能碼可包括對數(shù)字量的讀取和設(shè)置、模擬量讀取和設(shè)置等4類。

監(jiān)控計算機在通訊時有可能由于自身原因無法響應(yīng)嵌入式控制器的命令，也需要作出出錯應(yīng)答，完整的出錯應(yīng)答是Modbus通訊的優(yōu)點。嵌入式控制器在得到不同的出錯應(yīng)答后，可以采取相應(yīng)的措施，保證可靠的通訊。

2.4 嵌入式控制器與氣體渦輪流量計的通訊

實現(xiàn)高準確度的天然氣量自動計量在天然氣氣化輸配過程中至關(guān)重要。項目改造前氣站的天然氣計量采用標準孔板節(jié)流裝置配雙波紋差壓計的模式，這種計算方法不但計量誤差大，而且故障頻繁，管理難度大。該系統(tǒng)選用了上海羅托克有限公司的氣體渦輪流量計，可動態(tài)檢測介質(zhì)的溫度與壓力，進行自動補償和壓縮因子修正，直接顯示氣體的標準瞬時體積流量和標準體積總量，并提供RS485通訊接口。多臺氣體渦輪流量計通過RS485接口串接，與嵌入式控制器進行基于Modbus-RTU規(guī)約的數(shù)據(jù)通訊，嵌入式控制器以輪詢方式采集現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)并上傳到監(jiān)控計算機。嵌入式控制器與氣體渦輪流量計的通訊采用一主多從的一對多通信連接方式，其中嵌入式控制器作為主機，各流量計作為從機。為了實現(xiàn)多機無沖突可靠通信，通信協(xié)議的設(shè)置格外重要。每臺流量計從機必須有唯一的地址，通過流量計面板的菜單模式進行地址設(shè)置。嵌入式控制器通過對指定寄存器的讀取獲得流量、壓力、溫度等信息。

2.5 管理層系統(tǒng)監(jiān)控軟件

站控系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計采用Visual Basic作為開發(fā)工具。根據(jù)站控系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)監(jiān)控軟件包括實時工藝流程顯示、報警、數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)置及用戶管理等模塊?？梢栽谥鹘缑嬷型ㄟ^相應(yīng)的按鈕切換到各子模塊頁面，其中工藝流程界面作為技術(shù)人員監(jiān)視現(xiàn)場的主要通道，是監(jiān)控軟件的核心?；赩B控件開發(fā)的工藝流程圖界面包括站內(nèi)各主要節(jié)點壓力計、溫度計、流量計和電動球閥圖形符號等，其狀態(tài)和數(shù)據(jù)均在各自組態(tài)圖形上顯示。電動球閥的開和關(guān)到位狀態(tài)用綠色和紅色直觀顯示。在工藝流程中，綠色表示閥門處于打開狀態(tài)，紅色表示故障或關(guān)閉狀態(tài)，并在閥門故障時產(chǎn)生報警，以提醒值班人員，并根據(jù)報警情況進行相應(yīng)的處理。有報警產(chǎn)生時，流程圖界面的頂端會出現(xiàn)報警顯示條目。

3 結(jié) 語

研制的具有模塊化及可擴展性的氣化站站控系統(tǒng)，采用自主研發(fā)的嵌入式控制器作為過程控制層的核心器件，選用VB提供的數(shù)據(jù)通訊和處理功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理及控制，并利用VB6.0開發(fā)了管理層監(jiān)控軟件，同時在控制系統(tǒng)中增加了包括硬件、軟件方面的各種抗干擾措施。該站控系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定可靠及低成本的特點，目前已在某實際現(xiàn)場正常穩(wěn)定運行。

［1］柳錫淼.天然氣長輸管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)化 ［J］.石油工程建設(shè)，2011，37（1）：31～33.

［2］王潔.面向大型LNG裝置的儀控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用 ［J］.儀器儀表標準化與計量，2011，（1）：38～39，45.

［3］胡炯華.LNG氣化站設(shè)計 ［J］.有色冶金設(shè)計與研究，2007，28（5）：1～3.

［4］顧安忠，石玉美，汪榮順.中國液化天然氣的發(fā)展 ［J］.石油化工技術(shù)經(jīng)濟，2004，19（1）：1～7.

［5］Modbus-IDA.Modbus Application Protocol Specification V1.1b ［EB/OL］.http：//www.modbus-ida.org，2006.

Design and Implementation of Control System of Liquified Natural Gas（LNG）Station

BAO Fang，LI Jun，HU Rong（First Author's Address：Faculty of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，Guangdong，China）

Based the control system of liquefied natural gas（LNG）station and by studying the natural gas networks SCADA，a LNG control system with the property of modulus and expansion was developed.In the system，a self-developed embedded controller was used as core element for process control，software VB6.0was used as tool in the software of management level and anti-interference measures were added in the control system hardware and software.It has the property of reliability and low cost.

LNG station；control system；embedded controller；Modbus communication protocol

TE978

A

1000-9752（2012）04-0158-03

2012-03-12

鮑芳（1967-），女，1984年大學畢業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)主要從事網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)方面的研究工作。

［編輯］ 蘇開科