LNG供氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計

鄒杰東，萬振剛，李 達

（1.江蘇科技大學 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.滬東重機有限公司 上海 200120）

LNG供氣系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計

鄒杰東1，萬振剛1，李 達2

（1.江蘇科技大學 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.滬東重機有限公司 上海 200120）

針對目前船用雙燃料主機燃氣供應系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，本文在分析了LNG供氣系統(tǒng)功能和結構的基礎上，設計了一套基于PLC的控制系統(tǒng)，并且闡述了該控制系統(tǒng)的主體結構和主要配置。該控制系統(tǒng)采用PLC搭建控制主體，使用技術成熟的通訊方法，并對上位機和下位機都進行了冗余設計，有效地減少了系統(tǒng)的故障率。實際測試表明，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

LNG；PLC；冗余設計；系統(tǒng)通訊

隨著能源價格的高漲和環(huán)境污染問題日益突出，天然氣作為清潔、高效的燃料越來越受到市場青睞，以天然氣作為燃料的船用雙燃料柴油機也越來越受到各大船東的重視，成為主要研究和發(fā)展的對象。雙燃料船用柴油機以其燃料靈活性、經(jīng)濟性和排放性能好等優(yōu)點成為滿足今后嚴格經(jīng)濟性和排放法規(guī)要求的重要技術措施之一[1-3]。隨著雙燃料柴油機在市場上的快速發(fā)展，雙燃料柴油機供氣系統(tǒng)也將迎來快速的發(fā)展階段，可以推斷雙燃料柴油機供氣系統(tǒng)將迎來更加廣闊的市場前景，成為未來船舶配套市場新的業(yè)務增長點[4-6]。

船用雙燃料低速機供氣系統(tǒng)使用的燃氣氣源為低溫液態(tài)的天然氣（Liquefied Natural Gas，以下簡稱 LNG），LNG存儲于低溫儲罐或液貨艙室內(nèi)，使用時需通過輸送泵或儲罐內(nèi)壓力強制輸送到供氣系統(tǒng)中。供氣系統(tǒng)再利用高壓泵將LNG壓力提升到主機需求的壓力值，增壓后的LNG仍是低溫液體，不能直接供應給柴油機燃燒，還需通過氣化流程，將LNG氣化為滿足主機進氣溫度要求的高壓燃氣供應給主機。

為了實現(xiàn)上述復雜的工藝流程，就需要對總體的工藝流程方案進行詳細的了解，根據(jù)需求對控制系統(tǒng)進行設計。LNG供氣系統(tǒng)為船用配套系統(tǒng)，針對其惡劣的工作環(huán)境，文中采用西門子系列PLC搭建控制結構，并對系統(tǒng)進行冗余設計，有效的保證了LNG供氣系統(tǒng)在運行過程中的可靠性和穩(wěn)定性。

1 LNG供氣系統(tǒng)概述

如圖1所示，LNG供氣系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

圖1 LNG供氣系統(tǒng)原理圖

1）LNG存儲模塊：用于LNG的安全存儲。

2）LN2存儲模塊：用于液氮的安全存儲。

3）LNG輸送及增壓模塊：為低壓系統(tǒng)提供壓力并將LNG加壓到主機需求的壓力。

4）蒸發(fā)汽化模塊，用于將加壓后的LNG氣化為45℃的燃氣，加熱介質為乙二醇溶液。

5）閥組單元，實現(xiàn)對最終進機燃氣壓力的調(diào)節(jié)，各閥直接執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號，完成燃氣輸出、惰性氣體吹掃，泄放等工作。

6）惰性氣體模塊，用于為主機吹掃提供惰性氣體。

7）通風系統(tǒng)，用于將主機燃氣管道與車間隔離，防止燃氣泄漏進車間。

8）燃燒單元模塊，用于為蒸發(fā)汽化模塊提供能量，同時燃燒掉多余的蒸發(fā)燃氣。

供氣系統(tǒng)主要用于為船用柴油機供應燃氣，使燃氣的壓力、流量、溫度等參數(shù)能夠滿足柴油機的運行需要?？刂葡到y(tǒng)除實現(xiàn)對燃氣壓力、流量、溫度的自動調(diào)控外，還要實現(xiàn)與主機控制系統(tǒng)的啟停、通斷、泄放、吹掃等聯(lián)動功能。

2 控制系統(tǒng)總體結構

控制系統(tǒng)設計主要為基于DCS的冗余系統(tǒng)。結構如圖2所示，主要包括上位機監(jiān)測系統(tǒng)，下位機控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)[7]。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

2.1 上位機監(jiān)測系統(tǒng)

上位機監(jiān)測系統(tǒng)使用WinCC組態(tài)軟件進行監(jiān)控系統(tǒng)的編程與功能組態(tài)，具有良好的人機交互界面[8-10]。工作人員通過計算機界面便可了解LNG供氣系統(tǒng)每個部分的工作狀態(tài)，對系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等進行實時監(jiān)測。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時發(fā)出聲光報警 ，同時工作人員還能通過上位機對現(xiàn)場設備進行遠程遙控。此外，通過上位機的監(jiān)測系統(tǒng)還可以對設備參數(shù)進行設置；將下位機上傳的數(shù)據(jù)進行顯示，存儲和打印，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能，為工作人員分析系統(tǒng)的工作狀態(tài)提供了數(shù)據(jù)支持和查詢的依據(jù)；監(jiān)測系統(tǒng)還預留有額外的通訊接口，提供數(shù)據(jù)轉發(fā)功能。

冗余設計：上位機監(jiān)測系統(tǒng)采用一主一從兩臺工業(yè)計算機來實現(xiàn)冗余監(jiān)測[11]。上位機之間通過網(wǎng)絡接口接入到工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)之中。當主機正常工作時，從機以一定的心跳頻率監(jiān)測主機的工作狀態(tài)，并接受主機傳入的實時數(shù)據(jù)并保存，當主機從網(wǎng)絡斷開或發(fā)生故障時，從機自動切換到工作狀態(tài)。主從機互為備份，能夠同步顯示數(shù)據(jù)。在主從機的顯示器上均顯示當前的工作狀態(tài)。

2.2 下位機控制系統(tǒng)

下位機控制系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心部分，主要包括PLC控制器（冗余CPU）和采集模塊，系統(tǒng)結構如圖3所示[12-13]?，F(xiàn)場的溫度，壓力、液位等模擬量信號以及閥門狀態(tài)等開關量信號通過采集模塊傳送給PLC控制器進行分析處理，然后上傳到監(jiān)測系統(tǒng)進行顯示和存儲；當主機負荷發(fā)生變化時，PLC控制器通過程序比較運算，對閥門的開度進行PID調(diào)節(jié)，以保證LNG供氣系統(tǒng)的穩(wěn)定。

因PLC采集模塊接受的是數(shù)字量信號，所以在進行數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行時需要進行A/D轉換和D/A轉換。本控制系統(tǒng)具有手動和自動控制切換的功能，當系統(tǒng)發(fā)生故障或有特殊需求時采用手動控制，正常工作時采用自動控制。

圖3 下位機系統(tǒng)結構圖

2.2.1 冗余PLC設計

考慮到LNG系統(tǒng)對控制的可靠性有著較高的要求，PLC可采用西門子S7-400H系列，400H是西門子系列的冗余PLC，為目前較為完備的冗余控制硬件設備。兩套完全獨立的電源模塊和CPU裝配于主、從兩個機架，兩套機架上的設備單元通過光纖通訊，從而實現(xiàn)減少因故障或錯誤而導致的生產(chǎn)損失或安全事故。相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，冗余PLC系統(tǒng)可以實現(xiàn)：1）平滑的主從切換；2）自動事件同步；3）集成的錯誤識別和錯誤定位功能；4）下載程序時，只考慮單個CPU，程序可自動拷貝到另一個CPU中；5）CPU修復后自動再進入；6）運行中所有部件可更換。

2.2.2 采集控制模塊的設計

采集控制模塊按照功能主要分為以下兩大類：

1）開關量輸入輸出模塊，通常是指能夠將開關量信號采集輸入/控制輸出的設備，通常也稱為數(shù)字量I/O模塊，模塊可以同過各種通訊總線將開關量信號采集至CPU，或者由CPU發(fā)送相關指令通過模塊控制開關的相關狀態(tài)。以PLC的開關量模塊為例，一般為直流24 V輸入，PLC提供一個電源公共端，再將這個公共點接入按鈕等開關設備中，當開關閉合時，形成通路，將信號引入PLC輸入點，此時我們就認為這個輸入點接通[14]。

2）模擬量輸入輸出模塊，模擬量輸入模塊通常是指能夠采集模擬量（如電壓，電流，熱電偶，熱電阻，溫度等信號）通過A/D轉換，變成數(shù)字量信號的設備，模擬量輸出模塊相反。這里也以PLC模擬量輸入模塊為例，一般能接受的信號是0～10 V，0～5 V，-5～5 V電壓信號及0～20 MA，4～20 MA電流信號，如果采集模塊得到的不是這些標準信號，還需通過變送器轉換。這些轉換后的數(shù)字量，可由程序使用，進行數(shù)據(jù)處理，工程轉換后，得到所需的數(shù)值并通過上位計算機顯示。

本系統(tǒng)的采集控制模塊主要需要實現(xiàn)以下功能：1）開關量輸入信號的采集：如閥組單元開關閥的開閉信號，儲罐浮球開關的高低位報警等；2）模擬量輸入信號的采集：如氣化后的天然氣的溫度值的采集（可以使用PT100采集模塊），天然氣進主機前壓力的采集 （可以使用4～20 mA的采集模塊）等；3）開關量信號的輸出：如通過控制模塊控制閥門的開閉，輸出壓力高的報警給指示燈等；4）模擬量信號的輸出：如通過0～20 mA模擬量輸出模塊，控制高壓變頻泵電機的頻率，從而改變泵轉速，達到輸出穩(wěn)定壓力的目的。

在這些采集控制模塊的設計中，針對爆炸危險區(qū)域的每個控制點，系統(tǒng)均通過相關硬件設備進行隔離保護，開關量通過繼電器進行隔離，模擬量通過安全柵隔離，以提高整個系統(tǒng)的安全性[15]。

3 系統(tǒng)通訊

本控制系統(tǒng)的通訊主要包括：上位機和CPU的通訊，CPU和采集模塊的通訊，冗余 CPU之間的通訊，整個控制系統(tǒng)與其他設備的通訊。

3.1 上位機和CPU的通訊

控制系統(tǒng)中上位機工作站與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)連接。工業(yè)以太網(wǎng)相比傳統(tǒng)總線通訊主要有以下兩方面優(yōu)勢：

1）速率更高，目前100 Mbps已經(jīng)廣泛使用，而現(xiàn)場總線最高速率只有12 Mbps，可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡不斷增長的帶寬需求。

2）設備間兼容性好，不同工控廠家之間的設備都可以通過工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)，無需編寫專門的通訊控件腳本，如本系統(tǒng)的上位機電腦和下位機PLC之間的通訊。

3.2 CPU和采集模塊的通訊

PLC通過profibus總線和采集模塊進行通訊，考慮到采集模塊和CPU之間的距離較遠，且通過危險區(qū)，在采集模塊端需配置profibus網(wǎng)轉光纖模塊。

3.3 冗余CPU之間的通訊

CPU模塊通過工業(yè)通訊總線冗余連接，確保一路發(fā)生故障時，系統(tǒng)能自動切換到另一路，切換時間可達ms級。切換期間模塊能夠保持輸出，無信息和報警的丟失。

3.4 與其他設備的通訊（預留）

PLC機架上留有標準的RS485通訊接口，可以擴展和外部設備的通訊。

4 配 置

控制系統(tǒng)主要設備配置如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)設備配置表

5 結 論

文中在對天然氣供氣系統(tǒng)的功能結構和工藝流程進行詳細分析的基礎上，采用分布式控制系統(tǒng)的理念設計控制系統(tǒng)，并對控制系統(tǒng)進行了冗余設計，既滿足了控制需求，同時又保證了整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。在后期測試中，通過了連續(xù)無故障運行的測驗。但是要對系統(tǒng)進行冗余設計，勢必會提高系統(tǒng)的硬件成本，如何在提高系統(tǒng)性能的基礎上保證系統(tǒng)的經(jīng)濟性還需進一步研究。

[1]彭雪竹.國內(nèi)外雙燃料發(fā)動機發(fā)展狀況分析[J].船舶與設備，2012（3）:16-21.

[2]王溫和.雙燃料發(fā)動機技術簡介[J].中國科技信息，2011（15）: 114.

[3]馬志超.船舶發(fā)動機天然氣應用的關鍵技術研究[D].武漢:武漢理工大學輪機工程系，2012.

[4]占小跳.液化天然氣儲存中的安全問題及應對措施[J].水運科學研究，2006（3）:50-53.

[5]賴元楷.縱論LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J].石油化工建設（LNG建設期刊）:7-11.

[6]液化天然氣（LNG）生產(chǎn)、儲存和裝運[S].GB/T20368-2006.

[7]范殿忠.一種新型遙控控制系統(tǒng)[J].中國修船，2002（4）：30-33.

[8]題立東.西門子WinCCV7基礎與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.

[9]王善斌.Kinview WinCC組態(tài)軟件應用與指南[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[10]李軍.WinCC組態(tài)技巧與技術問答[M].北京:機械工業(yè)出版社，2013.

[11]施保華.計算機控制技術[M].湖北：華中科技大學出版社. 2007.

[12]郁漢琪.電氣控與可編程序控制器應用技術[M].南京:東南大學出版社，2003.

[13]中國自動化網(wǎng)市場研究部.PLC市場預期及發(fā)展趨勢[J].可編程控制器與工廠自動化，2011（5）：28-29，31.

[14]李道霖.電氣控制與PLC原理及應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[15]龔仲華.S7-200/300/400 PLC應用技術-提高篇[M].北京:人民郵電出版社，2008.

Control design of LNG supply system

ZOU Jie-dong1，WAN Zhen-gang1，LI Da2
（1.Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Hudong Heavy Machinery Co.Ltd.，Shanghai 200120，China）

According to the study of the current status of marine diesel engine with dual fuel gas supply system，this paper designs a feasible control system，and describes the main structure and the main configuration of the control system based on the analysis of the functional structure of the LNG supply system.The control system chooses PLC to build the main body，using mature communication，and carry on the redundancy design to the upper and lower machine.The system effectively reduces the failure rate during operation，and practical tests also show that the system has high stability and reliability.

LNG；PLC；redundant design；system communications

TN86

A

1674－6236（2016）23-0122-03

2015-12-04稿件編號：201512044

鄒杰東（1992—），男，江蘇南通人，碩士。研究方向：船舶控制。