天然氣場站控制系統(tǒng)在長輸管道的應(yīng)用

高京衛(wèi) 李曉莉

（陜西省天然氣股份有限公司 陜西省西安市 710016）

天然氣場站控制系統(tǒng)在長輸管道的應(yīng)用

高京衛(wèi) 李曉莉

（陜西省天然氣股份有限公司 陜西省西安市 710016）

天然氣長輸管線是天然氣輸送的主要途徑，天然氣場站是管道輸送中的關(guān)鍵節(jié)點，天然氣場站的安全運行是天然氣輸送的最基本條件，如何運行安全成為重中之重，控制系統(tǒng)為長輸管線運行的中樞尤為重要，結(jié)合近年具體施工淺談控制系統(tǒng)在長輸管線的應(yīng)用。PLC系統(tǒng)在實際工作中編程、控制，以保證生產(chǎn)運行安全。

長輸管線；SCADA；PLC；程序控制

1 引言

近些年長輸管線建設(shè)迅猛增長，隨著西氣東輸、漠大管線、中緬管線等長輸管線相續(xù)投產(chǎn)，對我們的生活、生產(chǎn)影響巨大，長輸管線在國家戰(zhàn)略、經(jīng)濟(jì)上的重要性不言而喻。這樣作為長輸管線本身的運行安全成為重中之重，控制系統(tǒng)為長輸管線運行的中樞尤為重要，結(jié)合近年具體施工淺談控制系統(tǒng)在長輸管線的應(yīng)用。

長輸管線控制系統(tǒng)一般為SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA是以工業(yè)計算機為基礎(chǔ)的自動化監(jiān)控與PLC系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于冶金、石油、電力、燃?xì)?、鐵路以及化工等領(lǐng)域的過程控制和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制。PLC站控系統(tǒng)作為SCADA系統(tǒng)的重要一環(huán)，在天然氣長輸管道的安全運營中發(fā)揮著極其重要的監(jiān)控管理作用。是場站工藝數(shù)據(jù)采集、控制和傳輸，保證全線正常運行不可缺少的組成部分。

2 工程實例

位于寧夏自治區(qū)、四川省、貴州省境內(nèi)的中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）管線天然氣長距離輸氣管線全線長約一千公里，沿途共有二十座分輸站或加壓站。使用美國Rockwell公司生產(chǎn)的PLC系統(tǒng)構(gòu)成的分輸站或加壓站的站控系統(tǒng)，與位于北京的中國石油中心調(diào)度室通過衛(wèi)星通訊方式組成的SCADA系統(tǒng)，監(jiān)視、控制著全線各分輸站或加壓站的工藝過程，維護(hù)著全線生產(chǎn)的正常運行。

中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）天然氣長距離輸氣管線上的二十座分輸站或加壓站站控系統(tǒng)，依據(jù)其首站、分輸站、末站及加壓站的工藝要求分為三種方式，三種方式的系統(tǒng)構(gòu)成如下：

首站、末站方式：由于首、末站在天然氣長距離管線輸氣中承擔(dān)著與天然氣供氣“上游”、用氣“下游”進(jìn)行輸配和貿(mào)易交接的任務(wù)，為保證生產(chǎn)的安全、正常和穩(wěn)定，其站控系統(tǒng)采用了控制器冗余方式，以確保系統(tǒng)控制不間斷。

在系統(tǒng)中控制器CPU、電源、通訊均采用1：1的額熱備冗余，無論是CPU模塊還是電源模塊其中的任意一個發(fā)生了故障，將使用另一個無擾動方式的模塊來進(jìn)行接替工作。

在系統(tǒng)中還設(shè)立終端顯示單元，向操作人員提供工藝過程和工藝數(shù)據(jù)顯示，如軟手動、自動控制、工藝設(shè)備手動等操作界面。還可以根據(jù)需要，通過終端顯示單元中的打印機打印報警記錄和工作報表。

站控系統(tǒng)主要通過衛(wèi)星通訊裝置或有線電話將本站地工藝設(shè)備、工藝參數(shù)等工作狀況實時地傳輸給調(diào)度中心，同時接受調(diào)度中心的控制指令。

分輸站方式：長達(dá)一千公里的中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）天然氣長距離輸氣管線共有輸氣站十二座，擔(dān)負(fù)著向沿途各用氣城市或單位輸配氣的作用。

加壓站方式：為提高天然氣輸送壓力，保證高峰期下游用戶用氣量的供給，中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）天然氣長距離輸氣管線沿線設(shè)有三座天然氣加壓站。其站控系統(tǒng)配置如下：

依據(jù)工藝相關(guān)要求，每座加壓站設(shè)置3～5臺壓縮機組，每臺使用一套PLC站對壓縮機組進(jìn)行控制與監(jiān)視。然后將所有工藝監(jiān)控PLC站以及PLC站連接起來組成控制局域網(wǎng)。并且還有使用兩臺工業(yè)計算機實現(xiàn)對加壓站的工藝過程進(jìn)行控制和監(jiān)視，與此同時，通過有線電話或者衛(wèi)星通訊裝置以及工藝監(jiān)控PLC站地冗余控制器來完成與控制調(diào)度中心的通訊。

另外，工藝人員可通過網(wǎng)絡(luò)打印機打印工作報表和報警記錄。

3 網(wǎng)絡(luò)與接口

3.1 主要通訊網(wǎng)絡(luò)介紹

ControlNet網(wǎng)絡(luò)是新一代自動化控制網(wǎng)絡(luò)，是一種可以在PLC之間，PLC與MMI操作站及I/O子系統(tǒng)間實現(xiàn)可冗余的、高速的通訊方式，而且滿足國際工業(yè)現(xiàn)場總線的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。它最大能支持99個節(jié)點，最長的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離達(dá)20KM（光纖通訊），它可以連接星型、樹型、總線型以及混合型等各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過ControlNet可以實現(xiàn)關(guān)鍵性數(shù)據(jù)在單一網(wǎng)絡(luò)上完成傳送、處理器互鎖、I/O更新以及對等通訊等功能。Producer／Consumer通訊模式可以使不同的處理器之間．進(jìn)行信號交換．I/O數(shù)據(jù)可以同時被多個設(shè)備共享。

3.2 場站與調(diào)度中心的通訊接口

ControlLogix控制器與調(diào)度中心的通訊接口。

ControlLogix系列的控制系統(tǒng)為與北京調(diào)度控制中心通訊提供了以太網(wǎng)通訊接口，通過通訊衛(wèi)星，可以直接對控制器的寄存器讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，包括整數(shù)，浮點數(shù)與布爾型數(shù)據(jù)。實現(xiàn)站控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集與控制。

3.3 ControlLogix控制器與SLC控制器的通訊接口

ControlLogix與SLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊通過模塊DH+RIO上的DH+接口。

3.4 站控系統(tǒng)與其他設(shè)備的通訊接口

ControlLogix控制器與他設(shè)備的通訊接口

首站的氣體組分分析儀采用的是Modbus通訊協(xié)議。ControlLogix PLC可以通過MVI56-MCM支持標(biāo)準(zhǔn)的ModbusMaster/Slave通訊協(xié)議，但分析儀采用的是非標(biāo)準(zhǔn)Modbus，所以選用了1756-MVID，此模塊支持用戶使用‘C’語言開發(fā)的通訊接口程序，1756-MVID提供2個RS-232/RS-485接口，依照分析儀的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議編寫‘C’語言，下載到1756-MVID，通過RS-232接口采集氣體組分分析儀的數(shù)據(jù)。

4 核心設(shè)備的控制

4.1 針對天然氣中的壓縮機控制方法

（1）壓力聯(lián)鎖控制

壓力聯(lián)鎖就是指：使用PLC對所有相關(guān)壓力測量點進(jìn)行檢測，一旦壓力出現(xiàn)異常，就發(fā)出報警信號，告知操作人員處理。而當(dāng)壓力值超過臨界值，壓力聯(lián)鎖程序就會立馬動作，關(guān)閉壓縮機，并將其開關(guān)閥設(shè)置到安全位置。

氣體濃度的聯(lián)控制指：在壓縮機四周設(shè)置檢測點，采集氣體的濃度信號。一旦發(fā)現(xiàn)氣體濃度大于爆炸下限50%LEL時，立即發(fā)出緊急指令，控制關(guān)閉壓縮機組，而一旦有停機反饋信號時PLC就關(guān)閉此機組地燃料氣閥，接著PLC就會根據(jù)反饋信號來關(guān)閉機組排氣總閥和進(jìn)氣總閥。

（2）順序控制

壓縮機組順序控制有兩種方式，就是就地控制和遠(yuǎn)程控制。當(dāng)置為遠(yuǎn)程時，通過壓縮機組上位機控制畫面上來啟動停機、卸載或者緊急停機等動作。而一旦PLC發(fā)出停機、卸載或者緊急停機的指令時，現(xiàn)場所有地壓縮機組都同時執(zhí)行這一相同動作。

4.2 計量支路PID流量的調(diào)節(jié)和控制

計量支路流量控制是天然氣輸管線中最常用的方法，其原理是依據(jù)上游的供氣壓力、下游的用氣量以及中心調(diào)度員地控制而調(diào)整，因此這就需要對大中小等各個不同地流量段產(chǎn)生了不一樣地控制要求。而我們常用地PID調(diào)節(jié)方法無法達(dá)到對不同特性進(jìn)行有效控制地要求，經(jīng)過實際研究我們自己編寫流量控制程序，實現(xiàn)了分段進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。經(jīng)過實踐檢驗效果理想。

5 應(yīng)用程序的編制與功能

加壓站PLC程序框圖：

（1）主程序（MainRoutine）。

（2）閥門控制子程序（ValveControl）。

（3）流量控制子程序（Flow）。

（4）報警子程序（Alarm）。

（5）連鎖子程序（InterLock）。

當(dāng)發(fā)生壓力連鎖、可燃?xì)怏w連鎖和火焰報警連鎖時，向壓縮機發(fā)送停機信號。

（6）數(shù)據(jù)上傳子程序（UpLoad）。

將閥門狀態(tài)轉(zhuǎn)換為控制中心所需格式，以兩位表示閥門的三個狀態(tài)：01-全開；10-全關(guān)；11-運行。上傳的數(shù)據(jù)主要含有閥門狀態(tài)，中心控制狀態(tài)，壓力、現(xiàn)場溫度、差壓數(shù)值，氣體組份，管線流量及累計，孔板參數(shù)，可燃?xì)怏w濃度，差壓以及壓力地報警限和量程等。

（7）數(shù)據(jù)下載子程序（DownData）。

下載的數(shù)據(jù)主要含有閥門開關(guān)操作，氣體組份，孔板參數(shù)，差壓以及壓力地報警限和量程等。

（8）SLC通訊子程序（SLC_Comm）。

（9）AFC子程序（AFC）。

AFC模塊組態(tài)程序，根據(jù)AGA3標(biāo)準(zhǔn)計算氣體瞬時流量。

（10）時間同步子程序。

通過定期向超聲波流量計發(fā)送時間同步信號實現(xiàn)時間同步功能已達(dá)到流量計量結(jié)算時間上的一致性。

各個站的計算機連接調(diào)度中心的時間服務(wù)器，每個場站的PLC與但地的操作站做時間同步。

6 PLC系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分以下幾個階段：

控制機柜、操作臺安裝就位；現(xiàn)場儀表與控制室的電纜接線及校驗完畢。

（1）檢查系統(tǒng)供電品質(zhì)是否滿足PLC供電要求。

（2）檢查系統(tǒng)接地是否滿足要求。

（3）檢查控制溫濕度等環(huán)境是否滿足PLC工作要求。

（4）PLC系統(tǒng)上電。

（5）逐個通道做做回路測試，AI、AO、DI、DO 逐點測試。

（6）聯(lián)鎖回路模擬測試。

（7）與第三方設(shè)備通訊測試。

（8）操作員畫面的流程圖校對，各個數(shù)據(jù)校對。

（9）系統(tǒng)報警測試。

（10）歷史數(shù)據(jù)測試檢驗。

（11）與現(xiàn)場設(shè)備的聯(lián)動測試。

（12）聯(lián)鎖回路帶設(shè)備測試。

（13）孔板流量計計量精度的檢驗（通過加以模擬工況的現(xiàn)場參數(shù)，檢驗PLC的計算精度是否滿足要求）。

（14）與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)上傳聯(lián)調(diào)。

7 結(jié)束語

中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）天然氣SCADA系統(tǒng)采用多種控制設(shè)備（儀表、閥門、PLC、監(jiān)控計算機等）。多種通訊方式（衛(wèi)星通訊，電話線通訊、以太網(wǎng)通訊、PLCControlNET通訊、串口MODBUS通訊等）。整個系統(tǒng)的建設(shè)、調(diào)試與維護(hù)需要多方面的技能，需要技術(shù)人員的不斷學(xué)習(xí)與鉆研。天然氣屬于易燃易爆氣體，關(guān)系到廣大人民群眾的生活與安全。這就要求我們在工作中終于職守，鉆研技術(shù)細(xì)心觀察，及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題，認(rèn)真研究問題所在，防患于未然。

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