基于PLC的CNG氣站聯(lián)動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)研究

強(qiáng)明輝，胡實(shí)

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730050）

基于PLC的CNG氣站聯(lián)動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)研究

強(qiáng)明輝，胡實(shí)

（蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

為了滿足CNG加氣站安全的需求，本文通過(guò)對(duì)CNG氣站的4個(gè)分支系統(tǒng)：脫硫脫水系統(tǒng)、壓縮機(jī)系統(tǒng)、儲(chǔ)氣系統(tǒng)，以及加氣系統(tǒng)可燃?xì)怏w泄露的檢測(cè)；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)的收集，設(shè)計(jì)了基于西門(mén)子S7-300PLC的加氣站管網(wǎng)控制系統(tǒng)和可燃?xì)怏w報(bào)警控制系統(tǒng)，設(shè)定了報(bào)警值并在管網(wǎng)控制部分進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，通過(guò)可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警最終實(shí)現(xiàn)了CNG加氣站的安全預(yù)警、和測(cè)量，達(dá)成系統(tǒng)集成；最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可將安全系數(shù)提高20%，從而對(duì)氣站的應(yīng)用方面提供有效的支持。

PLC；聯(lián)動(dòng)控制；工藝流程；火災(zāi)報(bào)警探測(cè)

為保護(hù)環(huán)境，合理利用能源，中國(guó)積極推進(jìn)城鎮(zhèn)燃料天然氣化工作，建成了西氣東輸管線、陜京管線、澀-寧-蘭管線、及建設(shè)中的/西氣東輸二線，將推動(dòng)中國(guó)進(jìn)入規(guī)模化天然氣應(yīng)用的新時(shí)期。天然氣作為清潔能源，在民用、工業(yè)領(lǐng)域，及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面凸顯出重要作用。CNG加氣站含CNG加氣母站、標(biāo)準(zhǔn)站和子站。標(biāo)準(zhǔn)站設(shè)備多，流程復(fù)雜，本設(shè)計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)站為控制對(duì)象。

圖1　工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　Process system structure diagram

1　CNG加氣站的工藝流程

CNG加氣站控制系統(tǒng)分壓縮機(jī)控制系統(tǒng)、加氣機(jī)收費(fèi)管理系統(tǒng)、工藝管道控制系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報(bào)警控制系統(tǒng)，4套系統(tǒng)相互結(jié)合以實(shí)現(xiàn)加氣站安全運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)加氣。在加氣站的管網(wǎng)控制部分，各系統(tǒng)可以單獨(dú)控制，然后根據(jù)工藝要求，對(duì)各個(gè)控制進(jìn)行必要的聯(lián)動(dòng)，以達(dá)到對(duì)管網(wǎng)的聯(lián)動(dòng)控制［1］。整個(gè)加氣站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2　氣站現(xiàn)場(chǎng)工藝及部分聯(lián)動(dòng)控制

系統(tǒng)由加氣站各個(gè)工藝環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬量監(jiān)控子系統(tǒng)和安全預(yù)警與故障響應(yīng)子系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為兩層，工作站和工程師站的上位機(jī)作為監(jiān)控層，PLC和現(xiàn)場(chǎng)儀表構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制層。可燃?xì)怏w控制器控制負(fù)責(zé)加氣站20路天然氣濃度的檢測(cè)［2］。火災(zāi)報(bào)警控制器與6路隔爆型火焰探測(cè)器連接，監(jiān)控站區(qū)內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生。當(dāng)監(jiān)控區(qū)出現(xiàn)明火時(shí)，立即將報(bào)警信息傳遞給PLC，同時(shí)開(kāi)啟噴淋泵和消火栓泵對(duì)燃燒區(qū)滅火?？扇?xì)怏w控制器和火災(zāi)報(bào)警控制器均通過(guò)Modbus總線協(xié)議與PLC通訊?，F(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量、液位等模擬量通過(guò)分布式I/O模塊采集到PLC中［3］。

2.1站區(qū)各環(huán)節(jié)安全預(yù)警與聯(lián)動(dòng)措施

CNG加氣站是高危場(chǎng)所，管網(wǎng)壓力過(guò)大、儲(chǔ)罐液位太高、壓縮機(jī)出口處流量過(guò)大以及發(fā)生氣體泄漏、站區(qū)發(fā)生火災(zāi)都會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，必須對(duì)加氣站各個(gè)測(cè)點(diǎn)的參量進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，當(dāng)其超出上下限時(shí)必須報(bào)警提示，并且對(duì)與該參數(shù)相關(guān)的閥門(mén)、消防裝置進(jìn)行操作，以期在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)故障，避免危險(xiǎn)情況發(fā)生。下面，針對(duì)站區(qū)幾個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)，研究其安全預(yù)警方法和管網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制策略［4］。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2　Block diagram of control system

進(jìn)氣儲(chǔ)氣罐：進(jìn)氣儲(chǔ)氣罐為加氣站提供原始的氣源。由于儲(chǔ)氣罐的氣體沒(méi)有經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的壓縮，儲(chǔ)氣罐所能承受1MPa，為了保證儲(chǔ)氣罐安全和供氣的連續(xù)性，必須對(duì)儲(chǔ)氣罐的的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)控制，當(dāng)儲(chǔ)氣罐的壓力超過(guò)1MPa時(shí)就打開(kāi)外放閥，通過(guò)外放管降低儲(chǔ)氣罐的壓力。

圖3　儲(chǔ)氣罐控制流程Fig.3　Gas tank control process

空溫氣化器和水浴氣化器：空溫氣化器和水浴氣化器的主要目的是把液體天然氣氣化成氣體天然氣。溫度控制是氣化的關(guān)鍵。如果溫度大于10℃，則打開(kāi)直通閥，關(guān)閉水浴氣化器閥，氣體不需要進(jìn)一步的氣化；否則，關(guān)閉直通閥，打開(kāi)水浴氣化器閥，以確保氣化氣體溫度不致太低而在管道結(jié)冰。這樣做的目的主要是為了節(jié)能。控制流程如圖4所示。

圖4　空溫氣化器控制流程Fig.4　The air temperature of gasifier control process

壓縮機(jī)系統(tǒng)：壓縮機(jī)是加氣站的核心部分，控制系統(tǒng)需將壓縮機(jī)的入口壓力、出口壓力，使壓縮機(jī)工作在最佳狀態(tài)。壓縮機(jī)出口壓力和流量控制部分的流程圖如圖5所示。

圖5　壓縮機(jī)控制流程Fig.5　Compressor control process

2.2可燃?xì)怏w探測(cè)與火災(zāi)報(bào)警探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可燃?xì)怏w探測(cè)和火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)中的兩個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)。如前文所述，可燃?xì)怏w探測(cè)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)天然氣的濃度的探測(cè)，如果濃度高于報(bào)警值，則會(huì)引起報(bào)警，同時(shí)會(huì)引起聯(lián)動(dòng)裝置動(dòng)作，以盡快消除危險(xiǎn)情況；火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)主要檢測(cè)加氣站區(qū)出現(xiàn)的火焰，如若在檢測(cè)區(qū)出現(xiàn)明火，控制器會(huì)立馬報(bào)警，并啟動(dòng)消火栓泵、噴淋泵等一系列聯(lián)動(dòng)裝置。按照站區(qū)的實(shí)際情況，共分布20個(gè)可燃?xì)怏w探測(cè)器，6個(gè)火焰探測(cè)器?？扇?xì)怏w控制器和火災(zāi)報(bào)警控制器是智能控制器，都通過(guò)Modbus總線協(xié)議與PLC通訊［5］。結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6　可燃?xì)怏w與火災(zāi)報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Combustible gas and fire alarm system structure diagram

可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)：當(dāng)可燃?xì)怏w探測(cè)器感知到氣體濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)將檢測(cè)信息傳遞給可燃?xì)怏w控制器，該控制器又會(huì)把故障信息通過(guò)Modbus協(xié)議傳遞給PLC。當(dāng)天然氣濃度達(dá)到20%時(shí)，需要聲光報(bào)警，并打開(kāi)風(fēng)機(jī)；當(dāng)濃度超過(guò)40%時(shí)，觸發(fā)危險(xiǎn)情況聲光報(bào)警，還要關(guān)閉所有的截止閥，開(kāi)風(fēng)機(jī)，停壓縮機(jī)［6］?？刂屏鞒倘鐖D7所示。

圖7　可燃?xì)怏w檢測(cè)控制流程Fig.7　Combustible gas detection and control process

火焰探測(cè)：在儲(chǔ)氣罐、壓縮機(jī)、售氣機(jī)、儲(chǔ)氣瓶組附近都有裝有火焰探測(cè)器，一旦出現(xiàn)明火，火焰探測(cè)就會(huì)把這一信號(hào)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。火災(zāi)報(bào)警控制器又會(huì)將故障信息傳遞給PLC，同時(shí)啟動(dòng)滅火裝置，例如啟動(dòng)噴淋泵和消火栓泵。PLC會(huì)觸發(fā)危險(xiǎn)情況聲光報(bào)警，并關(guān)閉所有的壓縮機(jī)、截止閥?？刂屏鞒倘鐖D8所示。

圖8　火焰探測(cè)控制流程Fig.8　Flame detection control process

3　結(jié)束語(yǔ)

目前及今后的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)CNG發(fā)展供給的對(duì)象主要是較易統(tǒng)一管理的公交車(chē)和出租車(chē)，所以市場(chǎng)前景很廣闊，然而CNG加氣站安全事故也時(shí)有發(fā)生，而現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化的提高即達(dá)到了提高工作效率的目的，同時(shí)又為生產(chǎn)安全提供了保障。PLC的突出特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)，工作性能穩(wěn)定，產(chǎn)品使用周期長(zhǎng)。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅能減輕現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，減少事故隱患，而且使加氣站在計(jì)算機(jī)管理現(xiàn)代化和自動(dòng)化方面提高到一個(gè)新的水平。

［1］宋曉麗，張劍鵬.CNG加氣站站控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.煤氣與熱力，2013（11）：42-45.

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［3］牛虎勛.CNG加氣站儀表自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié) ［J］.石油化工自動(dòng)化，2009（4）：33-36.

［4］黃睿.LNG、L-CNG加氣合建站重大危險(xiǎn)源辨識(shí)與評(píng)價(jià)［D］.成都：西南石油大學(xué)，2012.

［5］蔣海瑞，劉立山.基于PLC的CNG加氣站數(shù)據(jù)處理與聯(lián)動(dòng)控制［J］.電子測(cè)試，2013（19）：19-21.

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Research of CNG station linkage alarm control system based on PLC

QIANG Ming-hui，HU Shi
（College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

In order to meet the requirements of CNG station security，this article through to the CNG station of four branch systems：desulfurization dehydration system，compressor，gas storage system，and the gas system of combustible gas leak detection；In combination with field operation parameters of collection，designed based on Siemens S7-300 PLC stations network control system and combustible gas alarm control system，set the alarm value and carries on the linkage control in network control part，through the combustible gas detection alarm finally realized the CNG stations safety early warning，and measurement，a system integration；Finally through experimental verification safety factor can be increased by 20%，which provides effective support for the application of station.

PLC；linkage control；technological process；fire alarm detection

TP273

A

1674－6236（2016）03-0091-03

2015-03-19稿件編號(hào)：201503270

強(qiáng)明輝（1960—），男，陜西扶風(fēng)人，教授，高級(jí)工程師。研究方向：過(guò)程控制，檢測(cè)技術(shù)。