基于S7-300的小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代思洋，張金瑞，王文秀，唐明新

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連116028 )

基于S7-300的小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代思洋，張金瑞，王文秀，唐明新

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連116028 )

基于S7-300系列PLC，對(duì)某城市小區(qū)的LNG供氣站的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)核心部件采用CPU314可編程邏輯控制器，利用基于STEP7對(duì)控制器進(jìn)行編程控制，并采用WinCC組態(tài)軟件完成人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小區(qū)LNG供氣站的智能化管理和監(jiān)控，保證了供氣站的工藝流程有序進(jìn)行，同時(shí)降低了裝置制造成本，提高了裝置的運(yùn)行的可靠性。

小區(qū)LNG供氣站；S7-300；STEP7；WinCC；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LNG(Liquefied Natural Gas,LNG)指標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，由氣態(tài)天然氣冷卻到-162 ℃凝結(jié)而成的液態(tài)天然氣。因其可以節(jié)約存儲(chǔ)空間，降低運(yùn)輸成本，又具有較高的熱值[1]，近幾年被越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)和民用能源供應(yīng)行業(yè)。隨著中國可探明天然氣儲(chǔ)量的增加，天然氣輸氣管網(wǎng)已經(jīng)遍布中國大部分地區(qū)，覆蓋全國大部分人口，但由于地理因素，一些地區(qū)目前還沒有鋪建天然氣輸配管道，這些地區(qū)的居民用氣和公共建筑依舊使用瓶裝液化天然氣。瓶裝液化天然氣易泄漏，易爆炸，因而需要定期更換液化氣罐，給居民生活造成極大的不便，且具有一定的安全隱患，目前液化氣罐供氣方式已被逐步摒棄。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LNG供氣站成為了城市居民用氣主要方式，但應(yīng)該看到，作為一種易燃易爆的化工裝置，其運(yùn)行控制以及安全監(jiān)測至關(guān)重要。特別是隨著一些新的裝置和技術(shù)應(yīng)用到LNG供氣站的改造中，出現(xiàn)了新技術(shù)與傳統(tǒng)裝置不匹配的問題[2]，嚴(yán)重影響了小區(qū)LNG供氣站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如何利用先進(jìn)控制技術(shù)有效管理小區(qū)LNG供氣站的正常運(yùn)行，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性和智能化管理水平，成為目前小區(qū)LNG供氣站研究的熱點(diǎn)問題。

本文根據(jù)丹東宗裕城小區(qū)LNG供氣站裝置的具體情況，采用S7-300系列PLC，對(duì)現(xiàn)場各節(jié)點(diǎn)(如：卸車處、儲(chǔ)罐、汽化器、加臭裝置、在灌池)的參數(shù)(如：溫度、壓力、流量、液位、氣體濃度)進(jìn)行多方位檢測并分析處理，對(duì)相應(yīng)的閥門、報(bào)警器、潛液泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施有效控制，通過人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)報(bào)表的顯示，同時(shí)可對(duì)報(bào)警參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，提高了裝置的控制時(shí)效性和安全性，取得了很好的效果。

1 液化氣站工藝流程及系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)工藝流程

本設(shè)計(jì)的宗旨是實(shí)現(xiàn)小區(qū)LNG供氣站的安全穩(wěn)定運(yùn)行、智能化監(jiān)控和管理，并在一定程度上降低成本。LNG供氣站的工藝流程是將LNG槽車運(yùn)送過來的液態(tài)天然氣灌注到儲(chǔ)存罐內(nèi)，然后經(jīng)過汽化器，最后進(jìn)行加臭、調(diào)壓、計(jì)量，輸送到站外中壓管網(wǎng)，供用戶使用。

首先，LNG槽車到達(dá)后，采用上進(jìn)液以噴淋的方式將LNG輸送到儲(chǔ)罐內(nèi)。在這個(gè)過程中，由于LNG槽車內(nèi)液體的溫度低于儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度，噴淋過程還可將儲(chǔ)罐內(nèi)部分蒸發(fā)氣體(BOG)冷卻液化，然后經(jīng)過空溫汽化器汽化。由于北方冬天工作環(huán)境溫度較低，需要在天然氣出口進(jìn)行二次熱處理。小區(qū)LNG供氣站附近有大型鍋爐房，結(jié)合其具體地理位置，利用鍋爐房熱水進(jìn)行二次熱處理，也可通過水浴式加熱器進(jìn)行加熱汽化；最后經(jīng)過加臭，為用戶提供安全報(bào)警。經(jīng)調(diào)壓、計(jì)量輸送到站外小區(qū)中壓管網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制、自動(dòng)監(jiān)測，保證小區(qū)LNG供氣站安全穩(wěn)定工作，工藝流程如圖1。

圖1 小區(qū)LNG供氣站工藝流程

1.2 控制系統(tǒng)組成

小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)利用PLC控制器來獲取變送器采集到的現(xiàn)場信號(hào)，進(jìn)行分析處理后，判斷控制閥和切斷閥需要執(zhí)行的動(dòng)作以及是否需要啟動(dòng)潛液泵和水浴式加熱器，監(jiān)控計(jì)算機(jī)從PLC控制器的寄存器中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)[3]。通過工業(yè)以太網(wǎng)將信息傳輸給工控機(jī)[4-5]，以便操作員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和相關(guān)的操作。通過UPS[6]保證供氣站在市電出現(xiàn)故障時(shí)依舊可以正常運(yùn)作。小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

需要監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)及參數(shù)有：

(1)LNG槽車卸車管氣相、液相壓力，卸車增壓器溫度，可燃?xì)怏w濃度以及氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)壓力。

(2)LNG儲(chǔ)罐旁溫度，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、液位，可燃?xì)怏w濃度，報(bào)警和聯(lián)鎖。

(3)在灌池液位。

(4)汽化器旁溫度，天然氣出口壓力、溫度，報(bào)警和連鎖。

(5)熱水鍋爐房熱水溫度，返回的熱水溫度。

(6)調(diào)壓計(jì)量加臭處天然氣進(jìn)/出口壓力，可燃?xì)怏w濃度，累計(jì)流量。

(7)卸車增壓處、LNG儲(chǔ)罐處、汽化器處的火焰信號(hào)。

通過對(duì)各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測，來控制執(zhí)行器的閥門的關(guān)斷、潛液泵的啟停，并對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中顯示報(bào)警。其中，當(dāng)天然氣濃度達(dá)到上限20 %LEL時(shí)報(bào)警；電熱水浴式增熱氣后溫度低于5 ℃時(shí)報(bào)警，低于3 ℃時(shí)報(bào)警連鎖關(guān)斷汽化器進(jìn)液管；在灌池液位上限-600 mm報(bào)警，-500 mm開泵，-1 800 mm停泵；在站場發(fā)生泄漏、火災(zāi)等緊急情況下關(guān)閉潛液泵。

2 控制系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)下位機(jī)硬件配置

根據(jù)宗裕城小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)的實(shí)際要求，系統(tǒng)控制器選用德國西門子公司的S7-300系列PLC。電源模塊型號(hào)為PS307，可提供24 V，5 A的直流電。根據(jù)系統(tǒng)防爆要求，各種I/O接口和電源全部使用安全柵，選用深圳萬訊公司MSB302E作為檢測端配電隔離柵，MSB301E作為檢測端電流隔離柵接收4～20 mA電流信號(hào)，經(jīng)過隔離，輸出給安全區(qū)域。由于系統(tǒng)需采集的參數(shù)較多，要對(duì)現(xiàn)場壓力、流量、溫度、液位和氣體濃度等檢測信號(hào)進(jìn)行采集，主機(jī)CPU的端口不能滿足系統(tǒng)要求，所以采用SM331/SM332 系列AI/AO模塊對(duì)主機(jī)CPU進(jìn)行擴(kuò)展，采用SM3316ES7 331-7KF02-0AB0AI模塊進(jìn)行現(xiàn)場4～20 mA非溫度信號(hào)的采集，采用SM331 6ES7 331-7PF01-0AB0輸入熱電阻RTD模塊對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集。在實(shí)際操作時(shí)測量值能夠隨著模塊功能的不同調(diào)整為電壓值、電阻值或電流值，輸出為電流或電壓信號(hào)；采用SM322系列6ES7 321-1BH01-0AA0 DO模塊完成對(duì)潛液泵、電磁閥等數(shù)字量的控制。

2.2 控制系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)PLC硬件的選型，系統(tǒng)下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)采用的是西門子公司的STEP 7 V5.5專用編程軟件。在現(xiàn)場參數(shù)采集后，經(jīng)過分析處理對(duì)緊急控制閥和潛液泵進(jìn)行控制，以確保LNG供氣站的正常運(yùn)行，軟件流程圖如圖3。

圖3 下位機(jī)軟件程序流程圖

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行上電初始化，然后對(duì)現(xiàn)場各節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行釆集。當(dāng)LNG槽車到達(dá)后，打開進(jìn)液管閥門，在卸車過程中主要監(jiān)測儲(chǔ)罐液位和卸車增壓裝置的壓力，當(dāng)儲(chǔ)罐液位到達(dá)2.7 m后，關(guān)閉儲(chǔ)罐處噴淋管控制閥和進(jìn)液管控制閥。當(dāng)卸車增壓處壓力大于4 MPa出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)關(guān)閉進(jìn)液管控制閥并報(bào)警。當(dāng)在灌池的液位達(dá)到-500 mm時(shí)開啟潛液泵，到達(dá)-600 mm時(shí)報(bào)警，低液位-1 800 mm時(shí)停泵。汽化器出口溫度下限設(shè)定為10 ℃，小于該溫度值時(shí)開啟水浴式加熱器。當(dāng)站場出現(xiàn)異常，如可燃?xì)怏w濃度達(dá)到上限20 %、溫度超過-50 ℃及50 ℃界限，氣體壓力超過1 MPa等情況，立即開啟天然氣出口切斷閥，減少安全隱患，保證小區(qū)LNG供氣站的安全運(yùn)行與工作人員的人身財(cái)產(chǎn)安全。

小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)采用STEP 7編寫結(jié)構(gòu)化程序，以主程序?yàn)槔龑?duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行說明，如圖4。

圖4 控制系統(tǒng)主程序OB1

其中，OB1為主循環(huán)程序，調(diào)用各子程序。主程序包括：輸入模擬量工程量轉(zhuǎn)換和報(bào)警連鎖控制。每個(gè)“CALL”指令會(huì)調(diào)用S7-300 PLC中的相應(yīng)模塊。功能塊輸入模擬量工程量轉(zhuǎn)換和報(bào)警連鎖控制，在眾多關(guān)于PLC應(yīng)用的文獻(xiàn)中已形成完整的固定程序，本文不再加以贅述。

3 控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)的上位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有：用戶管理和權(quán)限管理，實(shí)時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)參數(shù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，歷史曲線，對(duì)緊急切斷閥、水浴式加熱器以及潛液泵等執(zhí)行器的控制，還可對(duì)操作員進(jìn)行報(bào)警提醒和報(bào)表顯示打印。操作員可通過監(jiān)控軟件對(duì)供氣站的工藝流程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，保證供氣站安全穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)省大量人力物力，更重要的是讓工作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的操作工作區(qū)，保護(hù)生命安全。

本系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件選用西門子SIMATIC WinCC。在組態(tài)程序開發(fā)時(shí)，經(jīng)過創(chuàng)建新項(xiàng)目、添加新的驅(qū)動(dòng)程序、建立WinCC變量、創(chuàng)建過程畫面(包括主控畫面、功能畫面、控制畫面)、變量歸檔等設(shè)計(jì)過程，搭建了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供氣站整體工藝流程中各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。主界面如圖5，參數(shù)總覽界面如圖6。

圖5 監(jiān)控軟件系統(tǒng)主界面

最后通過工業(yè)以太網(wǎng)將PLC和WinCC進(jìn)行通信連接并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，包括通信連接狀態(tài)的調(diào)試及診斷，同時(shí)對(duì)數(shù)字信號(hào)的輸出、模擬信號(hào)的輸入/輸出進(jìn)行了信號(hào)調(diào)試。

4 結(jié) 語

根據(jù)工程需要，本設(shè)計(jì)方案對(duì)丹東宗裕城小區(qū)LNG供氣站的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造，實(shí)踐表明本文提出的基于S7-300和WinCC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯關(guān)系清楚，運(yùn)行穩(wěn)定性好，上下位機(jī)通信迅速，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)供氣站各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控及對(duì)各執(zhí)行器的有效控制。提高了其整體安全性，降低了成本，減輕了操作員的工作量。而且系統(tǒng)便于開展，在后續(xù)工作中，根據(jù)需要可擴(kuò)展LNG供氣站與終端用戶的雙向信息交流功能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)用戶用氣的計(jì)量、網(wǎng)絡(luò)繳費(fèi)功能，更好地提高小區(qū)LNG供氣站的管理智能化。

[1] 李強(qiáng).LNG氣化站監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].成都:西南石油大學(xué),2014.

[2] 蔡金萍.基于MCGS的船LNG燃料安防控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014,7(27):23-24.

[3] 楊大志.基于S7-200 PLC的LNG氣化站控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012,6(39):731-734.

[4] 楊沫.基于西門子自動(dòng)化技術(shù)的蒸汽鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連:大連交通大學(xué),2013.

[5] 張志.LNG氣化儲(chǔ)配站自控系統(tǒng)[D].南昌:南昌大學(xué)，2012.

[6] 胡健.西門子S7-300PLC應(yīng)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

(責(zé)任編輯 鄒永紅)

Design of Community LNG Gasification Station Control System Based On S7-300

DAI Si-yang, ZHANG Jin-rui, WANG Wen-xiu, TANG Ming-xin

(School of Electric and Information, Dalian Jiaotong University, Dalian Liaoning 116028, China)

Based on PLC of S7-300 series, a city community’s LNG gasification station control system is designed. CPU314 programmable logic controller is used as the system’s key part, which is programmed based on STEP7 software. WinCC configuration software is used to complete man-machine interface. This control system of community’s LNG gasification station achieved station’s intelligent management and supervision. The process of gasification station can be operated stably. Meanwhile, the system’s reliability can be enhanced, and the cost of installation can be reduced.

community’s LNG gasification station; S7-300; STEP 7; WinCC; design of control system

2016-10-12；最后

2016-11-27

代思洋(1991-)，女，遼寧錦州人，大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院碩士研究生，主要從事工業(yè)綜合自動(dòng)化與先進(jìn)控制技術(shù)研究。

唐明新(1961-)，男，遼寧大連人，教授，主要從事工業(yè)綜合自動(dòng)化與先進(jìn)控制技術(shù)研究，E-mai:tangmingxin@djtu.edu.cn。

2096-1383(2017)01-0044-04

TP

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