基于PLC的天然氣門站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常健

（天津新科成套儀表有限公司，天津 300385）

一、引言

隨著石油、煤等不可再生資源的日益枯竭，天然氣在工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活中的地位愈發(fā)重要，對(duì)于優(yōu)化資源配置、改善生態(tài)環(huán)境方面都有著重要意義。天然氣門站是天然氣遠(yuǎn)距離輸送管線的終點(diǎn)配氣站，是城鎮(zhèn)燃?xì)庀到y(tǒng)的氣源點(diǎn)，其主要功能是先對(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸送來(lái)的天然氣進(jìn)行過(guò)濾、計(jì)量和加臭后，再通過(guò)城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔芫€輸送到千家萬(wàn)戶。由于天然氣門站的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)系數(shù)大，因此，如何確保天然氣門站安全、可靠的運(yùn)營(yíng)[1]，同時(shí)對(duì)進(jìn)出站的天然氣進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，已經(jīng)成為當(dāng)前天然氣輸配領(lǐng)域的一個(gè)值得研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，受到了越來(lái)越多專家和學(xué)者的重視。

為了保證天然氣門站安全、穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)門站中的進(jìn)出站流量、壓力、溫度等各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。但是，目前多數(shù)天然氣門站仍采用傳統(tǒng)的人工控制方式，在控制精度和控制時(shí)效性方面都無(wú)法滿足現(xiàn)代企業(yè)的管理要求。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)門站的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行有效控制，以保證天然氣門站的安全性、穩(wěn)定性運(yùn)行，并滿足對(duì)進(jìn)出站天然氣準(zhǔn)確計(jì)量的要求。為此，提出一種基于PLC的天然氣門站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

二、基于PLC的天然氣門站自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)

從天然氣田中開(kāi)采出的天然氣要經(jīng)過(guò)加高壓才能進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送。此外，天然氣中會(huì)含有大量的雜質(zhì)，包括水、油、重?zé)N的液體雜質(zhì)和泥沙、巖粒等固體雜質(zhì)，因此，門站中的天然氣在輸送至城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)之前要先經(jīng)過(guò)降壓和凈化處理，此外，為了便于管道泄漏檢測(cè)，還要對(duì)天然氣進(jìn)行加臭處理，經(jīng)過(guò)上述幾個(gè)步驟的處理后，天然氣才能通過(guò)門站的出戰(zhàn)管道輸送到城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)中。

根據(jù)上述天然氣門站的工藝流程，設(shè)計(jì)基于PLC的天然氣門站自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)作的控制方式[2]。其中上位機(jī)為工控計(jì)算機(jī)，下位機(jī)為PLC。將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三層，即現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層。其中，現(xiàn)場(chǎng)層由三種裝置構(gòu)成：（1）溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器。（2）流量計(jì)量器、液位變送器等計(jì)量裝置。（3）電動(dòng)閥門、電動(dòng)球閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；控制層由PLC構(gòu)成；管理層由上位機(jī)構(gòu)成。

自動(dòng)控制系統(tǒng)的具體工作流程為：門站中各個(gè)設(shè)備中的傳感器將采集到的溫度、壓力等模擬量信號(hào)和電動(dòng)閥門通斷狀態(tài)、電動(dòng)球閥的開(kāi)度等數(shù)字量信號(hào)傳輸至PLC，由PLC實(shí)現(xiàn)信號(hào)的邏輯運(yùn)算和判斷，然后信號(hào)再經(jīng)過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)的控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際需求，通過(guò)PLC的輸出模塊對(duì)電動(dòng)閥門和電動(dòng)球閥進(jìn)行自動(dòng)控制或者手動(dòng)控制；當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，系統(tǒng)采用PID控制算法對(duì)閥門的開(kāi)關(guān)、球閥的開(kāi)關(guān)度進(jìn)行自適應(yīng)控制；當(dāng)進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)，操作人員可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行在線調(diào)控。

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)

（一）自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

為了提高天然氣門站自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，對(duì)上位機(jī)與下位機(jī)均采用冗余配置。

1.上位機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

上位機(jī)選用臺(tái)灣研華科技公司生產(chǎn)的IPC610工控計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行了冗余配置。上位機(jī)安裝了西門子組態(tài)軟件WinCC7.0，操作系統(tǒng)為Windows 7 SP1專業(yè)版，同時(shí)安裝了專業(yè)的軟件如SQL Server2005、SIMATIC Manager STEP7（V5.5）、和Office 2007辦公軟件等。

上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，為了保證通訊的穩(wěn)定性，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，上位機(jī)配置了西門子CP1613通訊網(wǎng)卡。

2.下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)方案。

下位機(jī)選用西門子S7-300系列PLC，并進(jìn)行了冗余配置。S7-300 PLC具有響應(yīng)速度快、循環(huán)周期短、通信功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、抗震動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能。可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS232/485通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，并可通過(guò)Profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線與其它PLC相連接，構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)；具有較強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，支持多種CPU類型；采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于安裝和更換；單機(jī)最多支持4個(gè)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架可帶8個(gè)模塊，每個(gè)模塊可帶32個(gè)點(diǎn)，因此單機(jī)最多支持1024個(gè)輸入/輸出點(diǎn)，可滿足大部分自動(dòng)控制領(lǐng)域的需要。

CPU：CPU是PLC的核心部分，其主要功能是進(jìn)行邏輯運(yùn)算與判斷，其性能決定著PLC的總體性能。

存儲(chǔ)器：用于儲(chǔ)存系統(tǒng)程序、用戶程序和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的程序。其中用戶程序主要是對(duì)門站各設(shè)備中的傳感器和電動(dòng)閥門、球型閥門的監(jiān)測(cè)與控制程序。

通訊接口模塊：PLC通過(guò)該模塊與上位機(jī)、或者其它PLC進(jìn)行通訊，可構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

I/O接口：PLC通過(guò)輸入接口采集門站現(xiàn)場(chǎng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行信號(hào)，并可將信號(hào)進(jìn)行TTL電平信號(hào)的轉(zhuǎn)化，便于PLC直接處理，并根據(jù)用戶程序產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸出接口將PLC內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)外部門站設(shè)備中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)。

（二）自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含兩部分：第一，上位機(jī)的控制軟件采用組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其主要功能是監(jiān)測(cè)天然氣門站中運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改；第二，下位機(jī)的控制軟件即PLC控制程序，它使用STEP7 V-5.5編程，其主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷與自動(dòng)控制。

四、結(jié)語(yǔ)

天然氣門站是城鎮(zhèn)燃?xì)庀到y(tǒng)的氣源點(diǎn)，直接關(guān)系著千家萬(wàn)戶的日常生活，但天然氣門站監(jiān)控點(diǎn)繁多、控制復(fù)雜。而將PLC應(yīng)用到天然氣門站中的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)于提高天然氣門站供氣的安全性、穩(wěn)定性和計(jì)量的準(zhǔn)確性的方面都有著重要現(xiàn)實(shí)意義。