基于PLC的燃?xì)鈭?chǎng)站自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾維康

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州510000）

燃?xì)鈭?chǎng)站，是指使用氣源性質(zhì)為天然氣的易燃易爆場(chǎng)所，一般為管網(wǎng)源頭或者是有天然氣儲(chǔ)存的地點(diǎn)，可大致分類為L(zhǎng)NG 儲(chǔ)配站、天然氣門站、調(diào)壓站、CNG 加氣站等。站控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)和工業(yè)控制技術(shù)為核心的控制系統(tǒng)，由它完成對(duì)場(chǎng)站的監(jiān)控。它由站控中心、站控系統(tǒng)PLC 控制站、站控設(shè)備等組成。站控中心的操作人員通過系統(tǒng)所提供的壓力、溫度、流量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，完成對(duì)所有場(chǎng)站設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控和管理。本文章將講述基于PLC 的燃?xì)鈭?chǎng)站自控系統(tǒng)建設(shè)的具體應(yīng)用，與實(shí)際狀況相結(jié)合,采取有效的自動(dòng)化管理的手段,實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站自控系統(tǒng)的科學(xué)運(yùn)營(yíng)。

1 應(yīng)用范圍

適用于使用西門子S7-300、西門子S7-1200、等PLC 設(shè)備與力控、INTOUCH、IFIX、KINGVIEW、MCGS 等上位機(jī)組態(tài)軟件組成的燃?xì)鈭?chǎng)站控制系統(tǒng)的調(diào)試和配置。系統(tǒng)軟件為windows平臺(tái)，本文的舉例是以西門子PLC300 為核心的場(chǎng)站控制系統(tǒng)。場(chǎng)站自控系統(tǒng)是整個(gè)燃?xì)鈭?chǎng)站安全運(yùn)行的必要操作監(jiān)控手段，因此，場(chǎng)站控制系統(tǒng)軟件必須穩(wěn)定可靠，而且要有較強(qiáng)的通用性，便于第三方設(shè)備的通訊讀取。

2 自控系統(tǒng)詳細(xì)功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

場(chǎng)站控制系統(tǒng)硬件組成主要由場(chǎng)站工控機(jī)（即站控電腦）、PLC 控制柜、通訊數(shù)據(jù)接口等組成，必要時(shí)加入U(xiǎn)PS 不間斷電源作為供電保障?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備流程主要為：PLC 控制柜通過配套AI、DI、AO、DO、485 通訊模塊等硬件連線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊，把現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)源通過PLC 控制柜轉(zhuǎn)換成能與上位機(jī)通訊的協(xié)議，利用場(chǎng)站實(shí)際要求開發(fā)的站控工程控制系統(tǒng)經(jīng)過局域網(wǎng)與PLC控制柜進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相關(guān)參數(shù)經(jīng)過程序換算處理后直觀地展示給用戶。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PLC 控制柜主要由CPU 模塊、冗余電源、遠(yuǎn)程I/O 模塊、通信模塊、直流穩(wěn)壓電源等組成，IO 點(diǎn)數(shù)需滿足系統(tǒng)要求，并配置足夠的備用通道，便于以后擴(kuò)增設(shè)備。

2.2 PLC 程序編制流程

一般需要根據(jù)項(xiàng)目相關(guān)自控圖紙中所述邏輯要求，對(duì)PLC程序制定大概的框架，可以將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)燃?xì)鈭?chǎng)站整體程序功能塊劃分為：模擬量AI 轉(zhuǎn)換處理，AO 輸出處理，開關(guān)量DI 輸入與DO 輸出聯(lián)鎖處理，外部485 通訊發(fā)送與接收處理，聲光報(bào)警聯(lián)鎖輸出，閥門連鎖控制，協(xié)議轉(zhuǎn)換處理，以及西門子PLC 程序自帶的主功能循環(huán)區(qū)，上電初次調(diào)用區(qū)，數(shù)據(jù)存放區(qū)等。如圖2所示。

圖2 S7-300 程序塊中各項(xiàng)目功能分類編程

2.2.1 模擬量AI 模塊轉(zhuǎn)換

燃?xì)鈭?chǎng)站中工藝區(qū)相關(guān)模擬量參數(shù)一般為測(cè)量管道壓力、溫度、儲(chǔ)罐液位、差壓及燃?xì)庑孤短筋^的變送器，此類儀表多為二線制或三線制接線方式，主要傳輸4-20mA 電流型數(shù)據(jù)。以s7-300 程序架構(gòu)為例，為實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)儀表原始數(shù)據(jù)正常采集至PLC 中，需考慮其硬件組態(tài)中AI 模塊輸入信號(hào)的類型及量程范圍。此時(shí)需注意如果選擇0-20mA 需在編程中將4mA 對(duì)應(yīng)裸數(shù)據(jù)做初始值過濾。在設(shè)計(jì)程序時(shí)可根據(jù)需要增加對(duì)數(shù)據(jù)在報(bào)警限值波動(dòng)頻繁觸發(fā)報(bào)警的死區(qū)濾波功能。

2.2.2 RS-485 通訊處理

燃?xì)鈭?chǎng)站內(nèi)涉及RS-485 通訊的設(shè)備較為固定，所有工藝區(qū)必須有對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行計(jì)量的流量計(jì)裝備，市面上的流量計(jì)已基本支持485 通訊，部分可燃?xì)怏w泄露探頭可同時(shí)支持模擬量與485 通訊方式，另有燃?xì)饧铀幙刂破?，加氣站壓縮機(jī)組，燃?xì)饨M份分析小屋等設(shè)備的485 通信。485 通信編程處理通常為燃?xì)鈭?chǎng)站PLC 程序中的主要部分，因部分流量計(jì)為自定義通訊協(xié)議，為制定兼容性較強(qiáng)的程序框架，本文所提項(xiàng)目中采用S7-300PLC 自由口通信編程方式（利用FB2 及FB3 功能塊），不使用西門子原有modbus 程序擴(kuò)展包。需要注意的是自由口通信需要自定義通訊模塊的收發(fā)內(nèi)容、時(shí)間間隔、多次校驗(yàn)、故障自診斷恢復(fù)等子功能，以達(dá)到長(zhǎng)久運(yùn)行能夠穩(wěn)定采集的目的。以國(guó)產(chǎn)天信流量計(jì)為例，其默認(rèn)1.3 協(xié)議為自定義協(xié)議，需要在程序中根據(jù)其協(xié)議規(guī)定下發(fā)數(shù)據(jù)幀，判斷返回幀長(zhǎng)、校驗(yàn)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解包，輸出存放至已規(guī)劃好的地址區(qū)，建議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為某一種數(shù)據(jù)類型，如浮點(diǎn)數(shù)（高位在前），方便上位機(jī)組態(tài)讀取。同一塊通訊模塊可通過編程對(duì)發(fā)送間隔排序，發(fā)送給不同通訊地址的設(shè)備亦或是同種串口通訊協(xié)議（波特率、校驗(yàn)等）的不同設(shè)備，以節(jié)省硬件成本，但需要兼顧到由此出現(xiàn)的循環(huán)采集數(shù)據(jù)時(shí)間周期延長(zhǎng)。根據(jù)對(duì)用戶實(shí)際運(yùn)營(yíng)體驗(yàn)的回訪，一般燃?xì)鈭?chǎng)站對(duì)瞬時(shí)流量值的更新時(shí)間需在10 秒內(nèi)，過長(zhǎng)時(shí)將造成高峰用氣調(diào)峰期無法及時(shí)調(diào)控流量。

2.2.3 聯(lián)鎖控制

圖3

燃?xì)鈭?chǎng)站自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)聯(lián)鎖控制不可或缺，其主要應(yīng)用于場(chǎng)站內(nèi)突發(fā)緊急事故，或設(shè)備故障、工作疏忽導(dǎo)致安全參數(shù)超限后自動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，以及保證設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的合理控制邏輯。燃?xì)鈭?chǎng)站輸氣管道必須要有各類閥門以切換管路，起到調(diào)流、維修保養(yǎng)、緊急停氣的作用，其中手動(dòng)閥門無法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，帶電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥門，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)，控制開關(guān)停動(dòng)作，以及ESD 緊急操作。在程序編寫時(shí)，需考慮到各動(dòng)作之間的優(yōu)先級(jí)以及聯(lián)鎖限制，如執(zhí)行控關(guān)動(dòng)作時(shí)，需檢測(cè)急停、故障信號(hào)未激活，遠(yuǎn)程信號(hào)已激活，同步取消控開和控停命令，繼電器輸出脈沖或保持，并于收到關(guān)到位信號(hào)后停止動(dòng)作，此外建議加入動(dòng)作超時(shí)判斷，防止當(dāng)電動(dòng)閥設(shè)備卡死停轉(zhuǎn)時(shí)輸出繼電器仍然保持觸發(fā)的情況，圖3 為電動(dòng)閥門控制編程思路。

當(dāng)燃?xì)鈭?chǎng)站突發(fā)狀況時(shí)，建議將站內(nèi)各項(xiàng)危險(xiǎn)觸發(fā)信號(hào)（燃?xì)庑孤?，壓力、溫度過高/過低）與安全設(shè)備（聲光報(bào)警器，鼓風(fēng)機(jī)，電動(dòng)閥）聯(lián)動(dòng)起來，實(shí)現(xiàn)在危急時(shí)刻各項(xiàng)設(shè)備能自動(dòng)采取應(yīng)急響應(yīng)流程，可極大地降低事故風(fēng)險(xiǎn)，較人工操作而言，安全性、效率能顯著提升。自控設(shè)備在執(zhí)行完應(yīng)急動(dòng)作后，為保證安全防止出現(xiàn)二次災(zāi)害，建議在程序中加入手動(dòng)確認(rèn)后才可復(fù)位的限制，并將對(duì)應(yīng)操作信號(hào)輸出至上位機(jī)采集保存以備查看。另外，可提供給現(xiàn)場(chǎng)工作人員選擇自動(dòng)聯(lián)鎖或手動(dòng)操作的選項(xiàng)，在程序中設(shè)定兩個(gè)不同的輸入變量，上位機(jī)做對(duì)應(yīng)不同按鈕選項(xiàng)，可為場(chǎng)站正常設(shè)備送檢、測(cè)試時(shí)提供便利。

2.2.4 編制點(diǎn)表及調(diào)試

PLC 程序功能搭建時(shí)即可同步編制項(xiàng)目數(shù)據(jù)點(diǎn)表，根據(jù)自編點(diǎn)表定義數(shù)據(jù)存放地址來定義PLC 程序各數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地址，最終實(shí)現(xiàn)功能與點(diǎn)表統(tǒng)一歸檔。數(shù)據(jù)點(diǎn)表極為重要，可為后續(xù)上位機(jī)組態(tài)軟件建點(diǎn)作唯一參照依據(jù)，并留存檔以便后期工程項(xiàng)目查閱，發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)故障可通過點(diǎn)表信息迅速定位程序索引位置來準(zhǔn)確處理。比較完善的參數(shù)點(diǎn)表格大致包括參數(shù)名稱、數(shù)據(jù)類型、模擬量量程范圍、硬件通道號(hào)、PLC 絕對(duì)地址、上位機(jī)站控地址、可選支持modbus地址、接線線標(biāo)號(hào)、報(bào)警上下限等。

程序及點(diǎn)表編制完成，即可根據(jù)點(diǎn)表定義進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，每路IO 通道需準(zhǔn)確定位現(xiàn)場(chǎng)新增設(shè)備接線順序與位置，接線完成后對(duì)整個(gè)PLC 控制柜進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，并測(cè)試閥門連鎖控制、第三方設(shè)備協(xié)議通訊、機(jī)柜按鈕與提示燈的觸發(fā)測(cè)試。

3 結(jié)論

燃?xì)鈭?chǎng)站控制系統(tǒng)，由于管理的設(shè)備較分散，時(shí)效性較高，因此數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的準(zhǔn)確性要求高，在設(shè)計(jì)PLC 程序時(shí)，應(yīng)把控全面各項(xiàng)設(shè)備的邏輯連鎖關(guān)系，以減少人為干預(yù)的潛在不確定性，使系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)自動(dòng)觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，由于燃?xì)庑袠I(yè)的高專業(yè)性與危險(xiǎn)性，此類聯(lián)鎖功能在場(chǎng)站內(nèi)尤為重要，應(yīng)著重調(diào)試此類功能。在設(shè)計(jì)上位機(jī)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量考慮操作人員的文化水平、年齡、對(duì)計(jì)算機(jī)的操作習(xí)慣，使其更好地理解場(chǎng)站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理與初衷。只有操作人員與場(chǎng)站自控系統(tǒng)的友好交互，才能發(fā)揮出場(chǎng)站自控系統(tǒng)作為輔助使用人管理場(chǎng)站的作用。