LNG气化站站控系统的设计与实现

鲍 芳，李 军（广东工业大学自动化学院，广东 广州510006）

胡 荣（中石化河南油田分公司技术处，河南 南阳473132）

LNG气化站站控系统的设计与实现

鲍 芳，李 军（广东工业大学自动化学院，广东 广州510006）

胡 荣（中石化河南油田分公司技术处，河南 南阳473132）

以某LNG气化站站控系统改造为背景，通过对天然气管网SCADA系统的研究，研制了一套具有模块化及可扩展性的LNG气化站站控系统。该系统采用自主研发的嵌入式控制器作为过程控制层的核心器件，管理层监控软件采用VB6.0作为开发工具，同时在控制系统中增加了硬件、软件等方面的抗干扰措施，具有性能稳定可靠及低成本的特点。

LNG气化站；站控系统；嵌入式控制器；Modbus通信协议

LNG（液化天然气）作为清洁能源对优化城市能源结构、促进工业生产、改善城市生态环境和投资环境有重要意义。近年来我国各地投资建设LNG项目的发展势头迅猛，诸多天然气企业都采用SCADA（Supervisor Control And Data Acquisition）进行远程数据采集、现场监测和自动化管理［1～4］。国内大型LNG接收站基本上全套采用国外设备与技术，例如广东大鹏LNG管道项目采用SCADA系统进行远程数据采集和监控，线路阀室实行调度中心远控模式，工艺站场可实现调度中心远控、站控和就地手动控制三级控制模式，其输气干线工程SCADA系统采用HONEYWELL公司的PKS系统，站控SCS系统及线路截断阀室RTU系统则采用BB公司的混合控制器Control Wave和Control Wave Micro［1］。这些设备可靠性高，但存在着价格较高、无自主知识产权等缺点，直接导致了整个系统的建设和运营成本提升。对于中小型气化站，如果能采用自主研发的站控系统，则在灵活性上将有所改进，并可大大降低气化站的建设及运营成本。笔者以某LNG气化站站控系统改造为背景，通过对天然气管网SCADA系统的研究，研制了一套具有模块化及可扩展性的气化站站控系统。

1 天然气管网SCADA系统网络架构

大型天然气管网SCADA系统主要包括DCS、SIS、FGS、现场仪表、智能设备管理系统、信息集成系统等［2］。基于 “现场控制－生产操作管理－系统集成－远程访问和维护”的逻辑层次，采用网络分层设计方案，从上至下可将其分为3层网络结构：①信息管理层（信息中心）。该层为综合信息集成平台，可带有站场信息管理、远程生产过程监控、生产计划优化、生产调度优化、操作管理、生产分析、储运管理以及生产信息综合展示平台等功能模块。②生产操作层。该层作为统一的生产操作和监控平台，其主要功能是完成管网设备的监控、操作、数据记录、报警处理、打印、系统管理和维护等，同时提供硬手操功能。根据信息共享及底层数据统一管理要求，生产操作层将主要生产信息通讯到底层控制子系统，汇集来自底层各功能子系统的数据并上传至信息管理层进行信息集成应用。③现场控制层。大型天然气管网的现场控制层主要包括主控制系统（DCS）及安全仪表系统（SIS）、压缩机组控制系统（CCS）、火气监控系统（FGS）、振动检测系统（VMS）、视频监控系统（CCTV）等各控制功能子系统。其中DCS控制系统是现场控制层的核心系统，除完成站场自动化的基础操作和生产控制外，同时作为现场控制层的主控制系统连接其他各功能子系统，实现现场的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能。

2 LNG气化站站控系统设计

2.1 站控系统架构

通过对天然气管网SCADA系统网络架构的研究，结合某LNG气化站的工艺流程及实际需求，设计将SIS、FGS等子系统融入DCS主控制系统。

按其结构从下至上可分为3层：①现场设备层。该层包括气化站工艺流程中的各控制电磁阀、温度传感器和压力/压差传感器、流量传感器等；同时在工艺设备特别是LNG储罐附近设置可燃气体浓度检测报警器，在生产区设置火焰探测器、火灾报警器以及用来检测LNG是否泄漏的过冷检测器等，各路检测信号均送入DCS系统与设定报警值比较，便于单元设备停机或全站联锁停车。②过程控制层。该层为位于站内控制室的嵌入式控制器，现场信号以标准4～20mA模拟信号及数字I/O连接至嵌入式控制器，实现对数据的实时采集和设备的检测控制。③管理层。该层作为气化站内部综合信息处理及站级集中监控部分，包括站级信息管理处理器（数据库服务器及Web服务器）、监控计算机、打印机、生产调度作业软件和站级管理软件等。

监控计算机作为站场监控主机，通过Modbus-RTU协议与过程控制层的嵌入式控制器进行数据交换；管理层通过监控计算机实现对嵌入式控制器的数据采集，并将其保存在数据库服务器中；Web浏览服务功能由Web服务器及数据库服务器来实现，可达到上级主管部门上网浏览相关数据信息的目的。为了提高监控系统的可靠性，监控计算机可采用2台工控机组成双机热备冗余系统。

2.2 嵌入式控制器

嵌入式控制器主要用于接入现场传感器或仪表的信号，实现对数据的实时采集和设备的检测控制，并将实时采集的数据上传到监控计算机。嵌入式控制器的可靠性是整个控制系统稳定运行的基础，其软、硬件的设计充分考虑了稳定性、可靠性及实时性，采取了诸如主模块与从模块自定义通信协议、EMC抗干扰设计及程序运行失常时的自恢复等措施。嵌入式控制器的硬件主要由主控制模块（核心为Freescale的16位微控制器9S12DG128）、从控制模块（核心为Atmel的8位单片机ATmega32）、A/D转换电路、显示电路，模拟量输入模块、开关量输入输出模块等组成。从控制模块的主要任务是采集数据并将其变换为统一格式后打包发送至主模块，由主模块处理后通过自定义的RS-232串行通信传送至监控计算机显示，或者根据主模块的操作命令调用相应的处理算法模块进行数据处理并实施控制，以及将主模块发来的数据包解码至输出控制。

2.3 嵌入式控制器与监控计算机的通讯

监控计算机与嵌入式控制器间的通信采用Modbus-RTU传输协议。在VB编程环境下，监控计算机的Modbus通讯通过MSComm控件来完成，该控件将通信的大部分底层操作封装在控件内部，应用程序只需要获取和设置相应的控件属性，从而简化了编程工作［5］。

根据要求，嵌入式控制器应每间隔一段时间向监控计算机发送数据，然后以中断方式接收监控计算机应答数据，当嵌入式控制器发送完数据后，允许接收中断并同时启动定时器延时一段时间，以便接收监控计算机的应答数据，并进行CRC校验。如果在规定的时间里监控计算机没有应答，嵌入式控制器重发命令帧，若3次呼叫无应答时给出报警提示。嵌入式控制器向监控计算机发送数据和接收监控计算机数据均由Modbus通讯流程控制。

监控计算机采用中断方式接收嵌入式控制器传送过来的数据。程序运行后首先对串口初始化，包括串口的选择、波特率的设置以及校验方式等。初始化完成后，若接收缓冲区有数据到达，则MSComm1＿OnComm产生中断，接收数据并处理，直到中断结束，取出完整的通讯数据帧。在数据处理的过程中，首先判断CRC校验是否正确，并对功能码等数据进行判定。如果不正确，监控计算机则作出出错应答，嵌入式控制器在得到从机的出错应答后会自动重发。一般情况下，功能码可包括对数字量的读取和设置、模拟量读取和设置等4类。

监控计算机在通讯时有可能由于自身原因无法响应嵌入式控制器的命令，也需要作出出错应答，完整的出错应答是Modbus通讯的优点。嵌入式控制器在得到不同的出错应答后，可以采取相应的措施，保证可靠的通讯。

2.4 嵌入式控制器与气体涡轮流量计的通讯

实现高准确度的天然气量自动计量在天然气气化输配过程中至关重要。项目改造前气站的天然气计量采用标准孔板节流装置配双波纹差压计的模式，这种计算方法不但计量误差大，而且故障频繁，管理难度大。该系统选用了上海罗托克有限公司的气体涡轮流量计，可动态检测介质的温度与压力，进行自动补偿和压缩因子修正，直接显示气体的标准瞬时体积流量和标准体积总量，并提供RS485通讯接口。多台气体涡轮流量计通过RS485接口串接，与嵌入式控制器进行基于Modbus-RTU规约的数据通讯，嵌入式控制器以轮询方式采集现场工艺数据并上传到监控计算机。嵌入式控制器与气体涡轮流量计的通讯采用一主多从的一对多通信连接方式，其中嵌入式控制器作为主机，各流量计作为从机。为了实现多机无冲突可靠通信，通信协议的设置格外重要。每台流量计从机必须有唯一的地址，通过流量计面板的菜单模式进行地址设置。嵌入式控制器通过对指定寄存器的读取获得流量、压力、温度等信息。

2.5 管理层系统监控软件

站控系统监控软件的设计采用Visual Basic作为开发工具。根据站控系统的功能要求，系统监控软件包括实时工艺流程显示、报警、数据查询、参数设置及用户管理等模块。可以在主界面中通过相应的按钮切换到各子模块页面，其中工艺流程界面作为技术人员监视现场的主要通道，是监控软件的核心。基于VB控件开发的工艺流程图界面包括站内各主要节点压力计、温度计、流量计和电动球阀图形符号等，其状态和数据均在各自组态图形上显示。电动球阀的开和关到位状态用绿色和红色直观显示。在工艺流程中，绿色表示阀门处于打开状态，红色表示故障或关闭状态，并在阀门故障时产生报警，以提醒值班人员，并根据报警情况进行相应的处理。有报警产生时，流程图界面的顶端会出现报警显示条目。

3 结 语

研制的具有模块化及可扩展性的气化站站控系统，采用自主研发的嵌入式控制器作为过程控制层的核心器件，选用VB提供的数据通讯和处理功能实现数据采集、处理及控制，并利用VB6.0开发了管理层监控软件，同时在控制系统中增加了包括硬件、软件方面的各种抗干扰措施。该站控系统具有性能稳定可靠及低成本的特点，目前已在某实际现场正常稳定运行。

［1］柳锡淼.天然气长输管网SCADA系统的应用及优化 ［J］.石油工程建设，2011，37（1）：31～33.

［2］王洁.面向大型LNG装置的仪控系统设计与应用 ［J］.仪器仪表标准化与计量，2011，（1）：38～39，45.

［3］胡炯华.LNG气化站设计 ［J］.有色冶金设计与研究，2007，28（5）：1～3.

［4］顾安忠，石玉美，汪荣顺.中国液化天然气的发展 ［J］.石油化工技术经济，2004，19（1）：1～7.

［5］Modbus-IDA.Modbus Application Protocol Specification V1.1b ［EB/OL］.http：//www.modbus-ida.org，2006.

Design and Implementation of Control System of Liquified Natural Gas（LNG）Station

BAO Fang，LI Jun，HU Rong（First Author's Address：Faculty of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，Guangdong，China）

Based the control system of liquefied natural gas（LNG）station and by studying the natural gas networks SCADA，a LNG control system with the property of modulus and expansion was developed.In the system，a self-developed embedded controller was used as core element for process control，software VB6.0was used as tool in the software of management level and anti-interference measures were added in the control system hardware and software.It has the property of reliability and low cost.

LNG station；control system；embedded controller；Modbus communication protocol

TE978

A

1000-9752（2012）04-0158-03

2012-03-12

鲍芳（1967-），女，1984年大学毕业，博士，副教授，现主要从事网络化测控技术方面的研究工作。

［编辑］ 苏开科