天然气场站控制系统在长输管道的应用

高京卫 李晓莉

（陕西省天然气股份有限公司 陕西省西安市 710016）

天然气场站控制系统在长输管道的应用

高京卫 李晓莉

（陕西省天然气股份有限公司 陕西省西安市 710016）

天然气长输管线是天然气输送的主要途径，天然气场站是管道输送中的关键节点，天然气场站的安全运行是天然气输送的最基本条件，如何运行安全成为重中之重，控制系统为长输管线运行的中枢尤为重要，结合近年具体施工浅谈控制系统在长输管线的应用。PLC系统在实际工作中编程、控制，以保证生产运行安全。

长输管线；SCADA；PLC；程序控制

1 引言

近些年长输管线建设迅猛增长，随着西气东输、漠大管线、中缅管线等长输管线相续投产，对我们的生活、生产影响巨大，长输管线在国家战略、经济上的重要性不言而喻。这样作为长输管线本身的运行安全成为重中之重，控制系统为长输管线运行的中枢尤为重要，结合近年具体施工浅谈控制系统在长输管线的应用。

长输管线控制系统一般为SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA是以工业计算机为基础的自动化监控与PLC系统，广泛应用于冶金、石油、电力、燃气、铁路以及化工等领域的过程控制和数据采集与监视控制。PLC站控系统作为SCADA系统的重要一环，在天然气长输管道的安全运营中发挥着极其重要的监控管理作用。是场站工艺数据采集、控制和传输，保证全线正常运行不可缺少的组成部分。

2 工程实例

位于宁夏自治区、四川省、贵州省境内的中贵（宁夏中卫-贵州贵阳）管线天然气长距离输气管线全线长约一千公里，沿途共有二十座分输站或加压站。使用美国Rockwell公司生产的PLC系统构成的分输站或加压站的站控系统，与位于北京的中国石油中心调度室通过卫星通讯方式组成的SCADA系统，监视、控制着全线各分输站或加压站的工艺过程，维护着全线生产的正常运行。

中贵（宁夏中卫-贵州贵阳）天然气长距离输气管线上的二十座分输站或加压站站控系统，依据其首站、分输站、末站及加压站的工艺要求分为三种方式，三种方式的系统构成如下：

首站、末站方式：由于首、末站在天然气长距离管线输气中承担着与天然气供气“上游”、用气“下游”进行输配和贸易交接的任务，为保证生产的安全、正常和稳定，其站控系统采用了控制器冗余方式，以确保系统控制不间断。

在系统中控制器CPU、电源、通讯均采用1：1的额热备冗余，无论是CPU模块还是电源模块其中的任意一个发生了故障，将使用另一个无扰动方式的模块来进行接替工作。

在系统中还设立终端显示单元，向操作人员提供工艺过程和工艺数据显示，如软手动、自动控制、工艺设备手动等操作界面。还可以根据需要，通过终端显示单元中的打印机打印报警记录和工作报表。

站控系统主要通过卫星通讯装置或有线电话将本站地工艺设备、工艺参数等工作状况实时地传输给调度中心，同时接受调度中心的控制指令。

分输站方式：长达一千公里的中贵（宁夏中卫-贵州贵阳）天然气长距离输气管线共有输气站十二座，担负着向沿途各用气城市或单位输配气的作用。

加压站方式：为提高天然气输送压力，保证高峰期下游用户用气量的供给，中贵（宁夏中卫-贵州贵阳）天然气长距离输气管线沿线设有三座天然气加压站。其站控系统配置如下：

依据工艺相关要求，每座加压站设置3～5台压缩机组，每台使用一套PLC站对压缩机组进行控制与监视。然后将所有工艺监控PLC站以及PLC站连接起来组成控制局域网。并且还有使用两台工业计算机实现对加压站的工艺过程进行控制和监视，与此同时，通过有线电话或者卫星通讯装置以及工艺监控PLC站地冗余控制器来完成与控制调度中心的通讯。

另外，工艺人员可通过网络打印机打印工作报表和报警记录。

3 网络与接口

3.1 主要通讯网络介绍

ControlNet网络是新一代自动化控制网络，是一种可以在PLC之间，PLC与MMI操作站及I/O子系统间实现可冗余的、高速的通讯方式，而且满足国际工业现场总线的相关标准。它最大能支持99个节点，最长的网络传输距离达20KM（光纤通讯），它可以连接星型、树型、总线型以及混合型等各种网络拓扑结构。通过ControlNet可以实现关键性数据在单一网络上完成传送、处理器互锁、I/O更新以及对等通讯等功能。Producer／Consumer通讯模式可以使不同的处理器之间．进行信号交换．I/O数据可以同时被多个设备共享。

3.2 场站与调度中心的通讯接口

ControlLogix控制器与调度中心的通讯接口。

ControlLogix系列的控制系统为与北京调度控制中心通讯提供了以太网通讯接口，通过通讯卫星，可以直接对控制器的寄存器读取或写入数据，包括整数，浮点数与布尔型数据。实现站控系统数据的远程采集与控制。

3.3 ControlLogix控制器与SLC控制器的通讯接口

ControlLogix与SLC进行数据通讯通过模块DH+RIO上的DH+接口。

3.4 站控系统与其他设备的通讯接口

ControlLogix控制器与他设备的通讯接口

首站的气体组分分析仪采用的是Modbus通讯协议。ControlLogix PLC可以通过MVI56-MCM支持标准的ModbusMaster/Slave通讯协议，但分析仪采用的是非标准Modbus，所以选用了1756-MVID，此模块支持用户使用‘C’语言开发的通讯接口程序，1756-MVID提供2个RS-232/RS-485接口，依照分析仪的数据通讯协议编写‘C’语言，下载到1756-MVID，通过RS-232接口采集气体组分分析仪的数据。

4 核心设备的控制

4.1 针对天然气中的压缩机控制方法

（1）压力联锁控制

压力联锁就是指：使用PLC对所有相关压力测量点进行检测，一旦压力出现异常，就发出报警信号，告知操作人员处理。而当压力值超过临界值，压力联锁程序就会立马动作，关闭压缩机，并将其开关阀设置到安全位置。

气体浓度的联控制指：在压缩机四周设置检测点，采集气体的浓度信号。一旦发现气体浓度大于爆炸下限50%LEL时，立即发出紧急指令，控制关闭压缩机组，而一旦有停机反馈信号时PLC就关闭此机组地燃料气阀，接着PLC就会根据反馈信号来关闭机组排气总阀和进气总阀。

（2）顺序控制

压缩机组顺序控制有两种方式，就是就地控制和远程控制。当置为远程时，通过压缩机组上位机控制画面上来启动停机、卸载或者紧急停机等动作。而一旦PLC发出停机、卸载或者紧急停机的指令时，现场所有地压缩机组都同时执行这一相同动作。

4.2 计量支路PID流量的调节和控制

计量支路流量控制是天然气输管线中最常用的方法，其原理是依据上游的供气压力、下游的用气量以及中心调度员地控制而调整，因此这就需要对大中小等各个不同地流量段产生了不一样地控制要求。而我们常用地PID调节方法无法达到对不同特性进行有效控制地要求，经过实际研究我们自己编写流量控制程序，实现了分段进行PID调节。经过实践检验效果理想。

5 应用程序的编制与功能

加压站PLC程序框图：

（1）主程序（MainRoutine）。

（2）阀门控制子程序（ValveControl）。

（3）流量控制子程序（Flow）。

（4）报警子程序（Alarm）。

（5）连锁子程序（InterLock）。

当发生压力连锁、可燃气体连锁和火焰报警连锁时，向压缩机发送停机信号。

（6）数据上传子程序（UpLoad）。

将阀门状态转换为控制中心所需格式，以两位表示阀门的三个状态：01-全开；10-全关；11-运行。上传的数据主要含有阀门状态，中心控制状态，压力、现场温度、差压数值，气体组份，管线流量及累计，孔板参数，可燃气体浓度，差压以及压力地报警限和量程等。

（7）数据下载子程序（DownData）。

下载的数据主要含有阀门开关操作，气体组份，孔板参数，差压以及压力地报警限和量程等。

（8）SLC通讯子程序（SLC_Comm）。

（9）AFC子程序（AFC）。

AFC模块组态程序，根据AGA3标准计算气体瞬时流量。

（10）时间同步子程序。

通过定期向超声波流量计发送时间同步信号实现时间同步功能已达到流量计量结算时间上的一致性。

各个站的计算机连接调度中心的时间服务器，每个场站的PLC与但地的操作站做时间同步。

6 PLC系统调试

系统调试分以下几个阶段：

控制机柜、操作台安装就位；现场仪表与控制室的电缆接线及校验完毕。

（1）检查系统供电品质是否满足PLC供电要求。

（2）检查系统接地是否满足要求。

（3）检查控制温湿度等环境是否满足PLC工作要求。

（4）PLC系统上电。

（5）逐个通道做做回路测试，AI、AO、DI、DO 逐点测试。

（6）联锁回路模拟测试。

（7）与第三方设备通讯测试。

（8）操作员画面的流程图校对，各个数据校对。

（9）系统报警测试。

（10）历史数据测试检验。

（11）与现场设备的联动测试。

（12）联锁回路带设备测试。

（13）孔板流量计计量精度的检验（通过加以模拟工况的现场参数，检验PLC的计算精度是否满足要求）。

（14）与调度中心的数据上传联调。

7 结束语

中贵（宁夏中卫-贵州贵阳）天然气SCADA系统采用多种控制设备（仪表、阀门、PLC、监控计算机等）。多种通讯方式（卫星通讯，电话线通讯、以太网通讯、PLCControlNET通讯、串口MODBUS通讯等）。整个系统的建设、调试与维护需要多方面的技能，需要技术人员的不断学习与钻研。天然气属于易燃易爆气体，关系到广大人民群众的生活与安全。这就要求我们在工作中终于职守，钻研技术细心观察，及时发现问题解决问题，认真研究问题所在，防患于未然。

[1]1756 ControlLogix，1769 CompactLogix，1789SoftLogix，1794 FlexLogix，PowerFlex 700Swith DriveLogix《系统参考手册》2005 Rockwell Automation Inc.

[2]邓李，编著.《CONTROLLOGIX系统实用手册》.北京：机械工业出版社，2008，1.

[3]钱晓龙，赵强，李成铁，编著.ControlLogix系统组态与编程：现代控制工程设计.北京：机械工业出版社，2013，06.

TE991.8

A

1004-7344（2016）13-0309-02

2016-4-15