基于PLC的天然气门站自动控制系统设计

2019-01-13常健

魅力中国 2019年1期

常健

（天津新科成套仪表有限公司，天津 300385）

一、引言

随着石油、煤等不可再生资源的日益枯竭，天然气在工业生产和社会生活中的地位愈发重要，对于优化资源配置、改善生态环境方面都有着重要意义。天然气门站是天然气远距离输送管线的终点配气站，是城镇燃气系统的气源点，其主要功能是先对经过长距离输送来的天然气进行过滤、计量和加臭后，再通过城镇燃气输配管线输送到千家万户。由于天然气门站的应用环境复杂、危险系数大，因此，如何确保天然气门站安全、可靠的运营[1]，同时对进出站的天然气进行准确计量，已经成为当前天然气输配领域的一个值得研究的热点问题，受到了越来越多专家和学者的重视。

为了保证天然气门站安全、稳定的运营，需要对门站中的进出站流量、压力、温度等各项运行数据进行实时监测与控制。但是，目前多数天然气门站仍采用传统的人工控制方式，在控制精度和控制时效性方面都无法满足现代企业的管理要求。因此，迫切需要开发一种自动控制系统，对门站的各项运行数据进行有效控制，以保证天然气门站的安全性、稳定性运行，并满足对进出站天然气准确计量的要求。为此，提出一种基于PLC的天然气门站自动控制系统设计方法。

二、基于PLC的天然气门站自动控制系统的总体框架设计

从天然气田中开采出的天然气要经过加高压才能进行长距离输送。此外，天然气中会含有大量的杂质，包括水、油、重烃的液体杂质和泥沙、岩粒等固体杂质，因此，门站中的天然气在输送至城镇燃气管网之前要先经过降压和净化处理，此外，为了便于管道泄漏检测，还要对天然气进行加臭处理，经过上述几个步骤的处理后，天然气才能通过门站的出战管道输送到城镇燃气管网中。

根据上述天然气门站的工艺流程，设计基于PLC的天然气门站自动控制系统。系统采用上位机与下位机协作的控制方式[2]。其中上位机为工控计算机，下位机为PLC。将自动控制系统分为三层，即现场层、控制层和管理层。其中，现场层由三种装置构成：（1）温度传感器、压力传感器等传感器。（2）流量计量器、液位变送器等计量装置。（3）电动阀门、电动球阀等执行机构；控制层由PLC构成；管理层由上位机构成。

自动控制系统的具体工作流程为：门站中各个设备中的传感器将采集到的温度、压力等模拟量信号和电动阀门通断状态、电动球阀的开度等数字量信号传输至PLC，由PLC实现信号的逻辑运算和判断，然后信号再经过工业以太网传输至上位机的控制系统，根据实际需求，通过PLC的输出模块对电动阀门和电动球阀进行自动控制或者手动控制；当进行自动控制时，系统采用PID控制算法对阀门的开关、球阀的开关度进行自适应控制；当进行手动控制时，操作人员可通过上位机进行在线调控。

三、自动控制系统的硬件设计与软件设计

（一）自动控制系统的硬件设计方案

为了提高天然气门站自动控制系统的安全性、稳定性、准确性，对上位机与下位机均采用冗余配置。

1.上位机的设计方案。

上位机选用台湾研华科技公司生产的IPC610工控计算机，并进行了冗余配置。上位机安装了西门子组态软件WinCC7.0，操作系统为Windows 7 SP1专业版，同时安装了专业的软件如SQL Server2005、SIMATIC Manager STEP7（V5.5）、和Office 2007办公软件等。

上位机与下位机通过工业以太网进行通讯，为了保证通讯的稳定性，减轻CPU的负担，上位机配置了西门子CP1613通讯网卡。

2.下位机的硬件设计方案。

下位机选用西门子S7-300系列PLC，并进行了冗余配置。S7-300 PLC具有响应速度快、循环周期短、通信功能强、抗干扰能力强、抗震动能力强等特点，能够实现复杂的控制功能。可通过标准的RS232/485通讯接口与上位机进行通讯，并可通过Profibus-dp现场总线与其它PLC相连接，构成PLC网络；具有较强的功能扩展能力，支持多种CPU类型；采用模块化结构，易于安装和更换；单机最多支持4个机架，每个机架可带8个模块，每个模块可带32个点，因此单机最多支持1024个输入/输出点，可满足大部分自动控制领域的需要。

CPU：CPU是PLC的核心部分，其主要功能是进行逻辑运算与判断，其性能决定着PLC的总体性能。

存储器：用于储存系统程序、用户程序和系统运行过程中产生的程序。其中用户程序主要是对门站各设备中的传感器和电动阀门、球型阀门的监测与控制程序。

通讯接口模块：PLC通过该模块与上位机、或者其它PLC进行通讯，可构成分布式、网络化的自动控制系统。

I/O接口：PLC通过输入接口采集门站现场中各个设备的运行信号，并可将信号进行TTL电平信号的转化，便于PLC直接处理，并根据用户程序产生控制信号，经过输出接口将PLC内部信号转换为对外部门站设备中执行机构的控制信号。