SPC 控制器在天然气生产现场的研发及应用

江元媛，王晨煜，李 正，蒲 伟

（重庆气矿 重庆 400000）

1 引言

在自动化控制技术迅速发展以及现代化生产需求不断提高的背景下，智能仪表取得了飞跃的发展和广泛的应用，在工业自动化领域，自动检测仪表是自动化控制系统的关键。目前天然气生产现场传统的自动化控制（如联锁报警）功能的实现，主要依赖仪表间PLC 或RTU 进行电源供电、信号连锁和系统控制，涉及到站场内需要敷设许多电缆沟，对早期电线及信号线的线路敷设设计要求极高。除了存在电缆敷设距离过远、电源欠压、线路电流衰减及故障难以排查等问题，还难以在自控设备投运后增加新的联锁控制功能，也不利于设备维护保养

作为医院在开展信息化建设活动的过程中，应当实现对医院内部资料的及时沟通和共享，作为工作人员需要定期参加相关的培训工作，如果条件允许也可以邀请一些专业的教师对工作人员展开培训，除此之外，在科室内部也应当定期举办学习交流会，对于一段时间内工作过程中遇到的问题进行讨论并且提出自身的心得和体会，以供其他人员进行参考。在交流活动推进的过程中，也应当不断创新资源共享的方式，例如可以建立微信讨论群，对工作业务变更以及工作内容展开及时的沟通交流，一旦遇到问题也能够寻求他人的帮助共同解决。在这样的基础之上，不及维修。

为解决这一复杂的生产安全难题，科研项目组利用集成电路（IC）及分程控制技术，提出一种转换求取分程点的理论计算思路，研究开发出一种可处理仪表输出信号传输的SPC（Signal Process and Control）控制器，并将其试用于天然气生产现场的固定式气体检测仪。很多早期安装的固定式气体检测仪因出厂前未设计报警继电输出，缺少就地声光报警功能，无法满足安全管理双重预防机制的基本要求。SPC 控制器的现场应用，使缺少报警驱动功能的固定式气体检测仪能够加装就地声光报警器。

2 SPC控制器集成电路设计

2.1 集成电路与分程控制技术

集成电路（Integrated Circuit）技术，是将一个电路所需要的晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路规则连线，通过半导体工艺集成一个具有特定电路功能的微型结构。随着集成电路技术的持续发展，不同类型的集成电路相互镶嵌，可以将数字电路、存储器、MPu、MCu、DSP 等一个电子子系统或整个电子系统集成在一个芯片上，从而完成在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O 等功能。

在传统信号控制系统中，通常每个控制器的信号输出只驱动一台被控单元工作，分程控制技术就是改单点控制为一点双控，将单个控制器的输出信号通过规则加以区分，被分割成若干个信号范围段，而每个被控单元仅在控制器输出的某个信号范围段内动作，从而实现以一控多的目的。

目前大部分天然气场站主要依赖可编程逻辑控制器（PLC）或远程终端单元（RTU）实现现场仪表及执行器的电源供电、信号传输、联锁控制等功能。现场执行器（如电动阀门、电动泵、声光报警器等）实现自动化联锁控制功能，需要在信息化建设工程设计期间就充分考虑现场执行器的供电线路、信号传输线路等工作量，若考虑不足，不仅成本投入大，更容易造成生产现场线路敷设混乱、线路电流相互影响、故障排查难度大等问题。如果能够在生产现场就地加装一个体积较小的智能驱动模块，根据仪表检测信号就地驱动现场执行器动作，可以极大程度上减少经济费用和人力投入，见图1 所示。

图1 SPC 控制器生产现场连接示意图

2.2 SPC 控制器集成电路设计

集成电路的设计是SPC 控制器实现信号传输、分析和控制的关键。项目组通过研究分程控制系统技术，自主设计的集成电路图，把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上，构成一个小而完善的微型系统，实现了“SPC控制器”在小体积的条件下同时具有信号传输、处理和就地控制功能，也能拥有良好的信号隔离的功能，PCB 样板见图2 所示。

图2 研发的SPC 控制器PCB 电路正、反截图

SPC 控制器的集成电路由七个单元组成，分别为电源单元、信号采集单元、内部温度采集单元、中央处理单元、报警输出单元、通讯传输单元以及LED 显示单元。信号采集单元用于采样输入的电流信号，利用两个ADC 采集通道形成差分采样得到电流信号的AD 采样值，用于计算信号电流值，并将电流信号转换为数字信号；内部温度采集单元用于采集温度传感器的电阻值，并将温度传感器的电阻值转换为数字信号；中央处理单元用于通过信号采集单元送来的数字信号计算出电流值，通过内部温度采集单元送来的电阻值计算出温度值；报警输出单元用于通过中央处理单元计算出的电流值做出相应的报警输出；LED 显示单元通过中央处理单元计算出的电流值显示绿、橙、红三种不同显示；通讯传输单元用于485 信号传输；电源单元用于给中央处理单元、报警输出单元、通讯传输单元提供3.3V、24V、12V 和5V 直流电压。

3 SPC控制器的现场运用

3.1 SPC 控制器性能测试

经过实验室多次试验打样，最终成品的SPC 控制器采用双面结构PCB 板，元器件排布紧凑，减小“SPC 控制器”体积，同时抗干扰性能强，电磁兼容性好。核心元器件采用集成双通道Σ-Δ 型ADC 和ARM Cortex-M3 的低功耗精密模拟微控制器“ADuCM360”，可通过编程方式设定相关参数。SPC 控制器成品按照分程控制逻辑编写“STM32”基础程序，并预留相应的接口，充分考虑产品的功能扩展需求，使SPC 控制器在实际生产过程中能够适应各种需要仪表信号进行触发的弱电就地控制需求。

项目组严格按照标准GB3836-2010 及GB/T 28272-2012设定“SPC 控制器”成品各项测试数据标准，模拟多种实验环境对SPC 控制器样品性能进行验证。最终确保SPC 控制器的准确度、回差、重复性误差、始动漂移、长期漂移、浪涌抗扰度等各项技术指标均能达到设计要求标准。

3.2 SPC 控制器现场应用

天然气生产场所最危险的介质为可燃气体和硫化氢气体，安装固定式气体检测仪监测危险介质作为生产场所最有效可靠的安全管控手段，被广泛应用于各类天然气生产场所。随着智能仪表的更新换代以及现场安全管控标准的不断提高，部分早期安装的固定式气体检测仪出厂时因未设计报警驱动功能，缺少就地声光报警功能，无法满足安全管理双重预防机制的基本要求，直接危及现场安全生产。

不同厂家生产的固定式气体检测仪有着大不相同的结构，通过对天然气生产现场的前期调研，目前各天然气场站使用的固定式气体检测仪品牌多为无锡梅思安、无锡格林通、哈尔滨东方报警设备开发有限公司。项目组通过3D 建模和现场实验优化了SPC 控制器的排布结构，使SPC 控制器模块能够安装于各种类型的检测仪，并满足相关标准规范，实现未带报警驱动功能的固定式气体检测仪能够就地声光报警功能，并能达到在气体浓度达到1 级报警阙值时报警，气体浓度降到报警阙值以下自动停止报警的要求[1-3]，见图3所示。

图3 不同结构的SPC 控制器排布设计

4 结语

随着时代的发展，尤其是5G 的迅速发展，传统的通讯模式即将淘汰，取而代之的是基于5G 的物联网控制，天然气生产站场遍布各种各样的传感器，但涉及到工业生产行业，凡事都需要“双保险”，直接靠仪表输出的信号进行就地控制的功能需要保留，如何实现传感器的自我赋能将成为我们的主要研究方向。在此发展趋势下，项目子所研究的“SPC 控制器”在维护保养、故障排查及建设成本方面均优于PLCRTU 控制系统，解决分离仪表输出信号的难题，并且用户自定义功能使其能够满足不同的控制需求。SPC 控制器目前已经成功试用于固定式气体检测仪的声光报警功能，未来可以拓展运用于自动药剂加注、联锁控制、报警控制等不同天然气生产现场，提高天然气场站的安全管理水平，实现以低成本就地自动控制稳定运行。