基于PCS7的煤矿瓦斯气集输冗余控制系统研究
2021-03-25
(山西铭石煤层气利用股份有限公司 山西 048002)
引言
1.总体设计
生产过程主要是矿井下的低浓度瓦斯经抽采后,储存于两台煤气柜中,由两台压缩机进行增压和脱水装置脱水后,通过计量装置,再利用长输管线输送至高庄集气站。在此生产过程中,由空压机为仪表系统提供压缩空气,制氮机为螺杆压缩机提供密封氮气,由溴化锂装置为脱水系统等提供冷却水,由水处理装置为系统提供软水,供电系统保障整个系统的供电。整个系统的工艺流程图如图1所示。
图1 系统工艺流程图
该增压站控制系统采用现场层、工厂控制层、人机操作层的典型三层结构。
现场层主要是通过Modbus、Profibud-DP及Profibus-PA等总线,将现场的风机、水泵、阀门、温度传感器、流量传感器、压力传感器、物位传感器、浓度传感器、供电综合保护等IO设备连接入一套冗余的PCS7控制系统中。
工厂控制层采用冗余的PCS7处理器对现场层设备进行控制,并将设备信息传送至人机操作层。
人机操作层采用为PCS系统集成的Wincc软件,经典的Wincc软件,利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯。
2.煤矿瓦斯气集输冗余控制系统的设计
(1)现场层的设计
现场控制层主要由单体成套设备,智能总线仪表设备,以及传统的IO设备构成。单体成套设备包括溴化锂装置、脱水装置、空压机系统、制氮机系统、压缩机系统、瓦斯浓度安全检测系统、供电综合保护系统等。溴化锂装置、脱水装置、空压机系统、制氮机系统、压缩机系统通过工业以太网总线接入控制系统中;瓦斯安全检测系统和供电综合保护系统通过Modbus接入控制系统中;流量计、压力传感器等智能总线仪表通过Profibus-PA和DP/PA耦合器接入控制系统中;阀门、电机等设备通过传统的IO模块接入到控制系统中。
(2)工厂控制层
工厂控制层由一套冗余的故障安全型PCS7处理器AS410 FH,两套ET200M组成,ET200M中安装故障安全型IO模块。
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通过工业以太网总线通讯的单体设备,都采用S7-300处理器,并在项目的组态网络中组态后,与PCS7处理器进行数据交换。
通过Modbus总线通讯的设备,由在ET200M机架中安装有CP341总线模块与设备连接,并与PCS7处理器进行数据交换。
智能总线型仪表,统一采用Profibus-PA总线,经过DP/PA耦合器,在硬件组态中进行组态后,与PCS7处理器进行数据交换。
传统的设备,如阀门,电机等,接线进入ET200M的I/O模块,由PCS7进行数据处理。
(3)人机操作层
人机操作层由一台工程师站,一台OS服务器,两台OS构成。在工程师站上,将程序编辑完成后,下载至控制器;将OS画面编辑完成后,分别下载至OS服务器和OS客户端,由操作人员在OS客户端上进行设备监控。
PCS7的画面编辑软件为系统集成的Wincc,相比于传统Wincc,PCS集成的Wincc可以更好的与程序相结合,应用高级过程库的设备,在Wincc画面中将自动形成,并集成参数设置,实时趋势等功能,大大简化工程师的工作量。
3.故障安全型系统设计
(1)故障安全型的定义
故障安全,指的是当设备发生故障时,能将其自动导向安全位置或状态的技术。最早应用于铁路的信号系统,不仅涉及到系统的可靠性评估等理论和算法,还要涉及到信号的连锁、系统的冗余技术、故障的检测和报警技术、应用的顶替技术等各种软件和硬件的技术,故障安全原则目前被应用在许多场合,在各行业中也都有具体的系统或者产品来实现故障安全的原则。
(2)系统硬件配置
S7-F系统是西门子故障安全型自动化系统。比较常见的是S7-400F系列CPU,例如CPU410-5H、CPU412-3H、CPU417-4H等。西门子S7-400F故障安全型系统经常用在中大规模的自动化控制系统,当其中一个或多个自动化装置发生故障的时候,这个系统仍然能够保持安全功能不丢失,保证系统安全稳定运行,在发电、化工、冶金等行业中广泛采用。
西门子S7-F系统的处理器主要特点有:极高的处理速度和通讯性能,可在运行中更改组态,PROFIBUS上具有等时模式,具有故障安全类型和容错类型,可进行热插拔等特点。
S7-F系统的处理器I/O模块主要特点有:防护等级为IP20(在控制柜中)和IP65/67(无控制柜),可在操作中替换模块,具有故障安全类型,微存储卡上具有数据保持功能,无需维护等特点。
本系统采用西门子最新推出的性能先进的AS410FH故障安全型冗余处理器套组件,其中包括CPU410-5H两块和100 OP授权,系统配置冗余的IM153-2通讯模块,故障安全型的DI、DO和AI模块。保证整套系统通过安全检测,安全评估,安全输出的整个流程。
(3)系统组态
在多重任务中,对工程师站(ES),操作员站(OS),服务器(SR)以及自动化站(AS)分别进行组态。组态使用PCS7系统集成的HW-Config功能,对系统配置中的各种硬件进行相应的参数配置。
针对工程师站(ES),操作员站(OS),服务器(SR),组态中需要配置IE通用和Wincc应用,这样才能保证系统互通,并可以通过工程师站对操作员站和服务器进行下载。
针对F型的CPU,模块配置中,需要设置读/写保护等密码设置,以及是否含有安全程序,是否保护所有CPU等选项。设置密码后,要将密码记录下来,在以后修改程序中,需要进行密码确认。
对于F型的I/O模块,在参数设置中,需要设置目标地址,并与模块硬件实际拨码相对应,否则组态后无法识别。在通道设置中,需要对安全评估进行设置,针对现场接线情况,可选一对一评估或者一对二评估,针对未使用通道,可以选择不激活,或者激活后,在接线端子侧进行处理。
对于现场总线仪表,通过配置DP/PA耦合器,将仪表的GSD文件导入,进行地址配置后,在CPU中即可对其进行使用,可以大大减少I/O模块使用量,减少线缆数量,减少故障点,提高系统可靠性。
(4)系统通讯组态
本系统的通讯主要分为以太网、Profibus-DP、Profibus-PA和Modbus四种通讯。自动化站与服务器、工程师站、操作员站之间通过以太网通讯;自动站中的CPU与I/O之间通过Profibus-DP通讯;CPU与智能总线仪表通过Profibus-PA通讯;CPU与485接口的仪表等通过Modbus进行通讯。
在系统通讯组态中,需要将CPU对工程师站和服务器进行单边S7通讯配置,并对压缩机系统的S7-300进行S7单边通讯。与脱水系统、制氮系统、溴化锂制冷等系统只是显示,通过PCS7系统集成的Wincc,与这些系统进行OPC通讯。
其它通讯经过硬件配置后,在通讯组态中将自动生成。
Modbus通讯是通过对CP341进行编程,达到与CPU进行数据交换。
4.结论
采用PCS7控制的煤层气增压站系统,对自动化站,服务器,工程师站,操作员站以及各种仪表,设备的连接层次分别为,应用稳定,故障率极低,报警等信息能够及时快速反映到操作界面上,大大降低维护操作人员的工作强度,并且该系统有良好的扩展性,可在线不停机进行软硬件修改。综上,该系统可在以后的煤层气增压站系统中进行推广应用。