王彥回

摘要：壓縮站是煤層氣輸送的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前，在壓縮站生產(chǎn)過程中，存在生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)繁雜、消息交互困難、人員工作量大等問題。為此，針對(duì)壓縮站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多樣、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，圍繞壓縮站管理的切實(shí)需求，對(duì)壓縮站站控系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并以SIMENS S7-200系列PLC為核心，開發(fā)了一套站控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：壓縮站；站控系統(tǒng)；PLC；組態(tài)王

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16723198（2015）04016202

1概述

我國煤層氣開發(fā)利用已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展階段，壓縮站擔(dān)負(fù)著煤層氣壓縮、輸送的職責(zé)，但是壓縮站的管理還停止不前，處于傳統(tǒng)方式上，大量的操作需要人工手動(dòng)完成，繁雜的數(shù)據(jù)需要人工抄錄傳遞。隨著我國煤層氣工藝的快速發(fā)展和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)管理模式弊端盡顯，生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際和人員配置問題突顯，已經(jīng)很難適應(yīng)現(xiàn)在壓縮站發(fā)展的要求。目前，壓縮站存在以下問題：

（1）公司的煤層氣井分布范圍廣泛，所以壓縮站設(shè)計(jì)也比較分散，生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)處于分散的狀態(tài)。而且，壓縮站數(shù)據(jù)量龐大，但收集方式處于原始的手工抄錄階段，沒有很好的集中處理。

（2）各個(gè)壓縮站采用設(shè)備不盡相同，技術(shù)方案亦不相同，每個(gè)系統(tǒng)均有自己的數(shù)據(jù)管理方式，所以各個(gè)系統(tǒng)之間的信息交換頗為困難。

（3）壓縮站生產(chǎn)數(shù)據(jù)與管理沒有有效的結(jié)合起來。目前各壓縮站的生產(chǎn)數(shù)據(jù)只掌握在現(xiàn)場(chǎng)操作、管理人員手中，管理層次的人員需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)需要奔波數(shù)公里，甚至幾十公里到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)才能掌握運(yùn)行狀態(tài)，效率十分低下。同時(shí)各級(jí)管理、維護(hù)人員也不能及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備預(yù)警信息，同時(shí)也存在著安全隱患。

綜合上述，壓縮站目前的管理模式是：人員定時(shí)巡檢、人員晝夜在崗、數(shù)據(jù)人工手動(dòng)抄錄、設(shè)備手動(dòng)排污等等。而隨著數(shù)字化概念的興起，為了降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度、減少勞動(dòng)力、精簡運(yùn)行管理成本，降低壓縮站安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)已建成的壓縮站利用現(xiàn)代化數(shù)字技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改造，進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)壓縮站的集中監(jiān)控運(yùn)行。

2站控系統(tǒng)要求

根據(jù)壓縮站的工藝流程和實(shí)際生產(chǎn)情況，其對(duì)站控系統(tǒng)的功能需求如下：

（1）上位機(jī)顯示屏上以畫面、報(bào)表等形勢(shì)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。并通過色彩的變化，顏色的填充使得畫面更具有可視性。

（2）實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢，并能夠形成報(bào)表，提供報(bào)表的轉(zhuǎn)存與打印。

（3）提供報(bào)警功能。系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)的超限能夠自動(dòng)識(shí)別，并提供聲光報(bào)警提示。

（4）通信功能。多個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)共享與互訪。

（5）系統(tǒng)擴(kuò)展性。壓縮站在后期的運(yùn)行中有可能會(huì)增添設(shè)備，或者新建壓縮站，所以要求站控系統(tǒng)具備良好的可擴(kuò)展性。

3站控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

煤層氣壓縮站站控系統(tǒng)由壓縮機(jī)控制系統(tǒng)、高壓脫水控制系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)以及上位機(jī)軟件系統(tǒng)組成。4套系統(tǒng)相互配合實(shí)現(xiàn)壓縮站安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

3.1壓縮機(jī)控制系統(tǒng)與高壓脫水控制系統(tǒng)

壓縮機(jī)與高壓脫水裝置已配置有控制系統(tǒng)，其使用西門子S7-200 PLC作為控制核心。為了能夠?qū)⒃械南到y(tǒng)接入到壓縮站控制系統(tǒng)中，需要在原有設(shè)備中增設(shè)通信模塊。

為了方便組網(wǎng)，并使系統(tǒng)具備更好的擴(kuò)展性能，采用工業(yè)以太網(wǎng)作為系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。西門子S7-200系列PLC自身不具備以太網(wǎng)接頭，因此要組成以太網(wǎng)必須配備以太網(wǎng)模塊CP234-1 IT。

CP 243-1是一種通訊處理器，設(shè)計(jì)用于在S7-200自動(dòng)化系統(tǒng)中運(yùn)行。它可用于將S7-200系統(tǒng)連接到工業(yè)以太網(wǎng)（IE）中。CP 243-1通訊處理器還可用于實(shí)現(xiàn)S7低端性能產(chǎn)品的以太網(wǎng)通信。因此，可以使用STEP 7 Micro/WIN 32對(duì)S7-200進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)、編程和診斷。

要實(shí)現(xiàn)S7-200的以太網(wǎng)通信，首先要對(duì)S7-200進(jìn)行設(shè)置，并利用STEP7-Micro/WIN的“以太網(wǎng)向?qū)А鄙赏ㄐ?，以下為具體步驟：

（1）首先建立STEP7-Micro/WIN與S7-200之間的通信。

通過PLC編程電纜將PLC與計(jì)算機(jī)鏈接起來，啟動(dòng)編程軟件。在“PC/PPI（PPI）”選項(xiàng)中，點(diǎn)擊屬性，選中“USB”接口。在通信界面中，雙擊“刷新”，找到“CPU 226 CN”，點(diǎn)擊確定。

（2）打開“以太網(wǎng)向?qū)А薄?/p>

啟動(dòng)“以太網(wǎng)向?qū)А?，點(diǎn)擊“讀取模塊”，找到模塊位置。指定模塊IP地址與子網(wǎng)掩碼，模塊連接類型指定為自動(dòng)檢測(cè)通信。指定命令字節(jié)和連接數(shù)目，由于站控系統(tǒng)是上位機(jī)與PLC直接通信，PLC直接不相互通信，所以連接數(shù)設(shè)定為1。配置連接，將“遠(yuǎn)程屬性”設(shè)置為“10.00”，再將IP地址設(shè)定為上位機(jī)IP地址。啟用CRC保護(hù)。分配配置內(nèi)存，通過“建議地址”自動(dòng)生成。單擊“完成”按鈕，完成以太網(wǎng)向?qū)渲谩?/p>

完成對(duì)PLC的組態(tài)后，組態(tài)王就可以通過以太網(wǎng)訪問PLC，并獲取設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3.2環(huán)境控制系統(tǒng)

環(huán)境控制系統(tǒng)是對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，則啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)軸流風(fēng)機(jī)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)制通風(fēng)，并通過氣動(dòng)執(zhí)行器關(guān)閉進(jìn)站閥門，切斷進(jìn)站氣源。壓縮機(jī)會(huì)因失去進(jìn)氣壓力而被迫停機(jī)，但高壓脫水裝置不會(huì)停機(jī)，這樣存在一定的安全隱患。

為了使環(huán)境控制系統(tǒng)更加完善、安全，在原有的環(huán)境控制系統(tǒng)中，增設(shè)一臺(tái)西門子S7-200PLC。這臺(tái)PLC用來采集各個(gè)瓦斯探頭監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，而輸出端輸出緊急停機(jī)指令，并將緊急停機(jī)指令與所有的壓縮機(jī)和高壓脫水裝置的緊急停機(jī)指令關(guān)聯(lián)。同樣的在這臺(tái)PLC上安裝以太網(wǎng)模塊CP234-1 IT，使其具備以太網(wǎng)通信功能。這樣，當(dāng)任意瓦斯探頭監(jiān)測(cè)到工作現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛雀哂诒ㄏ孪?0%，PLC能以發(fā)出緊急停機(jī)指令，使壓縮機(jī)與高壓脫水同時(shí)緊急停機(jī)。

3.3上位機(jī)軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)配備一臺(tái)工控機(jī)，工控機(jī)上安裝組態(tài)王軟件。使用組態(tài)王完成上位機(jī)軟件的功能。組態(tài)王軟件通過工業(yè)以太網(wǎng)訪問系統(tǒng)中的各個(gè)PLC，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。并通過軟件設(shè)計(jì)，借由組態(tài)王的畫面組態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示、存儲(chǔ)、查詢、報(bào)表生成和報(bào)警功能。

組態(tài)王軟件通過通信組態(tài)、變量組態(tài)、圖形組態(tài)、功能組態(tài)完成對(duì)壓縮站現(xiàn)場(chǎng)的描述，最后在界面上生成監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

通信組態(tài)是在組態(tài)王中定義各個(gè)PLC，將PLC作為組態(tài)王的外部設(shè)備。變量組態(tài)是將外部設(shè)備中的寄存器數(shù)據(jù)作為組態(tài)王的變量，這些變量結(jié)合在組態(tài)王中被稱為數(shù)據(jù)詞典。完成以上兩步，組態(tài)王即可應(yīng)用各個(gè)PLC中的數(shù)據(jù)。

圖形組態(tài)就是用圖形畫面來模擬實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的控制設(shè)備。用組態(tài)王系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用工程是以畫面為程序的顯示單位，畫面顯示在程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)的Windows窗口中。畫面上的各種圖形元素通過“動(dòng)畫連接”實(shí)現(xiàn)與變量組態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

壓縮站在公司分布較廣，每個(gè)站之間的地域間隔較大。壓縮站與總部之間的通信依靠傳統(tǒng)的電話人工播報(bào)，不僅費(fèi)用高，而且由于不具備實(shí)時(shí)性，一直被詬病。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，為壓縮站生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送提供了可能。組態(tài)王自備網(wǎng)絡(luò)通信功能，它可以實(shí)現(xiàn)組態(tài)王之間的數(shù)據(jù)交互。組態(tài)王基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶—服務(wù)器模式，支持分布式歷史數(shù)據(jù)庫和分布式報(bào)警系統(tǒng)，可運(yùn)行在基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)上，使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)上、下位機(jī)以及更高層組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種柔性結(jié)構(gòu)，可以將整個(gè)應(yīng)用程序分配給多個(gè)服務(wù)器，可以引用遠(yuǎn)程站點(diǎn)的變量到本地使用（顯示、計(jì)算等），這樣可以提高項(xiàng)目的整體容量結(jié)構(gòu)并改善系統(tǒng)的性能。服務(wù)器的分配可以是基于項(xiàng)目中物理設(shè)備結(jié)構(gòu)或不同的功能，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)立專門的IO服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、登錄服務(wù)器和WEB服務(wù)器等。

4系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用效果

4.1系統(tǒng)測(cè)試

首先，檢查各系統(tǒng)接線，確認(rèn)線號(hào)端子是否無誤、有無松動(dòng)、PLC上電是否正常等；檢測(cè)站控工控機(jī)與各個(gè)PLC、智能流量計(jì)通信是否正常。

然后，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。通過現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)試參數(shù)與工控機(jī)測(cè)試參數(shù)的對(duì)比，確認(rèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。若有誤，則需檢查接線有無錯(cuò)誤或PLC程序有無錯(cuò)誤。

最后，進(jìn)行功能測(cè)試。測(cè)試監(jiān)控軟件工藝報(bào)表生成與打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警記錄查詢。

通過以上調(diào)試，從實(shí)際測(cè)試記錄資料顯示，系統(tǒng)工作正常，性能穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

4.2應(yīng)用效果

通過在壓縮站運(yùn)用該站控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓縮站的集中控制，能夠滿足壓縮站日常生產(chǎn)和管理的需求，有效提高了壓縮站的自動(dòng)化程度，提升了監(jiān)控室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控能力，有效的降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。主要表現(xiàn)在：

（1）通過使用站控系統(tǒng)，壓縮站生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)能夠被動(dòng)態(tài)采集，并被快速傳送，確保生產(chǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

（2）通過組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)了壓縮站站控系統(tǒng)與公司監(jiān)控系統(tǒng)的集成，通過各個(gè)壓縮站站點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換，方便對(duì)壓縮站的運(yùn)行管理，為公司的氣量調(diào)配提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhu Tianshou， Liu Wei. Construction and management mode of digital gas gatering stations in the Sulige Gas Field[J]. Natrual Gas Industry， 2011，30（1）：59.

[2]韓波，劉巍.中國石油輸氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)建設(shè)淺談[J].天然氣勘探與開發(fā)，2004，27（3）：6167.

[3]Allan，P.D.，Meridian Oil Inc.Nitrogen Drilling System for Gas Drilling Applications[M].USA：Society of Petroleum Engineers，1994.

[4]楊錦林，楊力，周勁，等.氣田傳統(tǒng)集氣站信息數(shù)字化采集與實(shí)現(xiàn)[J]