朱光燦

（山西銘石煤層氣利用股份有限公司，山西 晉城 048006）

0 引言

早期煤層氣長距離輸送由于下游用戶需求量較小，對場站的輸送能力要求不高，因此場站采用常規(guī)儀表檢測并且就地控制。隨著下游電廠裝機容量的增大，對集氣站煤層氣輸送的壓力及濃度要求不斷提高，從而對與之相匹配的煤層氣集輸控制系統(tǒng)要求也變得越來越高，煤層氣集輸控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為集成了現(xiàn)場總線、可編程控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種先進控制技術(shù)的SCADA自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)，同時對系統(tǒng)進行了冗余設(shè)計，可以有效地保證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，降低了控制系統(tǒng)的故障率。

1 煤層氣集輸控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

煤層氣集輸是指將煤炭礦井下抽采的低濃度煤層氣進行集中儲存、混氣、壓縮、脫水和計量的一整套煤層氣輸配工藝流程。銘石公司高莊集氣站煤層氣集輸工藝流程主要分為氣柜儲存流程、混氣流程、加壓流程、脫水流程和計量流程5部分。整個工藝流程是將礦井低濃度煤層氣進行集中儲存，根據(jù)濃度需要進行配風混氣，然后進入壓縮機進行增壓，對壓縮后氣體進行脫水處理，最后通過計量系統(tǒng)對外輸氣體體積進行測量，其工藝流程如圖1所示。

該煤層氣集輸控制系統(tǒng)整體采用三層結(jié)構(gòu)（控制層、網(wǎng)絡(luò)層和上位監(jiān)控層）的經(jīng)典模式，控制層采用基于Profibus－DP現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)，主要包括工藝流程各部分控制器S7－200系列PLC、主控制器S7－400H冗余PLC、ET200M 分布式I/O模塊、冗余以太網(wǎng)通訊模塊及現(xiàn)場總線；網(wǎng)絡(luò)層主要采用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)各受控設(shè)備控制器之間的數(shù)據(jù)交換；上位監(jiān)控層基于Citect組態(tài)軟件的主從服務(wù)器對各受控設(shè)備的狀態(tài)進行集中監(jiān)控。煤層氣集輸控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖1 煤層氣集輸工藝流程圖

圖2 煤層氣集輸系統(tǒng)控制系統(tǒng)框架

2 煤層氣集輸控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 現(xiàn)場控制層的設(shè)計

現(xiàn)場控制層由2個控制器為冗余的S7－400H PLC的主站和9個控制器為S7－200PLC的從站構(gòu)成。其中9個從站分別為7臺燃氣壓縮機控制系統(tǒng)及2臺脫水控制系統(tǒng)。主控PLC均采用西門子CPU226CN，并配置了CP243－1以太網(wǎng)模塊與其他站進行通信。2個主站負責其余設(shè)備的控制，配置了西門子S7－400系列冗余PLC與西門子ET 200分布式I/O結(jié)合的方案，模塊化、智能化的分布式I/O設(shè)備使系統(tǒng)的擴展性得到了提高，同時高傳輸速率的Profibus－DP總線保證了控制器與I/O系統(tǒng)的高效通訊。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計

由于各控制器均配置了以太網(wǎng)模塊或以太網(wǎng)端口，因此網(wǎng)絡(luò)層主要是通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)各部分控制系統(tǒng)及上位監(jiān)控的通訊，上位監(jiān)控Citect組態(tài)軟件可以通過IP尋址定位到各控制PLC，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

Citect與西門子PLC之間的通訊需要先安裝西門子以太網(wǎng)驅(qū)動psdirect驅(qū)動，然后安裝Siemense industry Ethernet軟件，最后對該軟件進行系統(tǒng)配置。在配置Siemense industry Ethernet軟件時，先選擇TCPIP通訊協(xié)議，然后在PLC Device List中點擊Add按鈕添加要連接的PLC，在Device Name中給各控制PLC命名，此處的命名應該與后面設(shè)計Citect時定義的設(shè)備名稱相同，否則連接的PLC就無法與Citect軟件進行通訊；在PLC Type里選擇S7－400，并配置雙CPU冗余。Siemense industry Ethernet軟件配置如圖3所示。

圖3 Siemense industry Ethernet軟件配置

2.3 上位監(jiān)控層的設(shè)計

本設(shè)計的上位監(jiān)控系統(tǒng)是采用Citect V6.10開發(fā)的，Citect組態(tài)軟件建立的工程由建立通訊、創(chuàng)建變量標簽（Variable Tags）、繪制畫面、添加控制、報警和事件處理、安全機制、Cicode語言組成，可實現(xiàn)對整個煤層氣集輸系統(tǒng)各工藝部位的運行情況進行實時監(jiān)控。

本系統(tǒng)上位監(jiān)控層配置了2臺工控機，分別為Citect Server和Citect Client。其中Citect Server主要負責采集工藝過程中的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，而Citect Client則主要負責采集現(xiàn)場流量信號、組態(tài)報警、趨勢、報表等任務(wù)。

3 冗余設(shè)計

冗余控制根據(jù)冗余實現(xiàn)的方法可以分為軟件冗余和硬件冗余。軟件冗余初步投資較小，通過軟件設(shè)計進行數(shù)據(jù)讀寫、儲存以及故障時的自動切換，其系統(tǒng)維護比較復雜，只能由專門的設(shè)計人員完成，因此只適用于生產(chǎn)工藝流程要求不高的場合。而硬件冗余設(shè)計之初就需要配置兩套完全一樣的系統(tǒng)，因此前期投入較大。硬件冗余系統(tǒng)一般配置一套主、備用控制器，備用控制器閑時從主控制器中復制全部程序及系統(tǒng)數(shù)據(jù)備用，當系統(tǒng)異常時，自動實現(xiàn)無間隙切換。這種冗余方式系統(tǒng)維護相對簡單，性能可靠，適合生產(chǎn)工藝要求高、反應速度快的危險工業(yè)場合。簽于煤層氣場站的實際情況，因此本煤層氣集輸控制系統(tǒng)選擇硬件冗余的控制方案。

3.1 硬件配置

要實現(xiàn)硬件冗余，需要配置2個安裝機架UR2－H（9槽ALU）機架，2個電源模塊PS 407 10A，2個容錯CPU414－4H，2根光 纜；ET200M 分布式I/O 設(shè) 備配置2個IM153－2，3個數(shù)字量輸入模塊，2個數(shù)字量輸出模塊，3個模擬量輸入模塊，1個模擬量輸出模塊，2根PROFIBUS屏蔽電纜及相應的DP連接器。

3.2 硬件組態(tài)

硬件組態(tài)使用STEP7軟件中的HW－Config功能，同時需要對系統(tǒng)各硬件組成部分進行相應的參數(shù)配置。煤層氣集輸系統(tǒng)硬件組態(tài)圖如圖4所示。

圖4 煤層氣集輸系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

對中央處理單元只需對CPU0（機架0上的CPU）設(shè)置CPU參數(shù)，所設(shè)定的數(shù)值將自動分配給CPU1（機架1上的CPU）。需要設(shè)置的參數(shù)主要有掃描循環(huán)監(jiān)視時間、過程輸入輸出映象，出現(xiàn)I/O訪問錯誤時調(diào)用OB85，還需要設(shè)置診斷緩沖區(qū)中的報文數(shù)量，模塊的監(jiān)控時間以及CPU的自檢周期。特別需要注意的是在每次修改硬件配置或退出HW Config之前一定要對硬件組態(tài)進行編譯。

3.3 通訊組態(tài)

首先，主、備控制器之間需要進行同步光纜連接，保證冗余PLC之間同步通訊的正常進行；其次，在冗余PLC和冗余的ET200M分布式I/O通訊模塊之間配置雙Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)，Profibus－DP現(xiàn)場總線采用雙線電纜傳輸，傳輸速率可以從9.6kb/s到12Mb/s，實現(xiàn)主站與從站間的數(shù)據(jù)傳遞，冗余的Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)配置使得中央處理單元程序同時監(jiān)控兩套通訊模塊的狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量，起到限定當前工作通訊網(wǎng)絡(luò)和后備通訊網(wǎng)絡(luò)的目的；最后，在各部分控制器S7－200系列PLC、主控制器S7－400H冗余PLC以及上位監(jiān)控服務(wù)器之間通過配置專用的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，進而實現(xiàn)上位監(jiān)控層與管理層的無縫連接。冗余連接網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

4 結(jié)論

采用基于Citect軟件平臺開發(fā)的煤層氣集輸控制系統(tǒng)，給操作人員提供了友好的操作界面。實際運行證明，該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次分明，而且故障率較低，具有較高的系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，能夠完全滿足場站集中監(jiān)控的需求。

圖5 冗余連接網(wǎng)絡(luò)圖

［1］劉麗，楊興國.Citect工控組態(tài)軟件及其在輸氣管道SCADA系統(tǒng)中的應用［J］.工業(yè)控制計算機，2001，14（1）：36－38.

［2］張義星，孟國營.基于Citect的煤礦裝車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.煤炭工程，2012（5）：120－122.

［3］衡軍山.基于雙CPU的冗余控制研究與實現(xiàn)［J］.機床與液壓，2008，36（7）：350－351.

［4］周侗，徐皚東，于海斌，等.現(xiàn)場總線工業(yè)控制系統(tǒng)信息集成技術(shù)研究［J］.儀表儀器學報，2005，26（8）：557－560.

［5］趙強，顧德英，汪晉寬，等.PLC雙機熱備系統(tǒng)設(shè)計及性能優(yōu)化［J］.儀器儀表學報，2005，26（8）：636－638.

［6］趙秀芬，孫東輝.基于Citect的自動監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)［J］.北華航天工業(yè)學院學報，2006，16（5）：15－16，25.

［7］王海瑞，張勇.基于CITECT組態(tài)軟件和PLC的高純度干冰生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.化工自動化及儀表，2008，35（5）：83－86.