曾維康

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州510000）

燃氣場站，是指使用氣源性質(zhì)為天然氣的易燃易爆場所，一般為管網(wǎng)源頭或者是有天然氣儲存的地點，可大致分類為LNG 儲配站、天然氣門站、調(diào)壓站、CNG 加氣站等。站控系統(tǒng)是以計算機和工業(yè)控制技術為核心的控制系統(tǒng)，由它完成對場站的監(jiān)控。它由站控中心、站控系統(tǒng)PLC 控制站、站控設備等組成。站控中心的操作人員通過系統(tǒng)所提供的壓力、溫度、流量、設備運行狀態(tài)等信息，完成對所有場站設備的運行監(jiān)控和管理。本文章將講述基于PLC 的燃氣場站自控系統(tǒng)建設的具體應用，與實際狀況相結合,采取有效的自動化管理的手段,實現(xiàn)場站自控系統(tǒng)的科學運營。

1 應用范圍

適用于使用西門子S7-300、西門子S7-1200、等PLC 設備與力控、INTOUCH、IFIX、KINGVIEW、MCGS 等上位機組態(tài)軟件組成的燃氣場站控制系統(tǒng)的調(diào)試和配置。系統(tǒng)軟件為windows平臺，本文的舉例是以西門子PLC300 為核心的場站控制系統(tǒng)。場站自控系統(tǒng)是整個燃氣場站安全運行的必要操作監(jiān)控手段，因此，場站控制系統(tǒng)軟件必須穩(wěn)定可靠，而且要有較強的通用性，便于第三方設備的通訊讀取。

2 自控系統(tǒng)詳細功能

2.1 系統(tǒng)結構

場站控制系統(tǒng)硬件組成主要由場站工控機（即站控電腦）、PLC 控制柜、通訊數(shù)據(jù)接口等組成，必要時加入UPS 不間斷電源作為供電保障。現(xiàn)場設備流程主要為：PLC 控制柜通過配套AI、DI、AO、DO、485 通訊模塊等硬件連線與現(xiàn)場設備通訊，把現(xiàn)場的信號源通過PLC 控制柜轉換成能與上位機通訊的協(xié)議，利用場站實際要求開發(fā)的站控工程控制系統(tǒng)經(jīng)過局域網(wǎng)與PLC控制柜進行數(shù)據(jù)通訊，把現(xiàn)場設備相關參數(shù)經(jīng)過程序換算處理后直觀地展示給用戶。具體結構圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

PLC 控制柜主要由CPU 模塊、冗余電源、遠程I/O 模塊、通信模塊、直流穩(wěn)壓電源等組成，IO 點數(shù)需滿足系統(tǒng)要求，并配置足夠的備用通道，便于以后擴增設備。

2.2 PLC 程序編制流程

一般需要根據(jù)項目相關自控圖紙中所述邏輯要求，對PLC程序制定大概的框架，可以將一個標準燃氣場站整體程序功能塊劃分為：模擬量AI 轉換處理，AO 輸出處理，開關量DI 輸入與DO 輸出聯(lián)鎖處理，外部485 通訊發(fā)送與接收處理，聲光報警聯(lián)鎖輸出，閥門連鎖控制，協(xié)議轉換處理，以及西門子PLC 程序自帶的主功能循環(huán)區(qū)，上電初次調(diào)用區(qū)，數(shù)據(jù)存放區(qū)等。如圖2所示。

圖2 S7-300 程序塊中各項目功能分類編程

2.2.1 模擬量AI 模塊轉換

燃氣場站中工藝區(qū)相關模擬量參數(shù)一般為測量管道壓力、溫度、儲罐液位、差壓及燃氣泄露探頭的變送器，此類儀表多為二線制或三線制接線方式，主要傳輸4-20mA 電流型數(shù)據(jù)。以s7-300 程序架構為例，為實現(xiàn)將現(xiàn)場儀表原始數(shù)據(jù)正常采集至PLC 中，需考慮其硬件組態(tài)中AI 模塊輸入信號的類型及量程范圍。此時需注意如果選擇0-20mA 需在編程中將4mA 對應裸數(shù)據(jù)做初始值過濾。在設計程序時可根據(jù)需要增加對數(shù)據(jù)在報警限值波動頻繁觸發(fā)報警的死區(qū)濾波功能。

2.2.2 RS-485 通訊處理

燃氣場站內(nèi)涉及RS-485 通訊的設備較為固定，所有工藝區(qū)必須有對燃氣進行計量的流量計裝備，市面上的流量計已基本支持485 通訊，部分可燃氣體泄露探頭可同時支持模擬量與485 通訊方式，另有燃氣加藥控制器，加氣站壓縮機組，燃氣組份分析小屋等設備的485 通信。485 通信編程處理通常為燃氣場站PLC 程序中的主要部分，因部分流量計為自定義通訊協(xié)議，為制定兼容性較強的程序框架，本文所提項目中采用S7-300PLC 自由口通信編程方式（利用FB2 及FB3 功能塊），不使用西門子原有modbus 程序擴展包。需要注意的是自由口通信需要自定義通訊模塊的收發(fā)內(nèi)容、時間間隔、多次校驗、故障自診斷恢復等子功能，以達到長久運行能夠穩(wěn)定采集的目的。以國產(chǎn)天信流量計為例，其默認1.3 協(xié)議為自定義協(xié)議，需要在程序中根據(jù)其協(xié)議規(guī)定下發(fā)數(shù)據(jù)幀，判斷返回幀長、校驗，然后進行數(shù)據(jù)解包，輸出存放至已規(guī)劃好的地址區(qū)，建議統(tǒng)一轉換為某一種數(shù)據(jù)類型，如浮點數(shù)（高位在前），方便上位機組態(tài)讀取。同一塊通訊模塊可通過編程對發(fā)送間隔排序，發(fā)送給不同通訊地址的設備亦或是同種串口通訊協(xié)議（波特率、校驗等）的不同設備，以節(jié)省硬件成本，但需要兼顧到由此出現(xiàn)的循環(huán)采集數(shù)據(jù)時間周期延長。根據(jù)對用戶實際運營體驗的回訪，一般燃氣場站對瞬時流量值的更新時間需在10 秒內(nèi)，過長時將造成高峰用氣調(diào)峰期無法及時調(diào)控流量。

2.2.3 聯(lián)鎖控制

圖3

燃氣場站自動化運營聯(lián)鎖控制不可或缺，其主要應用于場站內(nèi)突發(fā)緊急事故，或設備故障、工作疏忽導致安全參數(shù)超限后自動保護動作，以及保證設備正常運行時的合理控制邏輯。燃氣場站輸氣管道必須要有各類閥門以切換管路，起到調(diào)流、維修保養(yǎng)、緊急停氣的作用，其中手動閥門無法進行遠程控制，帶電動執(zhí)行機構的閥門，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控狀態(tài)，控制開關停動作，以及ESD 緊急操作。在程序編寫時，需考慮到各動作之間的優(yōu)先級以及聯(lián)鎖限制，如執(zhí)行控關動作時，需檢測急停、故障信號未激活，遠程信號已激活，同步取消控開和控停命令，繼電器輸出脈沖或保持，并于收到關到位信號后停止動作，此外建議加入動作超時判斷，防止當電動閥設備卡死停轉時輸出繼電器仍然保持觸發(fā)的情況，圖3 為電動閥門控制編程思路。

當燃氣場站突發(fā)狀況時，建議將站內(nèi)各項危險觸發(fā)信號（燃氣泄漏，壓力、溫度過高/過低）與安全設備（聲光報警器，鼓風機，電動閥）聯(lián)動起來，實現(xiàn)在危急時刻各項設備能自動采取應急響應流程，可極大地降低事故風險，較人工操作而言，安全性、效率能顯著提升。自控設備在執(zhí)行完應急動作后，為保證安全防止出現(xiàn)二次災害，建議在程序中加入手動確認后才可復位的限制，并將對應操作信號輸出至上位機采集保存以備查看。另外，可提供給現(xiàn)場工作人員選擇自動聯(lián)鎖或手動操作的選項，在程序中設定兩個不同的輸入變量，上位機做對應不同按鈕選項，可為場站正常設備送檢、測試時提供便利。

2.2.4 編制點表及調(diào)試

PLC 程序功能搭建時即可同步編制項目數(shù)據(jù)點表，根據(jù)自編點表定義數(shù)據(jù)存放地址來定義PLC 程序各數(shù)據(jù)對應地址，最終實現(xiàn)功能與點表統(tǒng)一歸檔。數(shù)據(jù)點表極為重要，可為后續(xù)上位機組態(tài)軟件建點作唯一參照依據(jù)，并留存檔以便后期工程項目查閱，發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)故障可通過點表信息迅速定位程序索引位置來準確處理。比較完善的參數(shù)點表格大致包括參數(shù)名稱、數(shù)據(jù)類型、模擬量量程范圍、硬件通道號、PLC 絕對地址、上位機站控地址、可選支持modbus地址、接線線標號、報警上下限等。

程序及點表編制完成，即可根據(jù)點表定義進行現(xiàn)場施工，每路IO 通道需準確定位現(xiàn)場新增設備接線順序與位置，接線完成后對整個PLC 控制柜進行調(diào)試運行，并測試閥門連鎖控制、第三方設備協(xié)議通訊、機柜按鈕與提示燈的觸發(fā)測試。

3 結論

燃氣場站控制系統(tǒng)，由于管理的設備較分散，時效性較高，因此數(shù)據(jù)采集和設備控制的準確性要求高，在設計PLC 程序時，應把控全面各項設備的邏輯連鎖關系，以減少人為干預的潛在不確定性，使系統(tǒng)能根據(jù)實時變化的數(shù)據(jù)自動觸發(fā)相對應的動作，由于燃氣行業(yè)的高專業(yè)性與危險性，此類聯(lián)鎖功能在場站內(nèi)尤為重要，應著重調(diào)試此類功能。在設計上位機系統(tǒng)時，應當盡量考慮操作人員的文化水平、年齡、對計算機的操作習慣，使其更好地理解場站控制系統(tǒng)設計的原理與初衷。只有操作人員與場站自控系統(tǒng)的友好交互，才能發(fā)揮出場站自控系統(tǒng)作為輔助使用人管理場站的作用。