基于Citect和冗余PLC的煤層氣集輸控制系統

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要求也變得越來越高，煤層氣集輸控制系統逐漸發展成為集成了現場總線、可編程控制技術和網絡技術等多種先進控制技術的SCADA自動化監控管理系統，同時對系統進行了冗余設計，可以有效地保證系統的可靠性及穩定性，降低了控制系統的故障率。

1 煤層氣集輸控制系統總體結構框架

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整體采用三層結構（控制層、網絡層和上位監控層）的經典模式，控制層采用基于Profibus－DP現場總線及工業以太網實現，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、冗余以太網通訊模塊及現場總線；網絡層主要采用工業以太網實現各受控設備控制器之間的數據交換；上位監控層基于Citect組態軟件的主從服務器對各受控設備的狀態進行集中監控。煤層氣集輸控制系統總體結構框架如圖2所示。

圖1 煤層氣集輸工藝流程圖

圖2 煤層氣集輸系統控制系統框架

2 煤層氣集輸控制系統的設計

2.1 現場控制層的設計

現場控制層由2個控制器為冗余的S7－400H PLC的主站和9個控制器為S7－200PLC的從站構成。其中9個從站分別為7臺燃氣壓縮機控制系統及2臺脫水控制系統。主控PLC均采用西門子CPU226CN，并配置了CP243－1以太網模塊與其他站進行通信。2個主站負責其余設備的控制，配置了西門子S7－400系列冗余PLC與西門子ET 200分布式I/O結合的方案，模塊化、智能化的分布式I/O設備使系統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系統的高效通訊。

2.2 網絡層的設計

由于各控制器均配置了以太網模塊或以太網端口，因此網絡層主要是通過工業以太網實現各部分控制系統及上位監控的通訊，上位監控Citect組態軟件可以通過IP尋址定位到各控制PLC，實現現場數據的實時監控。

Citect與西門子PLC之間的通訊需要先安裝西門子以太網驅動psdirect驅動，然后安裝Siemense industry Ethernet軟件，最后對該軟件進行系統配置。在配置Siemense industry Ethernet軟件時，先選擇TCPIP通訊協議，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計Citect時定義的設備名稱相同，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 上位監控層的設計

本設計的上位監控系統是采用Citect V6.10開發的，Citect組態軟件建立的工程由建立通訊、創建變量標簽（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，可實現對整個煤層氣集輸系統各工藝部位的運行情況進行實時監控。

本系統上位監控層配置了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控數據，而Citect Client則主要負責采集現場流量信號、組態報警、趨勢、報表等任務。

3 冗余設計

冗余控制根據冗余實現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，通過軟件設計進行數據讀寫、儲存以及故障時的自動切換，其系統維護比較復雜，只能由專門的設計人員完成，因此只適用于生產工藝流程要求不高的場合。而硬件冗余設計之初就需要配置兩套完全一樣的系統，因此前期投入較大。硬件冗余系統一般配置一套主、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數據備用，當系統異常時，自動實現無間隙切換。這種冗余方式系統維護相對簡單，性能可靠，適合生產工藝要求高、反應速度快的危險工業場合。簽于煤層氣場站的實際情況，因此本煤層氣集輸控制系統選擇硬件冗余的控制方案。

3.1 硬件配置

要實現硬件冗余，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 備配置2個IM153－2，3個數字量輸入模塊，2個數字量輸出模塊，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

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

圖4 煤層氣集輸系統硬件組態圖

對中央處理單元只需對CPU0（機架0上的CPU）設置CPU參數，所設定的數值將自動分配給CPU1（機架1上的CPU）。需要設置的參數主要有掃描循環監視時間、過程輸入輸出映象，出現I/O訪問錯誤時調用OB85，還需要設置診斷緩沖區中的報文數量，模塊的監控時間以及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進行編譯。

3.3 通訊組態

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網絡，Profibus－DP現場總線采用雙線電纜傳輸，傳輸速率可以從9.6kb/s到12Mb/s，實現主站與從站間的數據傳遞，冗余的Profibus－DP網絡配置使得中央處理單元程序同時監控兩套通訊模塊的狀態及網絡通訊質量，起到限定當前工作通訊網絡和后備通訊網絡的目的；最后，在各部分控制器S7－200系列PLC、主控制器S7－400H冗余PLC以及上位監控服務器之間通過配置專用的工業以太網交換機，進而實現上位監控層與管理層的無縫連接。冗余連接網絡如圖5所示。

4 結論

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

圖5 冗余連接網絡圖

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