基于PLC的煤層氣無人值守集氣站控制系統

陳光益，周楊飛（中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，山西 忻州 036699）

基于PLC的煤層氣無人值守集氣站控制系統

陳光益，周楊飛（中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，山西 忻州 036699）

隨著煤層氣氣田數字化水平的不斷提高和低成本開發的需要，集氣站逐步向無人值守方向發展，本文以中石油煤層氣保4無人值守集氣站的實際建設為實例，從硬件系統、軟件系統兩方面描述了無人值守集氣站的結構和工作過程；自2015年5月該無人值守站投產運行以來，經過長時間的完善,目前無人值守站系統運行效果良好。自該系統運行以來，作業區監控室得以實現24h不間斷實時監控集氣站生產運行情況，遇到緊急情況可以在第一時間發現，并且進行遠程控制和指揮。最大程度為集氣站安全平穩運行提供保障，同時降低了員工的生產勞動強度改善人員生活環境。

煤層氣；無人值守；實時監控；數據遠傳；站控系統；

1 集氣站工藝及生產信息

全橇裝無人值守保4集氣站位于山西省忻州地區保德縣韓家川鄉豆塔村。該站將保德區塊煤層氣集輸管網來氣分離、增壓、脫水后外輸。設計煤層氣處理能力為50×104Nm3/d，進站氣壓力0.02～0.25MPa，經過處理后外輸，外輸壓力0.8～1.20MPa，氣質滿足《天然氣》中規定的二類氣的氣質要求，水露點滿足管輸要求。工藝原理如圖1所示。

圖1 集氣站工藝框圖

2 站控PLC系統

PLC控制系統選用UWinPAS500集散控制系統，具有可靠性高、系統開放、功能強大、維護簡便的特點。系統固件平均無故障時間（MTBF）見表1，平均故障修復時間（MTTR）為30分鐘。控制系統的控制器、電源、通訊網絡均為1:1冗余配置。

表1 系統固件平均無故障時間

2.1 PLC采集的信號

保4集氣站采用全橇裝化生產裝置，各生產單元具備獨立的控制器，實現了站內生產流程的分布式控制與集中管理。

系統共設計有16臺工藝裝置需要與站控系統進行數據通信：5臺螺桿壓縮機、3臺螺桿壓縮機變頻器、1臺恒溫露點控制橇、4臺外輸流量計算機、1座散放管、1臺UPS、1臺EPS數據。各個裝置的數據通信采用國際標準MODBUS通訊協議，通過485通信線纜實現。另外，站內生產現場的1臺進站分離橇、2臺過濾分離橇、2臺外輸橇及部分儀表數據和設備需要由站控DCS系統直接采集和控制。

系統一共采集8個AI、2個AO、32個DI、56個DO、16路RS485信號。

2.2 系統功能

站控系統上位機采用UWinPAS500 DCS畫面組態軟件設計開發完成，主要完成的功能有：

流程數據實時監測：通過主工藝流程界面及各工藝橇流程界面，可以實現對站內各數據采集點的實時監測。

運行狀態實時監測：通過主工藝流程界面對各閥門的開關到位及故障狀態、可燃氣體報警狀態等進行實時監測。

遠程控制：DCS平臺對各電動機構的控制具備“自動”和“手動”兩種方式。自動方式下，由采集到的現場生產數值聯動控制電動執行機構進行相應的啟停或開關動作。手動方式下，由操作員點擊人機界面的按鈕實現對電動執行機構的啟停或開關操作。站控平臺可手動控制壓縮機啟停機、恒溫露點撬啟停機、外冷撬啟停機，放散管開關。另外站控平臺可全廠系統聯鎖、ESD聯鎖控制壓縮機停機、恒溫露點撬停機、外冷撬停機、進出站閥門關閉、放空閥門開啟。

報警功能：DCS平臺可以對采集到的超出正常范圍的數值進行實時報警提示，并生成報警記錄以便查詢。對現場ESD緊急狀況進行聲光聯動報警。

報表及曲線生成：DCS平臺可以依據實時數據和歷史數據生成生產運行報表及曲線，并可實現報表的導出和打印功能。

2.3 系統結構

保4集氣站自動化系統整體采用分布式結構，由工藝橇有各自的控制器，而后通過485通訊線纜基于MODBUS-RTU協議與中控室DCS進行生產數據的交互。中控室DCS與站控PC通過百兆工業以太網交換機基于TCP/IP協議進行通信。系統整體結構如圖2所示。

圖2 系統整體結構

2.4 系統硬件

該系統包括類現場設備層、數據處理層、監控操作層。

（1）現場設備層

現場設備主要是壓力表、溫度表、液位計、電動閥門、以及流量計算機、恒溫露點橇、壓縮機、放散管等第三方設備自帶控制系統通過RS485接口、MODBUS RTU協議將相關數據傳送至站控計算機；

（2）控制和數據處理層

過程控制層的核心設備為PLC。本站PLC系統由CPU模塊、AO模塊AI模塊、DI模塊和DO模塊構成。

（3）監控操作層

監控操作層功能主要依靠工控機和監控終端設備實現。

2.5 系統軟件集成情況

站控系統軟件選用UWinTech控制工程應用軟件，該軟件是應用于UWinPAS500集散控制系統的軟件包。UWinPAS500集散控制系統的軟件體系包括工程師站組態軟件、操作員站實時監控軟件及現場控制站實時控制軟件三大部分，三部分軟件分別運行在不同層次的硬件平臺上，并通過控制網絡、系統網絡進行通訊，彼此互為配合、互為協調，交換各種數據及管理控制信息，完成整個集散控制系統的各種功能。

3 站控PLC系統運行

3.1 站內工藝生產集中監測

通過站控PC集中顯示集氣站內壓力、溫度、液位、流量、設備運行等工藝參數信息，包括實現對集氣站現場的參數設置高低限，并對參數超越界限時進行報警，按照集氣站工藝生產的需要自動生成各種報表等功能。

3.2 電動閥門的操縱

站控平臺對電動閥的控制具備“手動”、“自動”兩種方式。自動方式下，由采集到的現場生產數據值或ESD聯動控制電動執行機構進行相應的起停或開關動作。手動方式下，由操作人員點擊人機界面的按鈕實現對機構的起停或開關操作。為保證生產安全還增設放空降壓的安全閥。

3.3 壓縮機的控制

設備自帶PLC控制系統，按照無人值守的技術要求進行配置，作用是完成對工藝氣的增壓。站控平臺對壓縮機的控制具有“連鎖控制”、“人工”兩種方式。自動方式下，由采集到的現場生產數據值聯動控制壓縮機的停機動作。手動方式下，由操作人員點擊人機界面的按鈕實現對壓縮機的啟停及能量調節操作。

3.4 恒溫露點橇的控制

設備自帶PLC控制系統，按照無人值守的技術要求進行配置，作用是對螺桿壓縮機增壓后的煤層氣進行脫水以滿足管輸要求，工藝為外制冷低溫脫水。站控平臺對壓縮機的控制具有“連鎖控制”、“人工”兩種方式。自動方式下，由采集到的現場生產數據值聯動控制恒溫露點橇的停機動作。手動方式下，由操作人員點擊人機界面的按鈕實現對恒溫露點橇的啟停操作。

3.5 放散管控制

設備PLC控制系統。當放散管檢測到氣體流量信號時將自動啟動點火裝置。

3.6 基于OPC的數據集成

UWinTech 工業控制應用軟件能夠全面支持OPC標準的組態上位機軟件。保4集氣站以UWinTech3.0開發的監控系統為OPC服務器，以分公司調度中心采用其他方式開發的監控系統為OPC用戶端，通過編寫規范的接口函數，實現客戶端訪問對應的服務器，最終實現集氣站與分公司的數據集成。

4 總結

本文介紹了PLC在保4無人值守集氣站的實際應用，選擇性能優越的核心控制器實現集氣站的控制要求。該系統不僅可以應用于集氣站，還可應用于化工、制藥、油田、石化、鋼鐵、能源、建材、輕工、造紙、環保等行業。不論何種自控系統，它的核心基本理念都是相似相通的。無人值守集氣站的實現改變了原有管理模式，提高了員工的素質和工作水平。減小了一線員工的勞動強度，提高了勞動效率，最大限度地保證了一線值班員工的人身安全，優化生產過程，提高了操作效率，減少了油氣生產的人工操作成本，具有良好的應用前景。

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The Control System of Unattended Coalbed Gas Gathering Station Based on PLC

Due to the continuous improvement of digital coal seam gas feld and the requirements for low cost exploitation, gas gathering stations are gradually developing towards unattended. In this article, we take as example the practical construction of the unattended gas gathering station in oil gas Bao 4, to describe the structure and working process of unattended stations from both hardware and software system aspects. The unmanned station systems provide protection for the safe and stable operation of the gas gathering station, reduce the labor intensity of the workers and also improve their living environment.

Coal gas; Unattended; Real-time monitoring; Data transmission; Station control system

陳光益（1989-），男，漢族，四川瀘州人，助理工程師，學士學位，主要研究方向為測控技術與儀器。

B

1003-0492(2016)12-0086-02

TP273

周楊飛（1987-），男，漢族，江西九江人，助理工程師，主要研究方向為油氣儲運技術。