天然氣場站控制系統(tǒng)在長輸管道的應用

高京衛(wèi) 李曉莉

（陜西省天然氣股份有限公司 陜西省西安市 710016）

天然氣場站控制系統(tǒng)在長輸管道的應用

高京衛(wèi) 李曉莉

（陜西省天然氣股份有限公司 陜西省西安市 710016）

天然氣長輸管線是天然氣輸送的主要途徑，天然氣場站是管道輸送中的關鍵節(jié)點，天然氣場站的安全運行是天然氣輸送的最基本條件，如何運行安全成為重中之重，控制系統(tǒng)為長輸管線運行的中樞尤為重要，結合近年具體施工淺談控制系統(tǒng)在長輸管線的應用。PLC系統(tǒng)在實際工作中編程、控制，以保證生產運行安全。

長輸管線；SCADA；PLC；程序控制

1 引言

近些年長輸管線建設迅猛增長，隨著西氣東輸、漠大管線、中緬管線等長輸管線相續(xù)投產，對我們的生活、生產影響巨大，長輸管線在國家戰(zhàn)略、經(jīng)濟上的重要性不言而喻。這樣作為長輸管線本身的運行安全成為重中之重，控制系統(tǒng)為長輸管線運行的中樞尤為重要，結合近年具體施工淺談控制系統(tǒng)在長輸管線的應用。

長輸管線控制系統(tǒng)一般為SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA是以工業(yè)計算機為基礎的自動化監(jiān)控與PLC系統(tǒng)，廣泛應用于冶金、石油、電力、燃氣、鐵路以及化工等領域的過程控制和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制。PLC站控系統(tǒng)作為SCADA系統(tǒng)的重要一環(huán)，在天然氣長輸管道的安全運營中發(fā)揮著極其重要的監(jiān)控管理作用。是場站工藝數(shù)據(jù)采集、控制和傳輸，保證全線正常運行不可缺少的組成部分。

2 工程實例

位于寧夏自治區(qū)、四川省、貴州省境內的中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）管線天然氣長距離輸氣管線全線長約一千公里，沿途共有二十座分輸站或加壓站。使用美國Rockwell公司生產的PLC系統(tǒng)構成的分輸站或加壓站的站控系統(tǒng)，與位于北京的中國石油中心調度室通過衛(wèi)星通訊方式組成的SCADA系統(tǒng)，監(jiān)視、控制著全線各分輸站或加壓站的工藝過程，維護著全線生產的正常運行。

中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）天然氣長距離輸氣管線上的二十座分輸站或加壓站站控系統(tǒng)，依據(jù)其首站、分輸站、末站及加壓站的工藝要求分為三種方式，三種方式的系統(tǒng)構成如下：

首站、末站方式：由于首、末站在天然氣長距離管線輸氣中承擔著與天然氣供氣“上游”、用氣“下游”進行輸配和貿易交接的任務，為保證生產的安全、正常和穩(wěn)定，其站控系統(tǒng)采用了控制器冗余方式，以確保系統(tǒng)控制不間斷。

在系統(tǒng)中控制器CPU、電源、通訊均采用1：1的額熱備冗余，無論是CPU模塊還是電源模塊其中的任意一個發(fā)生了故障，將使用另一個無擾動方式的模塊來進行接替工作。

在系統(tǒng)中還設立終端顯示單元，向操作人員提供工藝過程和工藝數(shù)據(jù)顯示，如軟手動、自動控制、工藝設備手動等操作界面。還可以根據(jù)需要，通過終端顯示單元中的打印機打印報警記錄和工作報表。

站控系統(tǒng)主要通過衛(wèi)星通訊裝置或有線電話將本站地工藝設備、工藝參數(shù)等工作狀況實時地傳輸給調度中心，同時接受調度中心的控制指令。

分輸站方式：長達一千公里的中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）天然氣長距離輸氣管線共有輸氣站十二座，擔負著向沿途各用氣城市或單位輸配氣的作用。

加壓站方式：為提高天然氣輸送壓力，保證高峰期下游用戶用氣量的供給，中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）天然氣長距離輸氣管線沿線設有三座天然氣加壓站。其站控系統(tǒng)配置如下：

依據(jù)工藝相關要求，每座加壓站設置3～5臺壓縮機組，每臺使用一套PLC站對壓縮機組進行控制與監(jiān)視。然后將所有工藝監(jiān)控PLC站以及PLC站連接起來組成控制局域網(wǎng)。并且還有使用兩臺工業(yè)計算機實現(xiàn)對加壓站的工藝過程進行控制和監(jiān)視，與此同時，通過有線電話或者衛(wèi)星通訊裝置以及工藝監(jiān)控PLC站地冗余控制器來完成與控制調度中心的通訊。

另外，工藝人員可通過網(wǎng)絡打印機打印工作報表和報警記錄。

3 網(wǎng)絡與接口

3.1 主要通訊網(wǎng)絡介紹

ControlNet網(wǎng)絡是新一代自動化控制網(wǎng)絡，是一種可以在PLC之間，PLC與MMI操作站及I/O子系統(tǒng)間實現(xiàn)可冗余的、高速的通訊方式，而且滿足國際工業(yè)現(xiàn)場總線的相關標準。它最大能支持99個節(jié)點，最長的網(wǎng)絡傳輸距離達20KM（光纖通訊），它可以連接星型、樹型、總線型以及混合型等各種網(wǎng)絡拓撲結構。通過ControlNet可以實現(xiàn)關鍵性數(shù)據(jù)在單一網(wǎng)絡上完成傳送、處理器互鎖、I/O更新以及對等通訊等功能。Producer／Consumer通訊模式可以使不同的處理器之間．進行信號交換．I/O數(shù)據(jù)可以同時被多個設備共享。

3.2 場站與調度中心的通訊接口

ControlLogix控制器與調度中心的通訊接口。

ControlLogix系列的控制系統(tǒng)為與北京調度控制中心通訊提供了以太網(wǎng)通訊接口，通過通訊衛(wèi)星，可以直接對控制器的寄存器讀取或寫入數(shù)據(jù)，包括整數(shù)，浮點數(shù)與布爾型數(shù)據(jù)。實現(xiàn)站控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠程采集與控制。

3.3 ControlLogix控制器與SLC控制器的通訊接口

ControlLogix與SLC進行數(shù)據(jù)通訊通過模塊DH+RIO上的DH+接口。

3.4 站控系統(tǒng)與其他設備的通訊接口

ControlLogix控制器與他設備的通訊接口

首站的氣體組分分析儀采用的是Modbus通訊協(xié)議。ControlLogix PLC可以通過MVI56-MCM支持標準的ModbusMaster/Slave通訊協(xié)議，但分析儀采用的是非標準Modbus，所以選用了1756-MVID，此模塊支持用戶使用‘C’語言開發(fā)的通訊接口程序，1756-MVID提供2個RS-232/RS-485接口，依照分析儀的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議編寫‘C’語言，下載到1756-MVID，通過RS-232接口采集氣體組分分析儀的數(shù)據(jù)。

4 核心設備的控制

4.1 針對天然氣中的壓縮機控制方法

（1）壓力聯(lián)鎖控制

壓力聯(lián)鎖就是指：使用PLC對所有相關壓力測量點進行檢測，一旦壓力出現(xiàn)異常，就發(fā)出報警信號，告知操作人員處理。而當壓力值超過臨界值，壓力聯(lián)鎖程序就會立馬動作，關閉壓縮機，并將其開關閥設置到安全位置。

氣體濃度的聯(lián)控制指：在壓縮機四周設置檢測點，采集氣體的濃度信號。一旦發(fā)現(xiàn)氣體濃度大于爆炸下限50%LEL時，立即發(fā)出緊急指令，控制關閉壓縮機組，而一旦有停機反饋信號時PLC就關閉此機組地燃料氣閥，接著PLC就會根據(jù)反饋信號來關閉機組排氣總閥和進氣總閥。

（2）順序控制

壓縮機組順序控制有兩種方式，就是就地控制和遠程控制。當置為遠程時，通過壓縮機組上位機控制畫面上來啟動停機、卸載或者緊急停機等動作。而一旦PLC發(fā)出停機、卸載或者緊急停機的指令時，現(xiàn)場所有地壓縮機組都同時執(zhí)行這一相同動作。

4.2 計量支路PID流量的調節(jié)和控制

計量支路流量控制是天然氣輸管線中最常用的方法，其原理是依據(jù)上游的供氣壓力、下游的用氣量以及中心調度員地控制而調整，因此這就需要對大中小等各個不同地流量段產生了不一樣地控制要求。而我們常用地PID調節(jié)方法無法達到對不同特性進行有效控制地要求，經(jīng)過實際研究我們自己編寫流量控制程序，實現(xiàn)了分段進行PID調節(jié)。經(jīng)過實踐檢驗效果理想。

5 應用程序的編制與功能

加壓站PLC程序框圖：

（1）主程序（MainRoutine）。

（2）閥門控制子程序（ValveControl）。

（3）流量控制子程序（Flow）。

（4）報警子程序（Alarm）。

（5）連鎖子程序（InterLock）。

當發(fā)生壓力連鎖、可燃氣體連鎖和火焰報警連鎖時，向壓縮機發(fā)送停機信號。

（6）數(shù)據(jù)上傳子程序（UpLoad）。

將閥門狀態(tài)轉換為控制中心所需格式，以兩位表示閥門的三個狀態(tài)：01-全開；10-全關；11-運行。上傳的數(shù)據(jù)主要含有閥門狀態(tài)，中心控制狀態(tài)，壓力、現(xiàn)場溫度、差壓數(shù)值，氣體組份，管線流量及累計，孔板參數(shù)，可燃氣體濃度，差壓以及壓力地報警限和量程等。

（7）數(shù)據(jù)下載子程序（DownData）。

下載的數(shù)據(jù)主要含有閥門開關操作，氣體組份，孔板參數(shù)，差壓以及壓力地報警限和量程等。

（8）SLC通訊子程序（SLC_Comm）。

（9）AFC子程序（AFC）。

AFC模塊組態(tài)程序，根據(jù)AGA3標準計算氣體瞬時流量。

（10）時間同步子程序。

通過定期向超聲波流量計發(fā)送時間同步信號實現(xiàn)時間同步功能已達到流量計量結算時間上的一致性。

各個站的計算機連接調度中心的時間服務器，每個場站的PLC與但地的操作站做時間同步。

6 PLC系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試分以下幾個階段：

控制機柜、操作臺安裝就位；現(xiàn)場儀表與控制室的電纜接線及校驗完畢。

（1）檢查系統(tǒng)供電品質是否滿足PLC供電要求。

（2）檢查系統(tǒng)接地是否滿足要求。

（3）檢查控制溫濕度等環(huán)境是否滿足PLC工作要求。

（4）PLC系統(tǒng)上電。

（5）逐個通道做做回路測試，AI、AO、DI、DO 逐點測試。

（6）聯(lián)鎖回路模擬測試。

（7）與第三方設備通訊測試。

（8）操作員畫面的流程圖校對，各個數(shù)據(jù)校對。

（9）系統(tǒng)報警測試。

（10）歷史數(shù)據(jù)測試檢驗。

（11）與現(xiàn)場設備的聯(lián)動測試。

（12）聯(lián)鎖回路帶設備測試。

（13）孔板流量計計量精度的檢驗（通過加以模擬工況的現(xiàn)場參數(shù)，檢驗PLC的計算精度是否滿足要求）。

（14）與調度中心的數(shù)據(jù)上傳聯(lián)調。

7 結束語

中貴（寧夏中衛(wèi)-貴州貴陽）天然氣SCADA系統(tǒng)采用多種控制設備（儀表、閥門、PLC、監(jiān)控計算機等）。多種通訊方式（衛(wèi)星通訊，電話線通訊、以太網(wǎng)通訊、PLCControlNET通訊、串口MODBUS通訊等）。整個系統(tǒng)的建設、調試與維護需要多方面的技能，需要技術人員的不斷學習與鉆研。天然氣屬于易燃易爆氣體，關系到廣大人民群眾的生活與安全。這就要求我們在工作中終于職守，鉆研技術細心觀察，及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題，認真研究問題所在，防患于未然。

[1]1756 ControlLogix，1769 CompactLogix，1789SoftLogix，1794 FlexLogix，PowerFlex 700Swith DriveLogix《系統(tǒng)參考手冊》2005 Rockwell Automation Inc.

[2]鄧李，編著.《CONTROLLOGIX系統(tǒng)實用手冊》.北京：機械工業(yè)出版社，2008，1.

[3]錢曉龍，趙強，李成鐵，編著.ControlLogix系統(tǒng)組態(tài)與編程：現(xiàn)代控制工程設計.北京：機械工業(yè)出版社，2013，06.

TE991.8

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1004-7344（2016）13-0309-02

2016-4-15