基于PLC的浸沒燃燒式氣化器控制系統設計

石東東

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

0 引言

浸沒燃燒式氣化器(SCV)是將液態天然氣(LNG)轉化成氣態天然氣(NG)的大型LNG氣化設備之一，廣泛應用于大型LNG氣化站、LNG接收站等。SCV涉及可燃氣體、深冷液體、高溫燃燒爐等多種高危因素，穩定可靠的SCV控制系統對LNG場站的穩定、安全運行至關重要。

基于可編程邏輯控制器(PLC)的控制系統穩定、可靠，廣泛應用于工業生產的各個領域。本文基于SCV汽化工藝要求，設計了一種基于西門子S7-400系列PLC的SCV控制系統。

1 SCV的工作原理和控制功能要求

1.1 SCV的組成和工作原理

SCV的作用是將-162 ℃的LNG轉化為5 ℃左右的NG，它由熱源工藝系統、熱交換工藝系統、LNG和NG傳輸工藝系統等組成，如圖1所示。

圖1中，燃料氣與空氣混合后在燃燒爐中燃燒形成熱空氣，鼓風機將熱空氣通過氣泡管道吹到水槽，水槽內的水被加熱。液態天然氣LNG注入換熱管束，并通過換熱管束吸收水槽熱水的熱能變成氣態天然氣NG。

圖1 SCV組成

1.2 生產工藝對控制功能要求

熱源工藝系統包括鼓風機、燃燒爐和燃料氣系統等。為監測風機健康狀態，控制系統應檢測電機和風機軸承的溫度和振動值。為確保系統安全，需要檢測風道內空氣壓力和爐內點火狀態，并控制冷卻泵降低燃燒爐溫度。為產生穩定的熱源，需要檢測廢氣溫度，控制燃料氣進氣量和風道進風量等。

熱交換工藝系統包括熱風管道、水槽和換熱管束等。在該工藝系統中，控制系統需要完成水槽pH值、水槽水溫及水槽液位的閉環控制。

LNG和NG傳輸工藝系統需控制LNG輸入量，檢測NG出口溫度并完成NG溫度閉環控制。另外，SCV控制系統需要和工廠分布式控制系統(DCS)、安全儀表系統(SIS)交換控制信息，與工廠其他工藝系統配合完成相應的工作并確保安全運行。

2 PLC控制系統硬件設計

如圖2所示，SCV控制系統以PLC為核心，通過信號線纜與現場傳感器和現場執行器等連接，接收現場傳感器的狀態、指令等信號，并向執行器等輸出執行命令等。通過通信線纜與人機交互系統(HMI)、遠程DCS和遠程SIS等連接，完成SCV生產工藝及安全運行對PLC的要求。

2.1 PLC主站及硬冗余設計

SCV控制系統采用了西門子S7-400系列PLC，并選用了該系列具有冗余功能的412-5H型CPU。PLC設計3個站，2個硬冗余主站和1個從站。

SCV控制系統利用西門子成熟的冗余控制技術，設計了較高級別的硬冗余系統，不但CPU模塊冗余，同時電源模塊、通訊模塊和接口模塊也做了冗余設計。PLC冗余系統2個冗余主站一用一備，當主站1出現故障時系統平滑切換到備用主站2，當故障主站1修復后系統再平滑切換回主站1。如圖2所示，為實現冗余功能，每個主站設計3個模塊，分別為電源模塊、CPU模塊和冗余同步通訊模塊。同時，從站配備2個IM153模塊，用于實現冗余I/O功能。

2.2 PLC從站

PLC設計1個從站，由12個模塊組成(見圖2)。除了電源模塊和2個IM模塊外，剩余9塊屬于I/O 模塊。

圖2 PLC硬件系統及網絡系統圖

編號為M1～M4的I/O 模塊為西門子模擬量輸入模塊(AI)，用來接收現場液位、溫度、流量、壓力、振動等模擬量信號。

編號為M5、M6的I/O模塊為西門子開關量輸入模塊(DI)，其作用是將PLC外部的操作命令和設備狀態等開關量信號傳送給CPU。SCV手動控制操作功能大部分布置在SCV主機旁的LCP上，M5與LCP連接，接收LCP按鈕的啟停狀態命令。控制室CP面板上裝有簡單的CP/LCP切換旋鈕、電源通斷旋鈕，這些信號同樣傳遞給M5模塊。M6主要接收現場設備運行狀態等開關量信號。

編號為M7、M8的I/O 模塊為西門子開關量輸出模塊(DO)。M7的作用是接收CPU的指令，傳輸給現場執行機構。M8的作用是根據CPU的命令，點亮CP、LCP上的各種指示燈。

編號為M9的模塊為西門子模擬量輸出模塊(AO)，它控制燃料NG管道和空氣管道閥門，控制燃料和助燃空氣供給流量，調整燃料和空氣混合配比。

2.3 PLC與DCS、SIS

SCV是LNG氣化場站的重要設備之一，同一場站同時安裝數臺SCV，因此，需要DCS與SCV通訊，協同SCV之間以及SCV與工廠其他工藝系統的配合工作。例如，DCS向SCV下達單元啟停指令，SCV需要向DCS傳遞報警/急停信號和LNG準許釋放命令等。

SIS負責工廠控制系統報警和聯鎖控制，同樣需要與SCV關聯控制。例如，SCV需要向SIS傳遞未檢測到火焰(點火失敗)信息，SIS啟動相應的應急處理程序。

3 PLC系統軟件及網絡通訊

3.1 軟件系統

PLC中的冗余CPU運行PLC控制程序，即下位機程序。下位機程序采用西門子STEP 7編程軟件平臺，采用模塊化程序設計思想及STL編程語言。HMI面板運行上位機程序，采用西門子WINCC編程平臺編程。SCV控制系統的HMI面板主要用于工藝參數的設置、觸摸控制、實時監控、報警處理、分析報表及打印等。

3.2 控制系統網絡通訊

通訊網絡的搭建是控制系統設計的重要環節。SCV控制系統通訊網絡可分為三層，即最高層、中間層和最低層。

中間層是指PLC控制器內部模塊之間的通訊，屬于總線型通訊網絡，包含主站與從站之間的通訊和兩個冗余CPU之間的通訊。如圖2所示，冗余CPU 1模塊和CPU 2模塊之間用2根光纜(PIBER-OPTIC)連接，用來同步冗余數據。2根光纜相互獨立，確保其中一根發生通訊故障時另一根處于工作狀態。冗余CPU 1 模塊和CPU 2模塊分別與從站的IM1和IM2模塊通過現場總線網絡(PROFIBUS)連接，用于CPU與I/O模塊之間的數據交換。

最高層是PLC與HMI、DCS等上位機之間的通訊，屬于以太網(ETHERNET)型的通訊網絡。DCS軟件系統為西門子品牌之外的工業控制系統，因此西門子PLC與DCS通訊采用了比較中立的工業以太網通訊網絡(MODBUS)。另外，HMI與CPU的組網采用了通用的ETHERNET通訊方式。

最低層是PLC的I/O模塊與現場傳感器、執行器及SIS系統等之間的信號傳遞。這里傳遞的是4 mA～20 mA電流信號或24VDC電壓信號。

4 結論

本文闡述了以西門子S7-400系列PLC為核心的SCV電氣控制系統，經過長時間的運行表明：

(1)系統電氣控制設備選型恰當，檢測點布置合適，檢測到的數據真實可靠。

(2)控制系統通訊網絡數據傳輸穩定，控制系統與DCS、SIS等系統通訊可靠。

該系統穩定可靠，滿足LNG場站對SCV工藝需求及安全要求，該系統的研究設計為其他類型的LNG氣化器研究積累了經驗。