SPC 控制器在天然氣生產現場的研發及應用

江元媛，王晨煜，李 正，蒲 偉

（重慶氣礦 重慶 400000）

1 引言

在自動化控制技術迅速發展以及現代化生產需求不斷提高的背景下，智能儀表取得了飛躍的發展和廣泛的應用，在工業自動化領域，自動檢測儀表是自動化控制系統的關鍵。目前天然氣生產現場傳統的自動化控制（如聯鎖報警）功能的實現，主要依賴儀表間PLC 或RTU 進行電源供電、信號連鎖和系統控制，涉及到站場內需要敷設許多電纜溝，對早期電線及信號線的線路敷設設計要求極高。除了存在電纜敷設距離過遠、電源欠壓、線路電流衰減及故障難以排查等問題，還難以在自控設備投運后增加新的聯鎖控制功能，也不利于設備維護保養

作為醫院在開展信息化建設活動的過程中，應當實現對醫院內部資料的及時溝通和共享，作為工作人員需要定期參加相關的培訓工作，如果條件允許也可以邀請一些專業的教師對工作人員展開培訓，除此之外，在科室內部也應當定期舉辦學習交流會，對于一段時間內工作過程中遇到的問題進行討論并且提出自身的心得和體會，以供其他人員進行參考。在交流活動推進的過程中，也應當不斷創新資源共享的方式，例如可以建立微信討論群，對工作業務變更以及工作內容展開及時的溝通交流，一旦遇到問題也能夠尋求他人的幫助共同解決。在這樣的基礎之上，不及維修。

為解決這一復雜的生產安全難題，科研項目組利用集成電路（IC）及分程控制技術，提出一種轉換求取分程點的理論計算思路，研究開發出一種可處理儀表輸出信號傳輸的SPC（Signal Process and Control）控制器，并將其試用于天然氣生產現場的固定式氣體檢測儀。很多早期安裝的固定式氣體檢測儀因出廠前未設計報警繼電輸出，缺少就地聲光報警功能，無法滿足安全管理雙重預防機制的基本要求。SPC 控制器的現場應用，使缺少報警驅動功能的固定式氣體檢測儀能夠加裝就地聲光報警器。

2 SPC控制器集成電路設計

2.1 集成電路與分程控制技術

集成電路（Integrated Circuit）技術，是將一個電路所需要的晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路規則連線，通過半導體工藝集成一個具有特定電路功能的微型結構。隨著集成電路技術的持續發展，不同類型的集成電路相互鑲嵌，可以將數字電路、存儲器、MPu、MCu、DSP 等一個電子子系統或整個電子系統集成在一個芯片上，從而完成在單一芯片上實現信號采集、轉換、存儲、處理和I/O 等功能。

在傳統信號控制系統中，通常每個控制器的信號輸出只驅動一臺被控單元工作，分程控制技術就是改單點控制為一點雙控，將單個控制器的輸出信號通過規則加以區分，被分割成若干個信號范圍段，而每個被控單元僅在控制器輸出的某個信號范圍段內動作，從而實現以一控多的目的。

目前大部分天然氣場站主要依賴可編程邏輯控制器（PLC）或遠程終端單元（RTU）實現現場儀表及執行器的電源供電、信號傳輸、聯鎖控制等功能。現場執行器（如電動閥門、電動泵、聲光報警器等）實現自動化聯鎖控制功能，需要在信息化建設工程設計期間就充分考慮現場執行器的供電線路、信號傳輸線路等工作量，若考慮不足，不僅成本投入大，更容易造成生產現場線路敷設混亂、線路電流相互影響、故障排查難度大等問題。如果能夠在生產現場就地加裝一個體積較小的智能驅動模塊，根據儀表檢測信號就地驅動現場執行器動作，可以極大程度上減少經濟費用和人力投入，見圖1 所示。

圖1 SPC 控制器生產現場連接示意圖

2.2 SPC 控制器集成電路設計

集成電路的設計是SPC 控制器實現信號傳輸、分析和控制的關鍵。項目組通過研究分程控制系統技術，自主設計的集成電路圖，把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O 口和中斷系統、定時器/計數器等功能（包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D 轉換器等電路）集成到一塊硅片上，構成一個小而完善的微型系統，實現了“SPC控制器”在小體積的條件下同時具有信號傳輸、處理和就地控制功能，也能擁有良好的信號隔離的功能，PCB 樣板見圖2 所示。

圖2 研發的SPC 控制器PCB 電路正、反截圖

SPC 控制器的集成電路由七個單元組成，分別為電源單元、信號采集單元、內部溫度采集單元、中央處理單元、報警輸出單元、通訊傳輸單元以及LED 顯示單元。信號采集單元用于采樣輸入的電流信號，利用兩個ADC 采集通道形成差分采樣得到電流信號的AD 采樣值，用于計算信號電流值，并將電流信號轉換為數字信號；內部溫度采集單元用于采集溫度傳感器的電阻值，并將溫度傳感器的電阻值轉換為數字信號；中央處理單元用于通過信號采集單元送來的數字信號計算出電流值，通過內部溫度采集單元送來的電阻值計算出溫度值；報警輸出單元用于通過中央處理單元計算出的電流值做出相應的報警輸出；LED 顯示單元通過中央處理單元計算出的電流值顯示綠、橙、紅三種不同顯示；通訊傳輸單元用于485 信號傳輸；電源單元用于給中央處理單元、報警輸出單元、通訊傳輸單元提供3.3V、24V、12V 和5V 直流電壓。

3 SPC控制器的現場運用

3.1 SPC 控制器性能測試

經過實驗室多次試驗打樣，最終成品的SPC 控制器采用雙面結構PCB 板，元器件排布緊湊，減小“SPC 控制器”體積，同時抗干擾性能強，電磁兼容性好。核心元器件采用集成雙通道Σ-Δ 型ADC 和ARM Cortex-M3 的低功耗精密模擬微控制器“ADuCM360”，可通過編程方式設定相關參數。SPC 控制器成品按照分程控制邏輯編寫“STM32”基礎程序，并預留相應的接口，充分考慮產品的功能擴展需求，使SPC 控制器在實際生產過程中能夠適應各種需要儀表信號進行觸發的弱電就地控制需求。

項目組嚴格按照標準GB3836-2010 及GB/T 28272-2012設定“SPC 控制器”成品各項測試數據標準，模擬多種實驗環境對SPC 控制器樣品性能進行驗證。最終確保SPC 控制器的準確度、回差、重復性誤差、始動漂移、長期漂移、浪涌抗擾度等各項技術指標均能達到設計要求標準。

3.2 SPC 控制器現場應用

天然氣生產場所最危險的介質為可燃氣體和硫化氫氣體，安裝固定式氣體檢測儀監測危險介質作為生產場所最有效可靠的安全管控手段，被廣泛應用于各類天然氣生產場所。隨著智能儀表的更新換代以及現場安全管控標準的不斷提高，部分早期安裝的固定式氣體檢測儀出廠時因未設計報警驅動功能，缺少就地聲光報警功能，無法滿足安全管理雙重預防機制的基本要求，直接危及現場安全生產。

不同廠家生產的固定式氣體檢測儀有著大不相同的結構，通過對天然氣生產現場的前期調研，目前各天然氣場站使用的固定式氣體檢測儀品牌多為無錫梅思安、無錫格林通、哈爾濱東方報警設備開發有限公司。項目組通過3D 建模和現場實驗優化了SPC 控制器的排布結構，使SPC 控制器模塊能夠安裝于各種類型的檢測儀，并滿足相關標準規范，實現未帶報警驅動功能的固定式氣體檢測儀能夠就地聲光報警功能，并能達到在氣體濃度達到1 級報警闕值時報警，氣體濃度降到報警闕值以下自動停止報警的要求[1-3]，見圖3所示。

圖3 不同結構的SPC 控制器排布設計

4 結語

隨著時代的發展，尤其是5G 的迅速發展，傳統的通訊模式即將淘汰，取而代之的是基于5G 的物聯網控制，天然氣生產站場遍布各種各樣的傳感器，但涉及到工業生產行業，凡事都需要“雙保險”，直接靠儀表輸出的信號進行就地控制的功能需要保留，如何實現傳感器的自我賦能將成為我們的主要研究方向。在此發展趨勢下，項目子所研究的“SPC 控制器”在維護保養、故障排查及建設成本方面均優于PLCRTU 控制系統，解決分離儀表輸出信號的難題，并且用戶自定義功能使其能夠滿足不同的控制需求。SPC 控制器目前已經成功試用于固定式氣體檢測儀的聲光報警功能，未來可以拓展運用于自動藥劑加注、聯鎖控制、報警控制等不同天然氣生產現場，提高天然氣場站的安全管理水平，實現以低成本就地自動控制穩定運行。