基于PCS7的煤礦瓦斯氣集輸冗余控制系統研究

（山西銘石煤層氣利用股份有限公司 山西 048002）

引言

1.總體設計

生產過程主要是礦井下的低濃度瓦斯經抽采后，儲存于兩臺煤氣柜中，由兩臺壓縮機進行增壓和脫水裝置脫水后，通過計量裝置，再利用長輸管線輸送至高莊集氣站。在此生產過程中，由空壓機為儀表系統提供壓縮空氣，制氮機為螺桿壓縮機提供密封氮氣，由溴化鋰裝置為脫水系統等提供冷卻水，由水處理裝置為系統提供軟水，供電系統保障整個系統的供電。整個系統的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 系統工藝流程圖

該增壓站控制系統采用現場層、工廠控制層、人機操作層的典型三層結構。

現場層主要是通過Modbus、Profibud-DP及Profibus-PA等總線，將現場的風機、水泵、閥門、溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、物位傳感器、濃度傳感器、供電綜合保護等IO設備連接入一套冗余的PCS7控制系統中。

工廠控制層采用冗余的PCS7處理器對現場層設備進行控制，并將設備信息傳送至人機操作層。

人機操作層采用為PCS系統集成的Wincc軟件，經典的Wincc軟件，利用開放的現場總線和工業以太網實現現場信息采集和系統通訊。

2.煤礦瓦斯氣集輸冗余控制系統的設計

(1)現場層的設計

現場控制層主要由單體成套設備，智能總線儀表設備，以及傳統的IO設備構成。單體成套設備包括溴化鋰裝置、脫水裝置、空壓機系統、制氮機系統、壓縮機系統、瓦斯濃度安全檢測系統、供電綜合保護系統等。溴化鋰裝置、脫水裝置、空壓機系統、制氮機系統、壓縮機系統通過工業以太網總線接入控制系統中；瓦斯安全檢測系統和供電綜合保護系統通過Modbus接入控制系統中；流量計、壓力傳感器等智能總線儀表通過Profibus-PA和DP/PA耦合器接入控制系統中；閥門、電機等設備通過傳統的IO模塊接入到控制系統中。

(2)工廠控制層

工廠控制層由一套冗余的故障安全型PCS7處理器AS410 FH，兩套ET200M組成，ET200M中安裝故障安全型IO模塊。

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通過工業以太網總線通訊的單體設備，都采用S7-300處理器，并在項目的組態網絡中組態后，與PCS7處理器進行數據交換。

通過Modbus總線通訊的設備，由在ET200M機架中安裝有CP341總線模塊與設備連接，并與PCS7處理器進行數據交換。

智能總線型儀表，統一采用Profibus-PA總線，經過DP/PA耦合器，在硬件組態中進行組態后，與PCS7處理器進行數據交換。

傳統的設備，如閥門，電機等，接線進入ET200M的I/O模塊，由PCS7進行數據處理。

(3)人機操作層

人機操作層由一臺工程師站，一臺OS服務器，兩臺OS構成。在工程師站上，將程序編輯完成后，下載至控制器；將OS畫面編輯完成后，分別下載至OS服務器和OS客戶端，由操作人員在OS客戶端上進行設備監控。

PCS7的畫面編輯軟件為系統集成的Wincc，相比于傳統Wincc，PCS集成的Wincc可以更好的與程序相結合，應用高級過程庫的設備，在Wincc畫面中將自動形成，并集成參數設置，實時趨勢等功能，大大簡化工程師的工作量。

3.故障安全型系統設計

(1)故障安全型的定義

故障安全，指的是當設備發生故障時，能將其自動導向安全位置或狀態的技術。最早應用于鐵路的信號系統，不僅涉及到系統的可靠性評估等理論和算法，還要涉及到信號的連鎖、系統的冗余技術、故障的檢測和報警技術、應用的頂替技術等各種軟件和硬件的技術，故障安全原則目前被應用在許多場合，在各行業中也都有具體的系統或者產品來實現故障安全的原則。

(2)系統硬件配置

S7-F系統是西門子故障安全型自動化系統。比較常見的是S7-400F系列CPU，例如CPU410-5H、CPU412-3H、CPU417-4H等。西門子S7-400F故障安全型系統經常用在中大規模的自動化控制系統，當其中一個或多個自動化裝置發生故障的時候，這個系統仍然能夠保持安全功能不丟失，保證系統安全穩定運行，在發電、化工、冶金等行業中廣泛采用。

西門子S7-F系統的處理器主要特點有：極高的處理速度和通訊性能，可在運行中更改組態，PROFIBUS上具有等時模式，具有故障安全類型和容錯類型，可進行熱插拔等特點。

S7-F系統的處理器I/O模塊主要特點有：防護等級為IP20（在控制柜中）和IP65/67（無控制柜），可在操作中替換模塊，具有故障安全類型，微存儲卡上具有數據保持功能，無需維護等特點。

本系統采用西門子最新推出的性能先進的AS410FH故障安全型冗余處理器套組件，其中包括CPU410-5H兩塊和100 OP授權，系統配置冗余的IM153-2通訊模塊，故障安全型的DI、DO和AI模塊。保證整套系統通過安全檢測，安全評估，安全輸出的整個流程。

(3)系統組態

在多重任務中，對工程師站（ES），操作員站（OS），服務器（SR）以及自動化站（AS）分別進行組態。組態使用PCS7系統集成的HW-Config功能，對系統配置中的各種硬件進行相應的參數配置。

針對工程師站（ES），操作員站（OS），服務器（SR），組態中需要配置IE通用和Wincc應用，這樣才能保證系統互通，并可以通過工程師站對操作員站和服務器進行下載。

針對F型的CPU，模塊配置中，需要設置讀/寫保護等密碼設置，以及是否含有安全程序，是否保護所有CPU等選項。設置密碼后，要將密碼記錄下來，在以后修改程序中，需要進行密碼確認。

對于F型的I/O模塊，在參數設置中，需要設置目標地址，并與模塊硬件實際撥碼相對應，否則組態后無法識別。在通道設置中，需要對安全評估進行設置，針對現場接線情況，可選一對一評估或者一對二評估，針對未使用通道，可以選擇不激活，或者激活后，在接線端子側進行處理。

對于現場總線儀表，通過配置DP/PA耦合器，將儀表的GSD文件導入，進行地址配置后，在CPU中即可對其進行使用，可以大大減少I/O模塊使用量，減少線纜數量，減少故障點，提高系統可靠性。

(4)系統通訊組態

本系統的通訊主要分為以太網、Profibus-DP、Profibus-PA和Modbus四種通訊。自動化站與服務器、工程師站、操作員站之間通過以太網通訊；自動站中的CPU與I/O之間通過Profibus-DP通訊；CPU與智能總線儀表通過Profibus-PA通訊；CPU與485接口的儀表等通過Modbus進行通訊。

在系統通訊組態中，需要將CPU對工程師站和服務器進行單邊S7通訊配置，并對壓縮機系統的S7-300進行S7單邊通訊。與脫水系統、制氮系統、溴化鋰制冷等系統只是顯示，通過PCS7系統集成的Wincc，與這些系統進行OPC通訊。

其它通訊經過硬件配置后，在通訊組態中將自動生成。

Modbus通訊是通過對CP341進行編程，達到與CPU進行數據交換。

4.結論

采用PCS7控制的煤層氣增壓站系統，對自動化站，服務器，工程師站，操作員站以及各種儀表，設備的連接層次分別為，應用穩定，故障率極低，報警等信息能夠及時快速反映到操作界面上，大大降低維護操作人員的工作強度，并且該系統有良好的擴展性，可在線不停機進行軟硬件修改。綜上，該系統可在以后的煤層氣增壓站系統中進行推廣應用。