基于PLC的燃氣場站自控系統設計

曾維康

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州510000）

燃氣場站，是指使用氣源性質為天然氣的易燃易爆場所，一般為管網源頭或者是有天然氣儲存的地點，可大致分類為LNG 儲配站、天然氣門站、調壓站、CNG 加氣站等。站控系統是以計算機和工業控制技術為核心的控制系統，由它完成對場站的監控。它由站控中心、站控系統PLC 控制站、站控設備等組成。站控中心的操作人員通過系統所提供的壓力、溫度、流量、設備運行狀態等信息，完成對所有場站設備的運行監控和管理。本文章將講述基于PLC 的燃氣場站自控系統建設的具體應用，與實際狀況相結合,采取有效的自動化管理的手段,實現場站自控系統的科學運營。

1 應用范圍

適用于使用西門子S7-300、西門子S7-1200、等PLC 設備與力控、INTOUCH、IFIX、KINGVIEW、MCGS 等上位機組態軟件組成的燃氣場站控制系統的調試和配置。系統軟件為windows平臺，本文的舉例是以西門子PLC300 為核心的場站控制系統。場站自控系統是整個燃氣場站安全運行的必要操作監控手段，因此，場站控制系統軟件必須穩定可靠，而且要有較強的通用性，便于第三方設備的通訊讀取。

2 自控系統詳細功能

2.1 系統結構

場站控制系統硬件組成主要由場站工控機（即站控電腦）、PLC 控制柜、通訊數據接口等組成，必要時加入UPS 不間斷電源作為供電保障。現場設備流程主要為：PLC 控制柜通過配套AI、DI、AO、DO、485 通訊模塊等硬件連線與現場設備通訊，把現場的信號源通過PLC 控制柜轉換成能與上位機通訊的協議，利用場站實際要求開發的站控工程控制系統經過局域網與PLC控制柜進行數據通訊，把現場設備相關參數經過程序換算處理后直觀地展示給用戶。具體結構圖如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

PLC 控制柜主要由CPU 模塊、冗余電源、遠程I/O 模塊、通信模塊、直流穩壓電源等組成，IO 點數需滿足系統要求，并配置足夠的備用通道，便于以后擴增設備。

2.2 PLC 程序編制流程

一般需要根據項目相關自控圖紙中所述邏輯要求，對PLC程序制定大概的框架，可以將一個標準燃氣場站整體程序功能塊劃分為：模擬量AI 轉換處理，AO 輸出處理，開關量DI 輸入與DO 輸出聯鎖處理，外部485 通訊發送與接收處理，聲光報警聯鎖輸出，閥門連鎖控制，協議轉換處理，以及西門子PLC 程序自帶的主功能循環區，上電初次調用區，數據存放區等。如圖2所示。

圖2 S7-300 程序塊中各項目功能分類編程

2.2.1 模擬量AI 模塊轉換

燃氣場站中工藝區相關模擬量參數一般為測量管道壓力、溫度、儲罐液位、差壓及燃氣泄露探頭的變送器，此類儀表多為二線制或三線制接線方式，主要傳輸4-20mA 電流型數據。以s7-300 程序架構為例，為實現將現場儀表原始數據正常采集至PLC 中，需考慮其硬件組態中AI 模塊輸入信號的類型及量程范圍。此時需注意如果選擇0-20mA 需在編程中將4mA 對應裸數據做初始值過濾。在設計程序時可根據需要增加對數據在報警限值波動頻繁觸發報警的死區濾波功能。

2.2.2 RS-485 通訊處理

燃氣場站內涉及RS-485 通訊的設備較為固定，所有工藝區必須有對燃氣進行計量的流量計裝備，市面上的流量計已基本支持485 通訊，部分可燃氣體泄露探頭可同時支持模擬量與485 通訊方式，另有燃氣加藥控制器，加氣站壓縮機組，燃氣組份分析小屋等設備的485 通信。485 通信編程處理通常為燃氣場站PLC 程序中的主要部分，因部分流量計為自定義通訊協議，為制定兼容性較強的程序框架，本文所提項目中采用S7-300PLC 自由口通信編程方式（利用FB2 及FB3 功能塊），不使用西門子原有modbus 程序擴展包。需要注意的是自由口通信需要自定義通訊模塊的收發內容、時間間隔、多次校驗、故障自診斷恢復等子功能，以達到長久運行能夠穩定采集的目的。以國產天信流量計為例，其默認1.3 協議為自定義協議，需要在程序中根據其協議規定下發數據幀，判斷返回幀長、校驗，然后進行數據解包，輸出存放至已規劃好的地址區，建議統一轉換為某一種數據類型，如浮點數（高位在前），方便上位機組態讀取。同一塊通訊模塊可通過編程對發送間隔排序，發送給不同通訊地址的設備亦或是同種串口通訊協議（波特率、校驗等）的不同設備，以節省硬件成本，但需要兼顧到由此出現的循環采集數據時間周期延長。根據對用戶實際運營體驗的回訪，一般燃氣場站對瞬時流量值的更新時間需在10 秒內，過長時將造成高峰用氣調峰期無法及時調控流量。

2.2.3 聯鎖控制

圖3

燃氣場站自動化運營聯鎖控制不可或缺，其主要應用于場站內突發緊急事故，或設備故障、工作疏忽導致安全參數超限后自動保護動作，以及保證設備正常運行時的合理控制邏輯。燃氣場站輸氣管道必須要有各類閥門以切換管路，起到調流、維修保養、緊急停氣的作用，其中手動閥門無法進行遠程控制，帶電動執行機構的閥門，可實現遠程監控狀態，控制開關停動作，以及ESD 緊急操作。在程序編寫時，需考慮到各動作之間的優先級以及聯鎖限制，如執行控關動作時，需檢測急停、故障信號未激活，遠程信號已激活，同步取消控開和控停命令，繼電器輸出脈沖或保持，并于收到關到位信號后停止動作，此外建議加入動作超時判斷，防止當電動閥設備卡死停轉時輸出繼電器仍然保持觸發的情況，圖3 為電動閥門控制編程思路。

當燃氣場站突發狀況時，建議將站內各項危險觸發信號（燃氣泄漏，壓力、溫度過高/過低）與安全設備（聲光報警器，鼓風機，電動閥）聯動起來，實現在危急時刻各項設備能自動采取應急響應流程，可極大地降低事故風險，較人工操作而言，安全性、效率能顯著提升。自控設備在執行完應急動作后，為保證安全防止出現二次災害，建議在程序中加入手動確認后才可復位的限制，并將對應操作信號輸出至上位機采集保存以備查看。另外，可提供給現場工作人員選擇自動聯鎖或手動操作的選項，在程序中設定兩個不同的輸入變量，上位機做對應不同按鈕選項，可為場站正常設備送檢、測試時提供便利。

2.2.4 編制點表及調試

PLC 程序功能搭建時即可同步編制項目數據點表，根據自編點表定義數據存放地址來定義PLC 程序各數據對應地址，最終實現功能與點表統一歸檔。數據點表極為重要，可為后續上位機組態軟件建點作唯一參照依據，并留存檔以便后期工程項目查閱，發現的系統故障可通過點表信息迅速定位程序索引位置來準確處理。比較完善的參數點表格大致包括參數名稱、數據類型、模擬量量程范圍、硬件通道號、PLC 絕對地址、上位機站控地址、可選支持modbus地址、接線線標號、報警上下限等。

程序及點表編制完成，即可根據點表定義進行現場施工，每路IO 通道需準確定位現場新增設備接線順序與位置，接線完成后對整個PLC 控制柜進行調試運行，并測試閥門連鎖控制、第三方設備協議通訊、機柜按鈕與提示燈的觸發測試。

3 結論

燃氣場站控制系統，由于管理的設備較分散，時效性較高，因此數據采集和設備控制的準確性要求高，在設計PLC 程序時，應把控全面各項設備的邏輯連鎖關系，以減少人為干預的潛在不確定性，使系統能根據實時變化的數據自動觸發相對應的動作，由于燃氣行業的高專業性與危險性，此類聯鎖功能在場站內尤為重要，應著重調試此類功能。在設計上位機系統時，應當盡量考慮操作人員的文化水平、年齡、對計算機的操作習慣，使其更好地理解場站控制系統設計的原理與初衷。只有操作人員與場站自控系統的友好交互，才能發揮出場站自控系統作為輔助使用人管理場站的作用。