（机械电子工程专业论文）天然气输配站工业监控系统的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 天然气是一种环保洁净的能源。管道天然气因其供应方便、安全等优点得到了广 泛应用，正在逐步取代瓶装煤气。天然气具有易燃、易爆等特点，因此为了确保用户 安全地用气，必须实时掌握天然气的输送运行状态，监测压力、流量等信号，便于对 系统进行最佳调度和控制。本文研制的天然气输配站监控系统正是基于以上需求研制 的。 本文首先对天然气输配站监控系统进行需求分析，确定系统需要实现的功能目标 和性能，然后提出了天然气输配站监控系统的总体设计方案，确定本系统以西门子 s 7 3 0 0p l c 系列产品c p u 3 1 5 2 d p 为控制核心，将现场上传的信号，诸如压力变送器 上传的压力信号、流量计的流量信号、安全切断阀的阀位信号和调压器的阀位信号等 进行处理，进而控制调流阀的阀位开度与安全切断阀的开闭，以达到控制系统的压力、 流量，确保用户安全用气。 论文着重阐述了系统的硬件设计、软件设计以及系统调试。在硬件设计中， c p u 3 1 5 2 d p 不仅要处理来自现场的模拟量和数字量信号，而且要实时与e m 2 7 7 、 k t p 6 0 0b a s i cc o l o rd p 触摸屏进行p r o f i b u sd p 通信，从而实现对相关阀的控制。主 要阐述了p l c 模块以及其硬件电路的设计、通讯电路的设计、电气控制柜的设计以及 相关抗干扰措施。在软件设计中，主要阐述了p l c 程序流程设计、代码设计以及触摸 屏界面的开发。在系统调试中，归纳出了可视化的硬件检查、硬件调试、软件调试等 调试方案，采取硬件软件等抗干扰措施实现系统的稳定运行。 依据上述设计方案，研制了某天然气输配站监控系统，首先在实验室进行静态调 试，模拟实现了p l c 与监控信号源采集处理、触摸屏的人机交互、p l c 之间的通讯。 本论文研制的天然气输配站监控系统实现了预期监控功能和目标，现己在工业现场得 到成功应用。 关键词：天然气输配站，工业监控系统，西门子p l c ，触摸屏，通讯，研制 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t n a t u r a lg a si sac l e a ne n e r g ys o u r c e ，b e c a u s ei th a sa d v a n t a g e ss u c ha sc o n v e n i e n c e ， s a f e t ye t c ，t h es u p p l yo f p i p eg a sh a sb e e nu s e dw i d e l y ，i tg r a d u a l l yr e p l a c e dt h eb o t t l e dg a s n a t u r a lg a si si n f l a m m a b l ea n de x p l o s i v e i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fg a ss u p p l yt o u s g r s ，w em u s tm o n i t o ra n dc o n t r o lt h er e a l t i m es t a t u so fs y s t e mo p e r a t i o n ，s u c ha st h e s i g n a lo fp r e s s u r ea n df l o we t c ，t of a c i l i t a t ec a r r y i n go nt h eo p t i m a la d j u s t m e n t t h e d e v e l o p m e n to fg a ss t a t i o n i n d u s t r i a lm o n i t o rs y s t e mi sb a s e do nt h en e e d i no r d e rt od e t e r m i n et h en e e d so fs y s t e ma n dp u tf o r w a r dad e s i g ns c h e m ef o rt h eg a s s t a t i o ni n d u s t r i a lm o n i t o rs y s t e m ，f i r s t l yt h eg a ss t a t i o ni n d u s t r i a lm o n i t o rs y s t e mi sa n a l y z e d i nt h i sp a p e r c p u 315 2 d pi su s e da sc o n t r o l l i n gc o r eo ft h es y s t e m ，p r o c e s s e st h eu p l o a d i n g s i g n a l ，i n c l u d i n gt h ep r e s s u r e ，f l o w ，v a l v ep o s i t i o no f c u t - o f fv a l v ea n dp r e s s u r er e g u l a t o r v a l v e ，a n dc o n t r o l st h ev a l v ep o s i t i o no ft h en e e d l ev a l v ea n dt h eo p e na n dc l o s eo ft h e c u t o f fv a l v e ，t h u si tr e a l i z et h ep u r p o s eo ft h ep r e s s u r ea n df l o wm o d u l a t i n ga n d c o n t r o l l i n g ， w h i c he n s u r e st h es a f e t yo f u s e r s f i r s to fa l l ，t h ed e s i g no fh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dd e b u g g i n gp l a n i nt h ed e s i g no f h a r d w a r e ，c p u 3 15 2 d pn o to n l yn e e d st od e a lw i mt h ea n a l o ga n dd i 百t a ls i g n a lf r o mt h e s c e n e ，b u ta l s ot oc o m m u n i c a t e w i t he m 2 7 7a n dt h et o u c hs c r e e no fk t p 6 0 0b a s i cc o l o rd p b yp r o f i b u sd p ，w h i c hc o n t r o l st h ep o s i t i o no f r e l e v a n tv a l v e sa r ea n a l y s i e di nt h i st h e s i s t h ep l cm o d u l ea n dt h ed e s i g no fi t sh a r d w a r e sc i r c u i t , e l e c t r i cc o n t r o lc a b i n e t ，a n d c o m m u n i c a t i o nc i r c u i to fp l ca r ed e s c r i b e d i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，d e s c r i b e st h ed e s i g n o fp l cp r o g r a ma n dc o d e ，t h ed e v e l o p m e n to ft o u c hs c r e e n i tc o n c l u d e st h es e v e r a l d e b u g g i n gp l a n ，s u c ha st h ev i s u a l i z a t i o no f h a r d w a r ec h e c k ，t h ed e b u g g i n go f h a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h es y s t e ms t a b i l i t y t h e g a s s t a t i o ni n d u s t r i a lm o n i t o rs y s t e mi si m p l e m e n t e db a s e do nt h ea b o v e d e s i g n f i r s t l y ，i ti sv e r i f i e db y t h el a b o r a t o r ys t a t i ct e s tt h a tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m o n i t o rs y s t e m ，t o u c hs c r e e na n dp l ci ss u c c e s s f u l ，w h i c ha c h i e v e st h ed e s i r e dr e s u l t t h e m o n i t o r i n gf u n c t i o na n dt a r g e to ft h eg a ss t a t i o ni n d u s t r i a lm o n i t o r i n gs y s t e mh a v er e a l i z e d ， w h i c hh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di ns o m ei n d u s t r i a lf i e l d k e y w o r d s ：n a t u r a lg a ss t a t i o n ，i n d u s t r i a lm o n i t o rs y s t e m ，s i e m e n sp l c ，t o u c hs c r e e n ， c o m m u n i c a t i o n ，i m p l e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题背景 天然气作为一种方便洁净的能源，在人类生活中已经占据了很重要的位置，随着 人们环保意识的增强，在未来天然气将会有更广阔的前景。世界各地都在采取多种措 施促进城镇燃料的气体化，可以说一个国家或一个地区的经济和社会发展水平的可以 用燃气的普及率以及耗用量来衡量。在一些先进国家，随着科学技术的发展，天然气 的应用几乎覆盖了民用、商业、交通和所有的工业部门。天然气作为一种优质、高效、 安全的能源，我国给予了足够的重视，如“西气东输”工程。 1 1 1 天然气城市输配系统的构成 城市输配系统是指从接收长输管道供气的门站开始至用户用具止的整个系统，它 包括门站、储气装置、调压装置、输配管道、计量装置等部分，其中储气、调压与计 量装置可单独设置或合并设置，也可设在门站内。门站是天然气进入城市的f - j p ，具 有过滤、计量、调压与加臭等功能，有时兼有储气功能。储气装置有储气罐、输气管 道或管束储气等。输配管道可按照设计压力分类，见表1 1 。 输配管道也可以按其功能分类，即分为分配干管、庭院管( 街坊管) 与室内管。 分配干管与庭院管为室外管。目前，室内管的立管与水平管也有安装在建筑物外墙上 的。 输配系统的压力级制是由系统中管道设计压力等级命名的，一般有高中低压系统、 高中压系统、中低压系统与单级中压系统等。 表1 1 输配管道按设计压力分类 对于天然气，由于长输管道供气压力较高而多采用高中压系统或单级中压系统、 前者适用于较大城市，其中高压管道可兼作储气装置而具有输储双重功能。此两系统 中的中压管道供气至小区调压箱或楼栋调压箱，天然气实现由中压至低压的调压后进 入低压庭院管与室内管；也可中亚管道直接进入用户由用户调压器调压，用户用具前 的压力更为稳定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 当原有人工燃气输配系统改输天然气时，原有人工燃气大多采用中低压系统且为 中压b 级，一般加以改造后可予以利用，天然气经区域中低压调压站调压后进入低压 分配干管、低压庭院管与室内管。中低压系统与单级中压系统的区别在于中低压系统 具有区域调压站与低压分配干管，显然其低压管网的覆盖面大，有的路段同时出现中 压管道与低压分配干管，且区域调压站供应户数多于小区调压箱与楼栋调压箱，用户 燃具前压力波动大。当中压a 系统向中压b 系统供气时，需设置中压调压器。为便于 比较，把几种不同压力级制的输配系统绘成综合流程示意图。图1 1 包括高( 次高) 中低压、高( 次) 中压、中低压与单级中压四种输配系统。 离( 次高) ii 高( 次高压) 压管网r 1调压室 中压室内管 低压分配干管 图1 - 1 不同压力级制输配系统综合流程示意图 1 1 2 问题的提出 某天然气输气管道经过我国一城市境内，输气管道长约3 6 0 虹，管线采用l 3 6 0 螺 旋直缝双面埋弧缝焊钢管，管道直径6 6 0 。输气管线设计压力6 3 m p a ，年输气能力 2 7 x1 0 8m 3 。管道拟建首战l 座、输配站1 座、分输站1 座、清管站l 座、分输清管站 1 座，建干线阀室6 座( 分输阀室1 座) 。某公司承接了该项目，要求根据实际情况以 及相应的技术要求，对输配站进行设计、制造、集成和提供压力调压系统。 1 1 3 本文解决的问题 该管道拟分别建首战1 座、输配站1 座、分输站l 座、清管站1 座、分输清管站l 座，建干线阀室6 座( 分输阀室l 座) ，并提供相应的压力调压系统。本文主要是针对 该管道输配站进行压力调压系统的设计与实现，并提出了满足用户要求的监控系统方 案。具体有以下几个方面： ( 1 ) 实时采集上传天然气进站压力，调流阀阀位，调压器阀位，安全切断阀阀位 等信号； ( 2 ) 安全切断阀远方阀位指示，调压器阀门故障指示，调流阀流量报警，压力变 送器压力报警； ( 3 ) 独立、专用的p d 控制器的应用； ( 4 ) 将所采集的信号经过控制柜p l c 控制系统的分析、运算，将各种参数通过 薰 荔舻输 天 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 s c a d a 系统上传到控制室。 本天然气输配站监控系统完成对站区内的各种工艺设备、变送器信号以及流量计 的数据进行采集和初步处理，同时通过p i d 调节回路。同时具备实时地将各种数据和 信息通过光纤收发器经光纤传输到上级控制中心的能力。 1 1 4 国内外研究现状 国外在2 0 世纪后期已经开始研究天然气输配管网监视系统，并且取得了很好的成 就，形成了一整套日趋完善的技术和设备。随着我国经济的快速发展，国内对天然气 的需求进一步增大，这就需要考虑到用气的安全，现在已经出现了国外的关于天然气 输配管网监视系统的产品，并且应用于我国部分调压站，结果表明这些产品具有相当 的实用价值，而且它们性能可靠稳定，在调压站的安全生产和设备维护上面起到了很 大的作用，但是这些产品系统价格普遍都太高，国内很多天然气公司不容易引进，很 难以推广使用。所以国内研究监控系统迫在眉睫。 目前国内在监控系统方面的研究相对比较少，主要是由于缺乏相关的设备和技术。 因为在出现异常和故障情况时，国内的很多天然气公司的调压站在工作过程中，由于 缺乏相应的状态检测和控制措施，不能够及时有效的停气和检修，从而给公司带来了 很大的浪费和损失，甚至会酿成严重事故。所以，研究现代化的状态检测技术和调压 站这一传统的工程领域有机的结合，是当前天然气行业重要的研究方向之一。这样就 不仅提高了调压站工作时的安全性和可靠性，并且还带动了调压站向智能化、机电一 体化方向发展。所以我们自己研发监控系统是很有必要的。 1 2 可编程控制器的产生和定义 2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，由于顺序控制系统具有价格便宜、结构简单、容易掌 握等优点，使得其在工业生产过程的自动控制中得到了广泛的应用，极大的促进了生 产的发展。但是，随着生产规模的扩大和控制复杂程度的增加，以继电器、接触器等 为主的控制系统变得越来越庞大、复杂，电路接点多，连接极其复杂，从而导致系统 可靠性降低、故障多、寿命短、维护困难。后来尽管出现了晶体管、可控硅、晶闸管 等半导体元器件器件，实现了无触点控制，性能有所改善，也提高了可靠性和使用寿 命，但还是采用功能块硬件结构，系统的功能更改和维护仍然十分困难。后来，人们 尝试采用小型计算机，但由于当时的小型计算机价格很高，而且输入输出电路匹配困 难，编程复杂，因而没有得到较好的应用和推广。因此，人们迫切需要一种新的顺序 控制装置来取代老式的继电器顺序控制系统，使控制系统工作更可靠、更容易维护并 更能适应经常变动的生产过程条件。就这样，诞生了一类用于替代传统继电器、定时 器和接触器的控制装置，功能上只有逻辑运算、定时、计数和顺序控制等，被称为可 编程逻辑控制器( p l c ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 1 可编程控制器的产生背景 2 0 世纪6 0 年代，美国通用汽车公司( g m ) 最早提出p l c 的设想。汽车生产流水 线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的，当时美国汽车制造业竞争激 烈，各汽车制造厂为了能在竞争中处于优势，都不断推出新车型。g m 公司为了能够 在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器控制系统的柜内接线，以降低生 产成本、缩短新产品的开发周期，达到加强其汽车产品的竞争力、提高汽车市场占有 率的目标，提出要设计新型的控制器系统；并要求生产线控制系统能够在最小变化的 情况下，最大限度地满足生产要求。新型控制系统必须满足以下的基本指标【2 】： 编程容易，现场可以修改程序； 维护方便，采用模块化结构； 可靠性要高于继电器控制装置，能工作在恶劣的工作环境中； 体积小于继电器控制装置； 具有数据通信功能，数据可以直接送入管理计算机： 价格低，成本可以和继电器控制系统竞争； 输入输出信号可以为市电( 1 1 5 v a c ) ； 输出电流达2 a 以上，能直接驱动电磁阀、接触器等； 易于扩展，扩展时系统只需要很小的变更； 用户存储器容量至少能扩展到4 k 字以上。 这就是著名的“g m 十条”指标。根据这些基本要求，美国数字设备公司( d e c ) 于1 9 6 9 年研制成第一台新型的控制器，型号为p d p 一1 4 ，成功应用在g m 公司的汽车 生产线控制中，取得了令人满意的效果。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世 界其他国家的高度重视。1 9 7 1 年日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第 一台p l c 。1 9 7 3 年，西欧国家也研制出它们的第一台p l c 。我国从1 9 7 4 年开始研制， 1 9 7 7 年开始应用于工业。 1 2 2 可编程控制器的定义 可编程控制器具有可靠性高、操作方便、简单易懂和体积小等优点，很快在其他 行业的自动控制领域中得到推广应用。 为了规范p l c 的生产和发展的标准化，国际电工委员会( i e c ) 在1 9 8 7 年给可编程 控制器做了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境 下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各 种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设各都应该按照易于和工业控制系 统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计【2 1 。 早期的可编程控制器称为可编程逻辑控制器( p r o 伊a 加m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 p l c ，它主要功能是实现逻辑控制，继而用来代替继电器。随着科学技术的发展，这 种装置的功能已经已经不仅仅局限于逻辑控制的范围了，p l c 已经不仅是原来意义上 的可编程逻辑控制器了，所以美国电气制造业协会( n e m a ) 将其正式命名为可编程 控制器，简称p c 。为了和个人计算机的简称p c 区别开来，所以将可编程控制器简称 为p l c 。 1 3 可编程控制器的发展过程和发展方向 1 3 1 可编程控制器的发展过程【1 2 3 】 p l c 的发展和控制技术、计算机技术、半导体技术、通讯技术等高新技术的发展 是紧密相关的。这些技术的每次革新，都会给p l c 带来功能和特性的新变化，使得p l c 技术得以飞速发展。回顾p l c 的整个发展历程，大致可划分为初创时期、扩展时期、 成熟时期和开放时期4 个时期。 1 初创时期 2 0 世纪6 0 年代末期第一台p l c 问世到2 0 世纪7 0 年代中期，这个时期的产品主 要用于逻辑控制、定时和计数控制等，其中央处理器( c p u ) 由中小规模集成电路组 成，控制功能比较简单，在汽车制造、食品、金属加工等工业生产中开始替代继电器 控制设备，迈出了实用化阶段的第一步。在这个时期，日本的三菱( m i t s u b i s h i ) 、 欧姆龙( o m r o n ) 、日立( h i t a c h i ) 、富士通( f u j i ) 、东芝( t o s h i b a ) 、德国西 f - j q ：( s i e m e n s ) 和美国的艾伦布拉特利( a l l e n b r a d l y ，以下简称a b ) 、莫迪 康( m o d i c o n ) 等也相继研制出自己的p l c 产品。我国在1 9 7 4 年开始研制p l c 的 工作。 2 扩展时期 2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代初期，随着大规模集成电器的发展，体积小、功能 强、价格低的微处理器的相继出现，使得p l c 技术产生了大飞跃。p l c 的功能不断增 强，体积不断缩小。在逻辑运算、定时、计数功能的基础上，增加了数值运算、数据 处理和传送、闭环控制等功能，提高了运算速度，扩大了输入输出规模，并开始有网 络通信功能，开始开发与其他控制系统相连的接口，构成了以p l c 为主要部件的初级 分散控制系统。这个时期，各p l c 生产厂纷纷推出新产品且呈系列化发展。 3 成熟时期 2 0 世纪8 0 年代初期到8 0 年代末期，p l c 进入成熟发展阶段，1 6 位、3 2 位微处 理器的出现和应用，使p l c 向大规模、高速度、高性能和网络化方向发展，形成了多 种系列化产品，出现了结构紧凑、功能强大、性能价格比高的新一代产品，并出现多 种不同性能的分布式网络系统。同时，在编程方面，借鉴计算机高级语言，形成了面 向工程技术人员、极易为工程技术人员掌握的图形语言。在功能上，p l c 不仅能实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数据采集和处理、运动控制、闭环控制、联网 通信等功能，而且随着应用领域的不断迅速扩大，p l c 已成为构成生产过程自动控制 系统的主要设备和标志之一。 4 开放时期 2 0 世纪8 0 年代末期到现在，p l c 继续得到快速发展，系统在网络通信、热备冗 余等方面都有了长足的进步，成为一种功能强大的成熟的控制系统。同时，通信从各 厂家的自成系统逐步向开放的、统一的和通用的标准网络结构发展，如控制层的控制 网网络( c o n t r o l n e t ) 、设备网络( d e v i c e n e t ) 和现场总线( f i e l d b u s ) 、管理层的以太 网( e t h e r n e t ) 等。产品系列不断丰富，互通功能得到了较大的发展，系统性能日趋可 靠、完善。同时，还采用了标准的软件系统如符合i e c l l 3 1 3 标准的程序设计语言， 增加了高级编程语言等，使得各种生产数据采集和信息系统管理的实现变得容易、直 接。这时，p l c 已不是单纯意义上的可编程控制器了，而是一种完全的过程控制系统。 1 3 2 可编程控制器的发展方向 随着新技术、新器件的不断出现，特别是微处理器、单片机、半导体存储器等技 术的飞速发展和迅速融合，使得p l c 功能更加齐全，适用范围更加广泛，使用更加方 便，具有更高的性能价格比。目前，p l c 已广泛应用于工业控制各个领域，而且产品 更新速度快，有的更新换代周期仅为3 5 年。未来的p l c 将有以下几个发展趋势： 1 向大型、高性能化方向发展 p l c 的输入输出点数不断增加，可以达到8 1 9 2 点，有的可以高达1 0 0 0 0 点以上 ，这种产品可以满足大型生产自动控制的需要，例如石油、钢铁工业、化工等。它们 不仅采用高性能的1 6 位和3 2 位具有高速运算能力的微处理器，而且还采用了多处理 器结构，并且吸收了以连续量处理为优点的集散控制系统( d c s ) ，热备冗余系统更高 速、可靠，进一步增强科学计算、数据处理能力和联网能力，网络更开放，有很高的 运行速度并能方便地与微机以及其他控制器构成控制、管理系统和计算机集成过程系 统( c i p s ) 等。操作站系统则采用以微软的w i n d o n w s 9 x n t 2 0 0 0 为平台的工业计算 机( i p c ) 和通用的人机界面软件，并在管理层上应用各种数据库管理软件进行生产过 程数据的处理。这种系统结构将成为主流。 2 向方便灵活、小型化发展 2 0 世纪8 0 年代中后期生产p l c 厂家都开发了使用方便和结构简单的微小型p l c ， 以满足工业生产过程对控制系统小型化和减少成本体积的需要，其中这是发展最快的 产品之一。有关统计数字表明，在p l c 市场中，小型p l c 约占了1 4 。另一方面，小 型p l c 增加了如模拟量处理、数值运算、与上位机或操作站联网通信的功能，其功能 在不断的完善和增加中。一些小型p l c 在结构上也采用了模块式结构，因此使用者可 以根据需要配置系统大小，方便地构成灵活经济、易于扩展的最小控制系统。 3 编程组态更方便灵活 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 大多数p l c 不仅提供传统的梯形图编程环境，而且还提供顺序功能图、语句表 以及更方便、友好和高效的图形化组态软件和符合i e c l l 3 1 3 标准的编程组态工具。 另外，传统的硬件p l c 将吸收p c 开放结构的控制系统技术，利用软件技术将标 准的工业计算机转换成全功能的p l c 过程控制器，朝着软p l c 方向发展。软p l c 有 着工业计算机和硬件p l c 的优点，因此具有更加强大的运算、通信能力以及成熟、可 靠的特点，进而应用于更广泛、更开放的工业控制之中。 4 网络结构更开放、通信功能更完善 因为现场总线技术、通信网络技术和互联网技术的快速发展，所以p l c 的冗余网 络、局域网络技术日趋成熟，并朝着统一、通用的开放网络发展，不同品牌p l c 的互 操作性将大大提高，工业以太网、过程控制的对象链接和嵌入( o p c ) 和互联网技术 将在p l c 系统中大量应用。从控制层、操作层到管理层，实现全方位的多层次、分布 的自动化网络管控一体化，成为真正的过程控制解决方案。 1 4 可编程控制器的基本特点及应用 1 4 1 可编程控制器的基本特点 正如前面所述，p l c 是一种专用于工业控制环境的、具有特殊结构的计算机，有 其显著的特点。 1 功能完善，通用性好 p l c 不仅可以实现对逻辑运算、开关量输入和输出、定时、计数和顺序控制，也 可以实现对算术运算、模拟量输入和输出、闭环比例积分微分( p d ) 调节控制；与此 同时，还具有网络通信、远程i o 模块和各种智能块等功能。p l c 不仅能应用于开关 量控制系统，而且能用于连续的流程控制系统、数据采集以及监控系统( s c a d a ) 等， 其功能强大、完善，通用性较好，可以满足大多数的工业生产过程控制系统的要求。 2 可靠性高，适应性强 因为在硬件设计制造时使用到如优化电路设计，采用大规模或超大规模集成电路芯 片、表面安装技术、模块式结构、高可靠性低功耗元器件，以及采用自诊断、冗余容 错等技术，所以使p l c 具有很高的可靠性和抗干扰性、抗机械震动能力，可以在极端 恶劣的环境下工作，一般p l c 控制系统平均无故障运行时间( m t b f ) 一般可达几万 小时。由于p l c 控制系统取消了大量的独立元件，大大减少了连线等中间环节，使得 系统的故障平均修复时间( m t t r ) 缩短到2 0 m i n 左右。 3 安装方便，扩展灵活 为了适应各种工业控制需要，绝大多数p l c 采用标准的箱体式和模块式硬件结构， p l c 各个部件安装在机架上，现场接线简单，安装方便，工作量较小；系统的规模和 功能可根据用户的需要自行组合，按照应用的要求进行模块的扩展，系统集成方便灵 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 活。 4 操作维护简单，施工周期短 梯形图是大多工程技术人员习惯使用的语言，它形象直观、易学易懂，不需要高 深的计算机知识，编程和修改程序方便，系统设计、调试周期短。p l c 还具备完善的 显示和诊断功能，故障和异常状态均有显示，便于操作人员、维护人员及时了解出现 的故障。当出现故障时，可通过更换模块或插件迅速排除故障。 1 4 2 可编程控制器的应用 自从第一台p l c 诞生以来，p l c 已成功应用于众多的工业生产控制领域，包括石 油、化工、冶金、动力、汽车制造、食品、轻工等各个行业以及各种机电一体化设备 等，而且，不同行业、领域各有其应用习惯。撇开具体的某个行业的应用，可以把p l c 及其构成的控制系统在工业控制中的主要应用归纳为以下几点： 1 开关逻辑和顺序控制 p l c 最广泛的应用场合是开关逻辑和顺序控制领域。其主要功能是完成开关逻辑 运算、定时、计数和进行顺序逻辑控制，这是p l c 最基本的应用。 2 闭环过程控制 p l c 对模拟量的处理能力使得它可应用于有模拟量输入输出的生产控制系统。这 种处理能力，除了最基本的数模模数( a d d a ) 转换外，还可以进行数据的加、减、 乘、除、开方、均值和插值等运算。大、中型p l c 常配有比例积分微分( p d ) 指令 或模块，可以实现闭环回路的p i d 控制和前馈、串级等复杂控制，同时，还可以实现 特殊的控制功能，包括定为控制、伺服和运动控制等。 3 信号报警和联锁系统 自动控制系统中，信号报警和联锁系统或紧急停车系统( e s d ) 是安全生产所必 不可少的，采用高可靠性的p l c 作为信号报警和联锁系统的控制器已成为系统设计的 一个重要选择。对于控制要求高的系统还可以采用多重( 如双重或三重) 信号检出元 件和具有冗余结构的p l c 系统( 包括冗余电源、处理器和网络) 来实现。 4 数据采集和监控 以p l c 作为下位机，以通用计算机作上位机( 操作站或信息管理系统计算机) ， 构成生产过程多层次的全面数据采集和监视控制系统( s c a d a ) ，实现对整个连续生 产过程的信息控制和管理。 本系统的设计很好的实现了第二种和第四种应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 9 2 章天然气输配站监控系统的总体设计 天然气输配站监控系统的总体设计包括硬件设计和软件设计，硬件设计之前要分 析系统的功能要求，做出相应的控制方案；软件设计要根据硬件提出的控制方案来实 现用户需要达到的控制要求。 2 1 监控系统总体设计方案思路 监控系统总体设计方案的优劣决定了控制系统的成败。所以，在展开应用系统方 案设计的工作之前，有必要进行深入细致的调查研究工作。在综合各方面意见和建议 后，进行系统分析，确定控制系统总体的初步方案，同时形成有关文字纪要作为下一 步设计的重要依据。 系统调研和分析的主要内容包括： ( 1 ) 各种控制信号的数量、性质。如d i 、d o 、a i 、a o 数量，电压等级以及特殊 信号要求等。 ( 2 ) 用户对控制系统的要求。如操作室的位置、操作台数、辅助按钮和控制功能 等。 ( 3 ) 控制系统的性能指标。如控制回路数量、扫描速度、冗余配置等。 ( 4 ) 控制系统的现场情况。如控制点的分布、已有的控制系统、控制手段和方法 竺 甘o ( 5 ) 现场环境因素。如系统安装的空间、温度、湿度和电磁干扰等。 在进行了较为充分的调研和分析的基础上，进行监控系统总体方案的详细设计，包 括系统的结构方式、系统处理器和通信等主要设备选择，以及可靠性配置等。 2 1 1 控制方式的选择 根据应用p l c 构成的控制系统的不同，有多种控制方案可供选择。控制系统的基 本结构方式可以有6 种，即集中本地控制、集中远程控制、集中混合控制和分散本地 控制、分散远程控制、分散混合控制。 集中控制方式即用一台p l c 去控制对象或流程。通常这种控制方式用于被控对象 之间有较紧密联系的场合。集中控制方式对控制器的要求较高，因为控制器的故障将 会使得整个被控过程停止运行，而当某个控制回路需要停机处理时，也影响其他控制 回路的正常运行。“危险集中”是集中控制方式的最大缺点。因此，对于重要的生产 过程，如采用集中控制方案时，需要考虑处理器等关键部件的热备用或冗余问题。 分散控制方式即用多个处理器去控制一个或多个被控对象或流程，各处理器之间 通过通信( 各种网络) 实现控制和管理信息的交换。当某个处理器发生故障时，不会 影响其他处理器的正常工作，对整个控制过程而言，影响相对较小，实现“危险分散”， 解决了集中控制“危险集中 的问题。 本地( l o c a l ) 控制方式是指处理器和i o 通道或模块在同一箱体、框架或底板( 包 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 括扩展的箱体、框架或底板) 上的控制方式。通常，大部分微型、小型p l c 和一些对 i o 处理速度要求较高的应用场合多采用这种方式。 远程( r e m o t e ) 控制方式指处理器与i o 通道或模块不再同一个箱体、框架、底 板( 包括扩展的箱体、框架、底板) 上，而是通过远程通信模块进行信息传送和交换 的方式。处理器和i o 模块既可以放在同一机柜内，也可以放在两个不同的区域，视 实际应用方案而定。不同厂家的处理器所能驱动的远程通信电缆长度有所不同，而且 与通信的速度有关。通常，对于同一类型的p l c ，所选择的通信速度越高，它的传送 距离越短。 混合控制方式就是既有本地i o 部分、也有远程i o 部分而构成的控制系统方式。 2 1 2 系统总体设计的主要内容 系统总体设计的主要内容包括以下几点： ( 1 ) 综合考虑用户的需求和被控对象的控制规模、控制范围和系统是否冗余等， 与此同时，也要充分考虑系统的性能价格比等因素，继而确定控制系统的总体方案， 比如选择采用集中本地控制、集中远程控制或分散混合控制等多种控制方案。 ( 2 ) 在确定了控制系统方案后，要明确各组成部分的基本功能，包括硬件的主要 设备，如处理器、工作站、控制网络通信设备和软件及其数量等。 ( 3 ) 对总体设计方案必须进行可行性和可靠性的论证，以确保控制方案能满足用 户的全部要求，并具有一定的先进性。如果发现存在技术上的缺陷或不完整，就要重 新修改方案，直到技术可行、用户满意为止。 2 1 3 几点应考虑的事项 无论控制系统的规模是大是小，其目标都是为了实现被控对象( 生产设备或装置 流程) 的工艺生产监视可控制，达到提高生产效率、系统安全性、产品质量和降低劳 动强度等目的。所以在应用p l c 设计控制系统时，应主要考虑以下几点基本事项： ( 1 ) 所使用的p l c 必须在技术上成熟，通用性好以及可靠性要高，满足被控对象 的控制要求。 ( 2 ) 在系统控制要求被满足后，要确保系统本身的安全可靠。 ( 3 ) 要适当考虑生产的发展和工艺变化时系统的余量和可扩展能力。 ( 4 ) 力求所设计的控制系统简洁，有较高的性能价格比，操作使用和安装方便。 ( 5 ) 要求新设计的系统有一定的先进性，不致太快变得不适合和过时。 ( 6 ) 考虑方便检修和调试时的必要措施。 2 。2 监控系统的主要功能 管道天然气供应因其安全、方便以及经济等优点，从而被得到了广泛的应用，其 应用已经慢慢有取代瓶装供气的趋势。因为天然气有着易燃易爆等特点，所以必须及 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 时掌握系统得运行状态，了解实时流量、温度以及压力等数据，从而来保证天然气供 应的安全并实现最佳的调度。本论文所研究的天然气输配站监控系统的主要功能有： 实时采集上传天然气进站压力，调流阀阀位，调压器阀位，安全切断阀阀位等信号到 控制柜上位机；安全切断阀远方阀位指示，调压器阀门故障指示，调流阀流量报警， 压力变送器压力报警；独立、专用的p i d 控制器的应用；将所采集的信号经过控制柜 p l c 控制系统的分析、运算，将各种参数通过s c a d a 系统上传到控制室。 2 2 1 压力流量控制系统简介 1 压力流量控制系统组成 压力控制流量系统由安全切断阀，调压器，调流阀，压力变送器，防爆接线盒以 及相应的管道阀门仪表，以及放在控制室的控制柜组成，本输配站共有5 路调压管路， 4 路是去某厂管路及旁通管路，1 路是去城网其他用户管路。 2 压力流量控制系统功能 压力流量控制系统是由安全切断阀，调压器，调流阀，压力变送器，防爆接线盒 按照从上游至下游的顺序，串联在一起的安全、且都为相互独立的设备。正常情况下， 安全切断阀处于全开的位置，调压器对下游压力进行控制，调流阀对下游流量进行控 制，调压器和调流阀共同协调工作以保证整个管道的压力流量的稳定。若调压器和调 流阀都出现故障时，不能控制管道的正常供应，安全切断阀则自动切断气源，以保证 下游管道和设各的安全。 3 回路控制系统及控制器 为便于控制中心或站控制系统对输气站场进行远程设定分输流量、分输压力、调 压阀阀位等值，实现相关输气站场压力流量控制系统中压力流量自动选择性调节系统 的稳定性，保证向下游用户安全平稳地供气，对压力流量控制系统可选择独立、专用 的p i d 控制器。p i d 控制器可根据设定值自动调节工艺运行参数，平稳实现压力流量 自动选择性调节功能，同时可以将检测和控制参数传送到s c a d a 系统。为保证控制 系统的可靠性，对于每路压力流量调节系统，采用独立的一台控制器对该路进行控制， 不可使用多路控制器同时调节多个系统。 回路控制原理为：p i d 控制器的压力流量自动选择性调节功能，根据其软件特点， 通过x 个调节回路实现对调节阀的调节控制：最高分输压力、保障分输压力、最大分 输流量及保护分输流量控制回路。 若工作流量小于最大分输流量时，最高分输压力回路起作用，出口压力稳定在最 高分输压力。若工作流量增加直到大于最大分输流量时，最大分输流量起作用，使流 量稳定在最大分输流量。 由于流量增加，下游压力开始下降。若下游流量持续增加，使得下游压力不断下 降到最小允许输出压力时，保障分输压力回路起作用，保证下游压力不低于最小输出 压力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 若分输流量上升达到保护分输流量时，保护分输流量回路起作用，迅速关小调节 阀。 2 2 2 监控系统的主要功能 1 安全切断阀具有远方控制及远方阀位指示功能( 数字量输入信号) ，接受来自自 控系统的控制命令，自动关断安全切断阀( 远控电磁阀为数字量输出信号) 。 2 安全切断阀驱动阀门关断的驱动部件应有稳定的保护措施，避免误动作。可利 用2 4 v d c 电磁阀+ 中间继电器实现阀门的驱动。 3 调压器输出模拟信号，并阀位远传( 模拟量输入为电阻值信号) ，能正确反映阀 门的开度。 4 调流阀接收来自系统的4 - - 一2 0 m a d c 的模拟控制信号( 电动阀阀位远传为模拟 量输入信号) ，并能输出4 , - 一2 0 m a d c 的阀门开度反馈信号( 电动阀阀位控制为模拟量 输出信号) 。 5 调流阀具有就地手动，自动和远程控制选择开关。就地手动即是阀上的手轮， 就地自动即是阀上的手动按钮，远程控制即是控制柜上的自动控制( p i d 控制) 。 6 调流阀出现故障可以在远程指示该故障。 7 电动阀当前是远程控制还是就地自动控制可以在远程控制面板上显示。 8 压力变送器上传管道内的工作压力( 压力变送器一模拟量输入) 。 9 触摸屏显示切断阀状态，并能通过中间继电器和现场的电磁阀控制切断阀的切 断动作；显示调压阀的阀位状态，即开度；显示流量调节阀的开度，能通过控制柜的 触摸屏手动控制其开度，也能通过p l c 的p i d 程序自动控制其开度；显示当前对调节 阀是远程控制还是就地控制，出现故障能够显示，并声光报警；显示管道上的压力。 1 0 p i d 控制回路：分成四个回路，即最高分输压力p i d 回路，保障分输压力p i d 回路，最大分输流量p i d 回路，保护分输流量p i d 回路。p i d 控制器可实现工作调流 阀最小开度限位，即控制器可输出的最小阀门开度。控制器应用自动，就地两种工作 方式，并无扰动切换。自动方式时控制器以p i d 方式控制，在手动方式时，可在控制 器面板( 触摸屏) 及站控人机界面上( 上位机) 设定阀位输出。 2 3 监控系统硬件技术方案及硬件选择 2 3 1监控系统硬件技术方案 监控系统硬件方案的选择要从几个方面来考虑，最重要的是根据现场危险区的管 道设备来考虑，然后再来确定监控系统所需要的硬件设备。本天然气输配站一共有5 套相同的撬组成，现场危险区的管道系统由安全切断阀，调压器，调流阀，压力变送 器，防爆接线盒以及相应的管道阀门仪表等组成。现场危险区的管道系统的组成图， 即称为“