（控制理论与控制工程专业论文）天然气输配控制工程开发与研究.pdf

摘要 本论文涉及的科研课题来源于延安天然气输配工程( 二期) ，论述了其中最重 要的门站控制系统工程设计过程，研究和解决了关键技术问题。 文章首先介绍了天然气输配工程的工艺特点，着重介绍了门站控制要求，并 根据控制要求对信号进行了汇总。接着介绍了控制系统的硬件集成方案，并对主 要p l c 硬件进行了介绍。文章重点介绍了控制系统的软件设计，包括p l c 控制 程序设计和w i i l c c 监控程序设计。控制系统软件设计以整体介绍为主，并给出 了一些m o d b u s 协议实现和v b s 脚本的关键代码。 在关键技术的研究方面，介绍了系统的时钟同步，超声波流量计量和p l c 软 冗余技术的应用等方面内容。 最后论文对现场调试过程进行了详细的总结。目前，该系统达到了预期的控 制要求，运行状况良好。 关键词；天然气输配p l c 控制系统流量计量 a b s tr a c t t h e 艘a r c ht o p i cm v o l v e di i lt h i sp a p c rc o m e sf r o mt h es e c o n dt e r ml l a t u r a lg 鸹 t r a n s m i s s i o np r o j e c to fy a n a nc i t y t h ed e s i g np r o c e s so ft h ec o i i 拉o ls y s t e mo fg a t e s t a t i o ni sm a i n l yd i s e m s e & a n ds o m ek e yt e c h n i c f lp r o b l e m sa l er e s o l v e d f i r s t l t h e a r t i c l ei n 仃1 ) d u c e st e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so ft h e 越t u r d lg a s t r a n s m i s s i o np r o j e c t , a n dt 1 1 er 鹎u i r e m e n t so f t h ec o m r o ls y s t e ma l em a i n l yi i l 廿o d u c e d a c c o r d i n gt ot l l e 辩r e q u i r e m 印t s ，as u m m a r yo fa l it h es i g n a l si sb r o u g h tu p t h e na s c h e m eo fh a r d w 盯ec o m p o s i t i o nf o rt h ec o n t r o ls y s t e mi sb r i n gu p a n ds ( 1 n l ep l c c o m p o n e n t sa r e 岫的d u c e d t h i sa r t i c l et a k e st h e f h a r ed e s i g no f t h ec o 曲o ls y s t 锄 豁t h ek e yp o i n t t h es o t t w a f e & s i g nm e l u d e st h ep l cc o m r o lp r o g r a m sa n dm o m t o r p r o g r a m so fg r m c c h lt h ei n 删u c t i o no fs o f t w a r ed e s i g n , 趾i n t e 铲f ld e s i g ni s d i s e u s s e d , a n ds o l ek e yc o d e s u c ha st h er e a l i z a t i o no fm o d b u sp f o t o c o la n ds o m e v b s s c r i p t s ，a t ep r e s e n t e d i nt h ec h a p t e ra b o mt h er e s o l m i o no fk e yt e c h n i c f lp r o b l e m s ，t h r e ev o n e m s ， t i m es ) m d m d i l i z a d o n ，t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no ff l t r a s o m cf l o w m e t e ra n d s o f l w a r er 司u n d a n c ya r cr e s o l v e d f i n a l l y ，ad e t a i l c ds u m m a r yo nt h es c e r ed e b u g g i n gp r o c e 站i sm a d e p r a e t i c e p r o v e st h a tm es y s t 锄c o m e s t oe x p e c t a n tc o m r o lf e q u i r e m e n 魄锄dr u n sw e l l k e y w o r d ：n a t l l r a lg a st r a n s m b s i o n p l c e o n t m l 眄s t e m f l o wm e a s r m 西安电子科技大学 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：塑盗! ! !日期垫丛i ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签字： 导师签字： 毯叁! 丑 衄 e tj l l l 丝墨i ! ! ! 日期2 1 墨：! ：! 鱼 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目来源 延安天然气输配工程( 一期) 于1 9 9 9 年底投入运行，经过7 年多的建设，用气 规模已经接近设计规模。为了满足延安城市发展和日益增长的天然气用量的需要， 延安市又投资进行了天然气输配工程( - - 期) 建设。天然气门站控制系统是其中 最为关键的一部分。控制系统主要由现场仪表、控制器和计算机监控系统组成。 控制系统完成流量调节、流量计量、状态监控、数据报表及报警等功能。由于天 然气属于易燃易爆介质，控制系统在防雷防爆方面进行了全面处理，确保控制系 统的安全可靠运行。 1 2 国内外天然气输配与计量技术现状 我国天然气工业经历了5 0 多年的实践与发展，特别是近1 0 年的快速发展，成 功开发了四川、长庆、塔里木等气区多种类型的气藏。天然气的使用也经历了三 个阶段：8 0 年代以前主要在一些大中城市使用煤气；8 0 年代以后开始普遍使用液 化石油气；9 0 年代中期以后天然气在城市逐渐发展起来。天然气已经成为未来我 国城市燃气的发展方向。 天然气通过高压经管道传输到每个城市，城市天然气输配系统将高压天然气 进行一系列的降压和工艺处理之后，用以满足用户的使用要求。大部分天然气输 配系统的工艺处理由天然气门站控制系统完成，因此控制系统的开发至关重要。 目前，自动化控制产品主要以p l c 、f c s ，d c s 和i p c 为主。其中p l c 几乎占 据了整个自动化控制产品市场份额的一半。据不完全统计，世界p l c 的销售额，1 9 8 7 年为2 5 亿美元，1 9 9 3 年为3 9 亿美元，蛰j 2 0 0 0 年已达7 6 亿美元。如今，全世界有2 0 0 多厂家生产3 0 0 多个品种的p l c 产品，其中欧美的西门子、a b 、g e 等公司的p l c 产 品占据着大中型市场，日本的小型p l c 产品市场占有率也很高。我国p l c 研制、生 产、使用也发展很快。经过早期的成套控制系统引进到引进p l c 自己组成控制系统， 现在国内p l c 生产企业也达到了3 0 多家。 p l c 经过长期的发展，吸取了各种自动化控制产品的优点。p l c 不仅保留了结 构紧凑、组态灵活、可靠性高等优点，而且大多数p l c 都实现了成熟的冗余热备技 术，进一步提高了可靠性，吸取了现场总线控制系统的优点，使布线更加简单， 而且开放性强。p l c 的诸多优点使其在各个行业得到了广泛的应用。天然气是易燃 易爆的气体，对它的开发、运输、存储都要保证高度的安全性和可靠性。天然气 门站是天然气输配工程中的最主要部分，所以选用p l c 实现控制系统是绝佳的选择 天然气输配控制工程开发与研究 0 - 2 1 。 除了安全性和可靠性之外，控制系统还要实现天然气流量计量的准确性。传 统的用于天然气计量的流量计主要有孔板流量计、涡轮流量计和涡街流量计等【3 】 h 。这些流量计均属于接触式流量计。因此，气体中的固体杂质对流量计的测量精 度和流量计的使用寿命影响较大f 5 】。2 0 世纪9 0 年代气体超声波流量计在天然气工业 中的成功应用取得了突破性的进展，一些在天然气计量中的疑难问题得到了解决， 特别是多声道气体超声流量计已被气体界接受，多声道气体超声流量计是继气体 涡轮流量计后被气体工业界接受的最重要的流量计量器具。目前国外已有“用超 声波流量计测量气体流量”的标准，我国也正在制定“用气体超声波流量计测量 天然气流量”的国家标准。气体超声波流量计在国外天然气工业中的贸易计量方 面已得到了广泛采用【3 j 。 1 3 论文研究的主要内容 论文以延安天然气输配工程( 二期) 为背景，介绍了门站控制系统的实现功 能、软硬件设计、技术难点和现场调试情况。具体内容如下： 第一章：介绍了项目来源和国内外天然气工业相关控制系统及计量技术发展 现状。 第二章；叙述天然气门站控制系统的总体设计及硬件集成情况。经过对控制 系统的功能要求的分析，汇总了控制系统的测控信号，再根据汇总的信号选择系 统控制部件。控制部件分为三部分：上位监控、下位p l c 控制以及电气控制。本 章对这三部分的组成结构分别进行了详细描述，并着重描述了上下位双冗余系统 的硬件组成。本章最后介绍了防雷防爆产品的选型，此类部件主要包括电源舫雷 单元和信号防雷单元。 第三章：本章主要介绍控制系统的上下位软件开发。首先对s 7 3 0 0 系列p l c 工作过程和特点进行了详细的叙述。然后对p l c 编程软件s t e p 7 和监控组态软 件w m c c 进行了介绍，并阐述了模块化编程的实现方法及优点。接着重点介绍 了p l c 的控制程序设计，以流程图的方式描述了控制程序的结构，并对冗余程序、 通信程序和流量计量程序进行了详细的叙述。最后介绍了监控程序的结构，并着 重介绍了脚本技术的应用。 第四章：介绍了整个系统开发中涉及的关键技术的研究实现情况。本章主要 介绍了时钟同步、超声波流量计和冗余技术。 第五章：介绍了现场调试过程，总结了调试过程中遇到了问题。 以上为论文的主要内容，目前包括控制系统在内的门站已经建设完成并交付 使用。此控制系统为保证系统的连续安全可靠运行做了大量工作，把控制设备因 第一章绪论 意外而导致的停机损失降到最低。此次控制系统的设计为以后天然气控制系统的 设计提供了方法和思路。 第二章控制系统总体设计 第二章控制系统总体设计 2 1 工艺介绍 城市天然气接收门站是城市天然气输配系统的气源站，其主要功能是对所接 收的长输管线天然气进行过滤、调压、计量、加臭，同时门站还具有储气功能。 针对本门站而言，自上游分输站来的1 6 m p a 天然气经过滤、稳压至1 5 m p a 进入 高压球罐或调压至0 2 m p a 经加臭、计量后进入中压管网。在用气低峰时，一部 分天然气经调压后进入中压管网，剩余部分进入球罐存储：当用气高峰时，天然 气直接经调压后进入中压管网，不足部分由球罐中的天然气经调压后进入中压管 网。再采用柜式、箱式、用户调压相结合的调压方式为用户供气。供气方式流程 图如下： 枣园门站杨家湾门站 中压干管 ，r _ 一 中压支管 柜式调压器 j 已一 低压庭院管 j l 一 户内管 j l 一 煤气表 燃具 箱式调压器中压庭院管 低压庭院管l 用户调压器 户内管 j l 煤气表 燃具 户内管 j l 煤气表 燃具 图2 1 供气流程图 原一期工程建设完成了枣园门站和部分中低压管网，本次的工程建设将在一 期的基础上新建一个门站和部分中低压管网。本控制系统实现3 - - 期工程中的杨 家湾门站的各种控制功能，门站的工艺流程如图2 2 所示。 6 天然气输配控制工程开发与研究 图2 2 门站工艺流程 2 2 控制系统设计要求 控制系统设计分为两个部分：功能部分和安全部分。功能部分主要实现工艺 流程中的调压、计量和过程监控等功能：安全部分主要用来保证系统的安全运行。 下面分别进行介绍。 2 2 1 基本控制功能 经过对工艺流程的分析以及对西安北郊天然气门站及延安天然气输配控制工 程( 一期) 枣园门站的调研，得出延安天然气输配控制工程( 二期) 杨家湾门站 的基本功能有： ( 1 ) 迸站、出站电动球阀的远程开关控制和状态监视； ( 2 ) 进站电动球阀阀前压力高于设定压力时声光报警，再高出联锁设定压力时 关闭进站电动球阀： ( 3 ) 出站电动球阀阀后压力高于设定压力时声光报警，再高出联锁设定压力时 关闭出站电动球阎； 第二章控制系统总体设计 ( 4 ) 球罐内天然气压力高于设定压力时声光报警，再高出联锁设定压力时联锁 关闭球阀进气管电动球阀； ( 5 ) 监视过滤器的差压： ( 6 ) 监视各处汇流管压力： ( 7 ) 控制进球罐天然气流量和出站天然气流量； ( 8 ) 监视并归档进站天然气标况瞬时流量、累计量、压力、温度，并定时打印 报表； ( 9 ) 监视并归档出站天然气标况瞬时流量、累计量、压力、温度，并定时打印 报表； ( 1 0 ) 监视球罐内天然气温度； ( 1 1 ) 监视手动阀门的开，关状态； ( 1 2 ) 监视调压器的运行状态； ( 1 3 ) 监视消防水泵的运行状态； ( 1 4 ) 天然气泄露浓度检测及声光报警； ( 1 5 ) 控制系统应具有高可靠性，保证2 4 小时可靠运行。 由于罐区尚未建设，所以所有与罐区相关的功能都只是预留接口而并没有实 现。可见，测控信号既有模拟量又有数字量，具有联锁保护功能，而且需要进行 远程监测和控制。天然气流量的计量要保证精度，并将工况流量转换为标况流量。 2 2 2 防雷防爆要求 由于天然气属于易燃易爆气体，而且天然气供应关系国计民生，所以控制系 统必须考虑防雷防爆设计。为实现全面的保护，所有至p l c 控制柜的线路( 包括 电源线和信号线) 均经过防浪涌单元，所有现场仪表均使用防爆型仪表。如果没 有相应防爆型仪表，需采用低电压供电，防止产生火花。 2 3 测控信号汇总与分析 该系统控制点较多，为确定控制系统规模，在对各种控制点的具体信息进行 分析汇总之后，大致把信号进行以下分类： 按信号的传输方式可分为：开关量、模拟量和协议方式。 开关量的输出量控制设备的启动停止( 主要是电动球阀) ，输入量表示设备 的当前运行状态。 模拟量为现场仪器仪表的标准信号，即4 2 0 m a 的电流信号。本系统中的模 拟量输入信号较多，输出信号相对较少。 根据实际现场的控制要求，信号的采集来源也不相同。表2 1 是信号类型汇 总表。 8 天然气输配控制工程开发与研究 表2 1 信号类型汇总表 信号代码信号类型注释测控目标 d o开关量输出信号控制阀的开和关 驱动p l c 柜中小型继电器 d i 开关量输入信号 阀的开和关的反馈来源于现场阀的干接点 d i 开关量输入信号 手动装置位置反馈来源于现场接近开关 a o 模拟量输出信号4 2 0 m a提供位置和流量信息 a i 模拟量输入信号 4 2 0 m a 来源于现场传感变送器 4 8 5 协议方式流量信息采集流量计算机 经过对处理工艺的分析，按气体处理流程顺序将与控制系统相关的现场变送 器和执行机构汇总如下： ( 1 ) 进站：天然气压力变送器( p t 2 0 1 ) 1 个；温度变送器( 1 2 0 1 ) 1 个： 电动球阀( v i s c 2 0 1 ) 1 个； ( 2 ) 1 群集气管：压力变送器( p t 2 0 2 ) 1 个： ( 3 ) l 撑2 舟集气管之问( 过滤区) ：手动阀门回讯器( h v - 0 0 1 ，h v - 0 0 2 ) 2 个； 压差变送器( p d t - 2 0 1 ，p d t - 2 0 2 ) 2 个； ( 4 ) 2 # 集气管：压力变送器( p 2 0 3 ) 1 个； ( 5 ) 2 撑3 # 集气管之间：手动阀门回讯器( h v - 0 0 3 ，h v - 0 0 4 ) 2 个；压力变送 器( p t - 2 0 4 ) 1 个；温度变送器( 1 t 2 0 2 ) 1 个；超声流量计( 包括流量计算机) 1 套； ( 6 ) 3 撑集气管：压力变送器( p t - 2 0 5 ) 1 个；手动阔门回讯器( h v 0 0 7 ) 1 个； ( 7 ) 3 # - 4 # 集气管之间( 调压区1 ) ：手动阀门回讯器( h v 0 0 5 ，h v - 0 0 6 ) 2 个； 调压器( v i 2 0 1 ，v i 2 0 2 ) 2 个； ( 8 ) 铺集气管：压力变送器( p t - 2 0 6 ) 1 个； ( 9 ) 4 # - 5 # 集气管之间：流量调节阀( v i c 2 0 0 ) 1 个； ( 1 0 ) 5 群集气管：压力变送器( p t 2 0 7 ) 1 个； ( 1 1 ) 5 舟蒯集气管之间( 调压区2 ) - 手动阀门回讯器( h v - 0 0 8 ，h v - 0 0 9 ，h v m l o ) 3 个；压差变送器( p d | 2 0 3 ，p d t - 2 0 4 ，p d t 2 0 5 ) 3 个；调压器( v i 2 0 3 ，v i 2 0 4 ， v i 2 0 5 ) 3 个； ( 1 2 ) 甜集气管：压力变送器( p t - 2 0 8 ) 1 个； ( 1 3 ) 砰集气管之后：熟式流量计l 台；电动球阀( v i s c 2 0 2 ) 1 个；压力变 送器( p t - 2 0 9 ) 1 个；温度变送器( 1 1 心0 3 ) 1 个； ( 1 4 ) 调压装置区可燃气体浓度检测器( a t - 2 0 1 ，a t - 2 0 2 ，a t - 2 0 3 ，a 1 ：2 0 4 ) 4 个； ( 1 5 ) 罐区：电动球阀( v i s c - 1 0 1 ，v i c 1 0 2 ，v i s c 1 0 3 ，v i c 1 0 4 ，v i s c 1 0 5 ， v i c 1 0 6 ) 6 个；压力变送器( p t - 1 0 1 ，p t - 1 0 2 ，p t - 1 0 3 ) 3 个；温度变送器( t t - 1 0 1 ， 第二章控制系统总体设计 9 t r - 1 0 2 ，t t - 1 0 3 ) 3 个；罐区可燃气体浓度检测器( a t - 1 0 1 ，a t - 1 0 2 ，a t - 1 0 3 ， a t - 1 0 4 ，a = r - 1 0 5 ，a t - 1 0 6 ) 6 个： ( 1 6 ) 锅炉房可燃气体浓度检测器( a 1 ：5 0 1 ) 1 个； ( 1 7 ) 消防水泵3 个。 根据上述监控信号要求和特征，选用了相应的传感器变送器和执行器。具体 汇总如下表2 2 所示。 表2 2 传感废送器和执行器信号汇总 仪表位号名称 数量 d ld oa ia or $ 4 8 5 备注 p t - 1 0 1 1 0 3 罐区压力变送器33 4 2 0 m a ( 二线) t t _ 1 0 1 1 0 3 罐区温度变送器 33 4 2 0 m a ( 二线) a t - 1 0 1 1 0 6罐区气体检测器664 2 0 m a ( 二线) v i s c - 1 0 1 ，1 0 3 ， 1 0 5罐区电动球阀3 开阀，关阀 6 通过电气接触器 开到位。关到位 6 行程限位 v i c 一1 0 2 ，1 0 4 ，1 0 6 罐区电动球阀 3 开阀关阀6 控制接触器 开到位，关到位 6 行程限位 a r - 5 0 1锅炉房气体检测器l1 “，n m a ( 一绛、 调压装置区压力变送 p t - 2 0 l 2 0 9器99 a - 一? o r n af 一姥、 调压装置区温度变送 1 r - 2 0 1 2 0 3 器 33 4 2 0 m a ( 二线) 调压装置区差压变送 p d l - 2 0 1 2 0 5 器 5 54 2 0 m a ( 二线) 调压装置区气体检测 a t - 2 0 i - 2 0 4器44 4 ，r h n af 一岳# 1 超声波流量计+ 流量通过m o d b u s 协 f t 2 0 1 计算机 l1 议传递数据 f r 2 0 2热式流量计ll4 2 0 m a 4 2 0 m a ( 调节和显 v i c 2 0 0流量调节阀lll 示开度) v i 2 0 1 - 2 0 5 调压器阀位显示 55 开关状态 s c 2 0 1 2 0 2调压装置区电动球阀2 开阀，关阀4控制接触器 开到位。关到位 4 行程限位 调压装置区手动阀门检测通过隔离栅的 h v o o l 0 1 0 回讯器 l o1 0 信号。开关状态 消防水泵 3 3开关状态 合计6 33 41 6 3 6 ll 天然气输配控制1 2 程开发与研究 其中，压力变送器p t 2 0 4 和温度变送器t t 2 0 2 需要接至流量计算机，p l c 通过m o d b u s 协议从流量计算机得到这两个信号。上表为选择控制系统控制部件 的主要依据。 2 4 硬件集成方案 根据对测控信号的分析汇总，以及控制系统对可靠性和安全性的要求，经过 多次方案论证，最终选定了上下位双冗余系统的解决方案。此方案以最低的成本 保证了系统的可靠性。整个控制系统分布在主控室、配电室、现场这三个区域。 主控室内包含了控制器、监控计算机；配电室为整个门站供电：现场主要是执行 机构和各种仪表。 2 4 1 硬件平台选择 经过对目前市场上各种自动控制系统的分析对比，从性能、价格和开发周期 等方面综合考虑，决定采用西门子公司的p l c 组成软冗余系统作为控制系统的核 心控制器。同样为提高上位监控系统的可靠性，监控计算机采用两台西门予的工 控机组成双机热备冗余系统。监控计算机和p l c 通过工业交换机组成以太网。控 制系统的组成框图如图2 3 所示。 监控计算g t a 懿控计算机b _ _ 一f 打印机 一一7 一一 ， 一 i i n d u s t r ja l e t h e r n e t l _ 二z 12 ! 三一兰崔 夏鲁= g 丢 uouo v b 互1b 王、 f 茎写 型舌葛8 山王i 互 幽2 3 控制系统组成框图 第_ _ 二章控制系统总体设计 2 4 2 控制部件选型 控制系统硬件是实现所有控制功能的基础，硬件的选配设计直接影响到控制 系统的成本以及系统的控制精度、可靠性和稳定性。控制系统硬件的选型并非越 先进越好，应该根据控制系统功能选择合适的韶件，降低系统的成本。卜面将对 本控制系统硬件选型进行详细介绍。 2 4 2 1p l c 控制系统硬件配置 根据对控制系统测控信号的分析，确定系统为中等规模控制系统，系统对可 靠性和精度都有一定要求。为此设计中选用西门子s 7 3 0 0 可编程控制器作为主控 制器。为保证可靠性和控制成本，控制系统采j 羽了s 7 3 0 0 的软冗余解决方案，实 现了c p u 、电源和网络的冗余配置。在冗余系统中，i o 模块通过e t 2 0 0 m 与c p u 进行通信。c p u 与e t 2 0 0 m 采用p r o f i b u s 通信协议，保证了数据的传输速度 和实时性。 采用p l c 控制系统，大大加强了系统的集成度，与上位机之间采用以太网通 讯方式，增强了数据的传输速度，满足了大数据量传输的需求。控制系统的硬件 配置如图2 4 所示。 i p c i p c 二! ! ! 里i 。 工控机i = 兰兰= =工业交换机：= 三圣 ；l ：= = 。 一 l 一一 一一22-i 一= 一 瓣 ili ? a 数据同步 ； e 誊三；兰写 矧 i ；i ；i li i 嚣；ii ii i 爿 兰臻 至善 切 艺言 l l 蚕i l 王 b = 。h 。 图2 4 控制系统硬什配置 系统由两套c p u 3 1 5 - 2 d p 控制器，两套e t 2 0 0 m 远程i o 站组成。如果按冗 余结构划分，系统由主控系统和备用系统组成。主控系统和备用系统结构相同， 都是由相应的c p u 、e t 2 0 0 m 上的i m l 5 3 2 接口模块和p r o f i b u s 通讯网络组成。 天然气输配控制工程开发与研究 主控系统和备用系统通过m p i 通信方式进行数据同步。为使两个c p u 均能访问 i o 模块，所有的i o 模块都放置在e t 2 0 0 m 机架上，作为远程i o 。为实现软冗 余，在硬件上必须满足以下基本要求1 6 1 ： ( 1 ) 2 套p l c 控制器，可以是s 7 3 0 0 ( c p u 3 1 5 2 d p 以上) 或s 7 4 0 0 系统； ( 2 ) 3 条通讯链路，主系统与从站通讯链路、备用系统与从站通讯链路、主 系统与备用系统的数据同步通讯链路； ( 3 ) 若干e t 2 0 0 m 从站，每个从站包括2 个i m l 5 3 - 2 或i m l 5 3 3 接口模块； ( 4 ) 若干个有源底板和有源总线导轨。 根据对现场不同测控信号的分析和实现软冗余的要求，下位机基本p l c 模块 配置如表2 3 所示： 表2 3 基本p l c 模块配置清单 型号名称数量备注 6 e s 73 9 0 - l a e 8 0 0 a a 0 d i n 导轨14 8 2 m m 6 e s 73 0 7 - 1 e a 0 0 0 a a 0 电源4 2 4 v , 5 a 6 e s 73 1 5 - 2 a g l 0 - 0 a b 0c p u 2c p u 3 1 5 2 d p 6 e s 79 5 3 8 l l l l o a a 0 存储卡22 m 6 e s 73 2 1 1 b l 0 0 - 0 a a 0d i2 3 2 6 e s 73 2 2 1 b l 0 1 - 0 a a 0d ol3 2 ，o 5 a 6 e s 73 31 7 k f 0 2 - 0 a b 0a i 5 6 e s 73 3 2 - 5 h b 0 1 0 a b oa o12 a o 6 e s 73 9 2 - l a j 0 0 - o a a 0 前连接器 6 2 0 针 6 e s 73 9 2 一l a m 0 0 0 a a 0 前连接器34 0 针 6 e s 71 5 3 2 b a 0 l - 0 b 0i m l 5 3 24 6 e s 71 9 5 - l g a 0 0 0 x a 0 有源总线导轨 24 8 3 m m 6 e s 71 9 5 - 7 h d 0 0 o x a 0 i m ，i m 模板2 6 e s 71 9 5 7 h b o o - 0 x a o 有源总线模板 5 6 e s 71 9 5 1 j a 0 0 - 0 x a o 端子盖 2 6 e s 79 7 2 - 0 b a l 2 - 0 x a o p r o f i b u s 总线接头 8 不带编程口 6 x v l 8 3 0 - 0 e h l 0 总线电缆 2 0 m 6 e s 79 7 2 - 0 c b 2 0 - 0 x a 0p c 适配器lu s b m p i 6 g k 73 4 3 1 e x 2 0 - 0 x e o c p 3 4 3 12 以太网模块 6 g k l1 0 2 - 6 a b 0 0e l st p 4 0 ml 工业以太网交换机 6 e s 73 4 l - i c h 0 1 - 0 a e 0c p 3 4 1l 4 8 5 通信 6 g k l9 0 1 - l b b l 0 2 a a o l u 4 5 接头 4 此系统除了实现基本控制功能外，还能够实现四个方面的冗余：主机架电源、 背扳总线等冗余、p l c 处理器冗余、p r o f i b u s 现场总线网络冗余( 包括通讯接 口、总线接头、总线电缆的冗余) 、e t 2 0 0 m 站的通讯接口模块i m l 5 3 2 冗余。 第二章控制系统总体设计 2 4 2 2p l c 控制系统硬件介绍 该系统采用了s 7 - 3 0 0p l c 作为主站，与分布式i oe t 2 0 0 m 组成冗余系统， 从站采用有源总线模板将各模块从物理上和电气上连接起来【7 埘。安装时先将有源 总线模板装入导轨，然后依次将各模块插入，最后将这组模块固定在导轨上。需 要注意的是，要实现冗余功能就必须使用有源总线模板，而不能使用普通的u 型 总线。 表2 3 给出了本系统中配置的模块型号和数量。下面对使用的这些模块作具 体说明。 ( 1 ) 中央处理器c p u 3 1 5 2 d p s 7 3 0 0 的c p u 类型很多，分别适用于不同等级的控制要求，但只有 c p u 3 1 5 - 2 d p 以上型号才具有软冗余功能。本系统考虑可靠性以及项目成本，使 用了c p u 3 1 5 - 2 d p ，该c p u 模块集成了m p i 和p r o f i b u s d p 接口，m p i 可以连 接计算机、操作面板和其他的支持m p i 协议的控制器。p r o f i b u s d p 接口可连 接分布式i o 、p g ( 编程器) o p ( 操作员面板) 和其它d p 主站。c p u 3 1 5 - 2 d p c p u 没有集成程序存储器，需要增加m m c 存储卡才能使用，本系统中为每个 c p u 3 1 5 2 d p 配置了2 m 的存储卡。 ( 2 ) 通讯模块c p 3 4 3 1 用于将s i m a t i cs 7 3 0 0 连接到以太网上，是工业以太网总线系统的通讯处 理器，具有独立处理经过工业以太网的数据业务。它有自己的微处理器，因而能 减轻c p u 的通讯任务和进一步的连续扩展。c p 3 4 3 1 支持1 0 1 0 0 m b i t s 通讯速率， 全半双工传输，具有用于自动开关的自感应功能。可对传输协议t c p 与u d p 实 现多协议运行。c p 3 4 3 1 支持的通讯服务有：t c p i p 和u d p 传送报文；p g o p 通讯；s 7 通讯；s 5 兼容通讯。 ( 3 ) 通讯模块c p 3 4 1 用于为s 7 3 0 0 扩展串行通讯接口，提供了对多种物理接口和通讯协议的支 持。它具有一个电隔离的通讯接口，可以根据需要在三种接口( t 1 y ，r s 2 3 2 c ， r s 4 2 2 4 8 5 ) 中进行选择。c p 3 4 1 支持o 3 7 6 8 k b i t s 可配置的通讯速率，并可配 置为3 9 6 4 ( r ) 、a s c i i 、r k 5 1 2 和客户驱动程序等不同的通讯协议。为增强抗干 扰能力，可以选择在接收线上配置上拉或下拉电阻。 ( 4 ) e t 2 0 0 m 通讯模块 e t 2 0 0 m 是多通道模块化的分布式i o ，采用s 7 3 0 0 全系列模块，最多可扩 展8 个模块，可以连接2 5 6 个i o 通道，适应于大点数、高性能的应用，它支持 h a r t 协议的模块，可以将h a r t 仪表接入现场总线。它具有集成的模块诊断功 能，配合有源总线模板可以实现运行中更换模块。接口模块i m l 5 3 - 2 和i m l 5 3 3 可以配合适当的c p u 实现冗余功能。 1 4 天然气输配控制工程开发与研究 e t 2 0 0 m 户外型是为野外应用设计的，其温度范围可达一2 5 + 6 0 度。 ( 5 ) 开关量输入模块s m 3 2 1 数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式 光电开关和接近开关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转 换为p l c 内部的信号电平。输入电路中一般设有r c 滤波和光电隔离电路，以防 止由于输入抖动或者外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电路中还设有限流 电阻使输入电流维持在数毫安。 图2 5 直流输入模块电路图2 6 继电器输出模块电路 如图2 5 是直流输入模块的内部电路和外部接线图。图中只画出了一路输入 电路，当外接触点接通时，光耦合器中的发光二极管点亮，光敏三极管饱和导通； 外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止。当模块安装 在c p u 机架上，并通过背板总线与c p u 相连时，信号经背板总线接口传送给c p u 模块；当模块安装在e t 2 0 0 m 远程机架上时，信号通过i m l 5 3 接口模块发送到 c p u 模块1 9 1 。 ( 6 ) 数字量输出模块s m 3 2 2 s m 3 2 2 数字量输出模块用于驱动电磁阀、接触器、小功率电机、电动机启动 器等负载。数字输出模块将s 7 3 0 0 的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信 号电平，同时有隔离和功率放大的作用。 输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、 小型继电器。输出电流的典型值为o 5 2 a ，负载电源由外部现场提供。 继电器输出模块的负载电压范围宽，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流 的能力较强，但动作速度较慢，动作次数有一定的限制。对于输出量变化不是很 频繁的系统，一般采用继电器输出模块。图2 6 是继电器输出模块电路示意图。 ( 7 ) 模拟量输入模块 模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为c p u 内部处理用的数字信号，其主 要组成部分是a d 转换器。模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器输出 的标准直流电压、电流信号。 第二章控制系统总体设计 通过调整模块侧面的量程卡可以改变模拟量输入模块测量信号的类型和量程 范围，同时在硬件组态中也要做相应的改变。模块中的两个通道为一组，可以为 不同组的通道设置不同的输入信号类型，并选用不同的量程。在硬件组态中有多 种分辨率可供选择( 9 1 5 位+ 符号位，与模块有关) ，分辨率不同转换时间也不 同。 模拟量模块为降低成本使用了a d 转换器分时复用的技术。模拟量模块中的 a d 转换器的数量少于通道数，每个模拟量通道的输入信号是被依次轮流转换的。 如图2 7 所示。模拟量输入模块由多路开关、a d 转换器、光隔离元件、内部电 源和逻辑电路组成。8 个模拟量输入通道共有一个a d 转换器，通过多路开关切 换被转换的通道，模拟量输入模块各输入通道的a d 转换和转换结果的存储与传 送是顺序进行的。如果模块中有多余的通道，可以在硬件组态中将其屏蔽，这样 可以减少转换的总时间。 图2 7 模拟量输入模块图2 8 模拟量输出模块 ( 8 ) 模拟量输出模块 模拟量输出模块用于将c p u 送给它的数字信号转换成对应比例的电流信号 或者电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是d a 转换器。如 图2 8 是模拟量输出模块示意图。在本系统中，模拟量输出主要用于控制流量调 节阀开度和提供流量信息给加臭装置。s m 3 3 2 可以输出电压，也可以输出电流， 可以在硬件配置中选择输出信号的类型。本系统中的模拟量输出模块均采用 4 2 0 m a 电流输出方式。 ( 9 ) 电源模块p s 3 0 7 p s 3 0 7 电源模块向s 7 3 0 0 模块提供d c 2 4 v 电源。输入电压为2 3 0 1 2 0 v 可调， 输出电流额定值有2 a 、5 a 、1 0 a 三种型号。一个系统当确定所有的模块后，要 选择合适的电源模块，所选定的电源模块的输出功率必须大于c p u 模块、所有 i o 模块、各种智能模块等消耗功率之和，并且要留有3 0 左右的裕量。本系统 中p s 3 0 7 不仅给各种p l c 模块供电，还要为现场仪表供电。p l c 各种模块的耗 1 6 天然气输配控制工程开发与研究 电量如表2 4 所示： 表2 4 p l c 模块耗电量 模块 通过背板总线吸取的电流从2 4 v 负载电源吸取的电流 ( 最大值)( 不带负载运行) c p u 3 1 5 2 d p供1 2 a 1 a ( 接口) i m l 5 3 2 b a 0 l 供1 a 6 2 5 m a c p 3 4 3 1 e x 2 02 0 0 m a 2 0 0 m a s m 3 31 7 k f 0 25 0 m a2 0 0 m a s m 3 3 2 5 h b 0 16 0 m a1 3 5 m a s m 3 2 1 一l b l 0 01 5 m a s m 3 2 2 1 b l 0 11 1 0 m a1 6 0 m a c p 3 4 1 1 c h 0 17 0 m a2 4 0 m a 在两个c p u 机架上，模块从背板总线吸取的电流相同，都为2 0 0 m a 。在 e t 2 0 0 m 上由于所带模块不同从背板总线吸取的电流也不同。由图2 4 所示，第 一个e t 2 0 0 m 背板总线吸取的电流为1 5 2 + 1 1 0 + 5 0 3 = 2 9 0 m a ；第二个e t 2 0 0 m 背板总线吸取的电流为5 0 2 + 6 0 + 7 0 ：= 2 3 0 m a 。可见c p u 3 1 5 2 d p 和i m l 5 3 2 对 背板总线的供电都能满足要求。两个c p u 所在机架从2 4 v 负载电源吸取的电流 为1 0 0 0 + 2 0 0 = 1 2 0 0 m a ：第一个e t 2 0 0 m 从2 4 v 负载电源吸取的电流为6 2 5 2 + 1 6 0 + 2 0 0 3 = 2 0 1 0 m a ；第二个e t 2 0 0 m 从2 4 v 负载电源吸取的电流为6 2 5 2 + 2 0 0 x 2 + 1 3 5 + 2 4 0 = 2 0 2 5 m a 。可见四个5 a 的p s 3 0 7 能够满足p l c 模块的用电需 求。因为模块负载的供电也要由p s 3 0 7 提供，所以还要计算负载电流大小，各种 负载的耗电量如表2 5 所示。 表2 5 负载耗电量 信号类型耗电量 d i7 m a d o3 7 m a a i 最大2 0 m a a o 最大2 0 m a 流量计算机和超声波流量计6 t 5 m a 热式流量计2 4 0 m a t p 4 0 i2 1 5 m a 所以根据表2 2 所汇总的信号数量计算总的负载电流为： 7 x 3 4 + 3 7 1 6 + 2 0 3 6 + 2 0 + 6 1 5 + 2 4 0 + 2 1 5 = 2 6 4 0 m a 总的耗电量为1 2 0 0 + 1 2 0 0 + 2 0 1 0 + 2 0 2 5 + 2 6 4 0 - - 9 0 7 5 m a 。因为四个电源模块一 共能提供2 0 a 的电流，所以总的电源供应是满足要求的。但为了使每个电源模块 都有一点的余量，负载电流应均匀分配到每个电源模块上。 2 4 2 3 控制系统通信方式选择 由系统组成结构图可知，整个系统由4 个独立的网络互联而成，包括：上位 第二章控制系统总体设计 监控计算机与p l c 之间的通讯网络、p l c 主站网络、p l c 备用站网络和主备同步 网络。 上位监控计算机与p l c 之间的通讯，有数据量大、实时性要求低的特点，因 此选用工业以太网通讯方式。工业以太网虽然传输速度可以达到1 0 0 m b i t s ，但由 于工业以太网采用冲突检测的方法决定网络的控制权，这就使得其具有不确定性， 所以目前工业以太网主要应用在管理层网络。同时，随着各种工业以太网新技术 的出现，工业以太网的实时性已经得到了非常大的改善，开始应用于控制网络中 0 0 1 。 p l c 主站网络和备用站网络用来传输过程数据和控制信号，因此数据量较小， 但实时性要求高。p r o f i b u s 是面向工厂自动化、流程自动化的一种国际性的现 场总线标准，是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统，适合于快速、 时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务。采用p r o f i b u s 总线可以很好的 满足通信要求，并充分利用c p u 提供的通讯资源。 主备同步网络用来进行主站与备用