PLC 在天然气输送自控系统中的应用

　长宁输气管线把陕甘宁气田的天然气从靖边输送至银川,主要为宁夏化工厂两套化肥装置提供用气并解决银川和邻近县、市的用气。全线采用以可编程控制器( PLC) 为核心的监视控制和数据采集系统(SCADA) ,设有靖边首站。盐池清管站和银川末站。各站均设有站控系统,控制中心设在银川,控制中心与各站之间的数据交换通过光缆通讯来完成。该管线自控系统的组成如图1 所示。

1 　站控系统完成的功能及其构成

1．1 　站控系统的功能

站控系统以PLC 为核心,采集站场的数据、计算流量,并把数据送到站内的上位机,以便站内值班人员监控。控制中心通过广域网,可以采集全线各站的数据,对全线生产进行实时监控,高效地进行生产管理。站控系统完成的主要功能有:实时采集生产现场数据;站内电动阀的远程控制(包括对流量控制阀的PID 调节) ;清管系统的顺序控制;趋势、事件、报警的处理显示;工艺流程的动态画面显示;流量计算、生产管理。

1．2 　PLC 系统的硬件

下面以银川站站控系统为例进行介绍。站控系统的硬件由I/ O 框架、电源、处理器、ENET 模板、I/ O 模板、AGA 计算模板、BASIC 模板、远程I/O 框架、脉冲板及通讯电缆等组成。硬件配置见图2 所示。

处理器和大部分模板都选用了性能优良的美国A2B 公司的产品。17852L30B 型处理器具有32K内存,最大I/ O 容量为2 048 个互补I/ O 点,即1024 个输入和1 024 个输出,可带8 个I/ O 机架。同时处理器还配置了4 个通讯端口,可连接上位机、远程通讯设备和编程终端。处理器还配有EEPROM 内存模块,可用来储存或备份用户的程序文件。当处理器RAM 失效(如处理器全部断电) 又恢复正常后,可把EEPROM 中的正确程序写回RAM 内。通过1771 通用I/ O 框架的背板,处理器与本地I/ O 模板进行通讯。处理器与I/ O模板由17712P7 提供电源,17712P7 安装在框架的

外部。17852ENET 模板是以太网通讯模板。将它与PLC 处理器连接到一起,同时插入PLC 框架的0 #机架0 # 号槽。这样处理器就变成了以太网处理器,因为以太网处理器使用TCP/ IP 协议,需要给它指定一个惟一的IP 地址。I/ O 模板有数字量模板(如DI ,DO 模板) ,模拟量模板(如AI ,AO ,RTD 模板) 。数字量I/ O 模板由发光二极管指示输入、输出状态,便于维护,且模板的I/ O 点数有多种配置。长宁管线选用的模板能够完成如下功能:数字量输入模板(17712IBD)用来采集阀位状态和报警信号等;数字量输出模板(17712OBD) 用来发出开关阀命令;模拟量输入模板(17712IFE) 采集现场的压力和差压值;模拟量输出模板(17712OFE) 用于流量控制阀的PID 调节;热电阻模板(17712RTD) 采集现场温度;脉冲模板(17712CFM) 采集涡轮流量计的脉冲; 计量模板(21002AGA) 用来计算流量。

1．3 　PLC 系统的软件

由于使用了以太网处理器,挂在网络中的计算机都可以使用RSLinx 软件与之建立通讯,并用RSLogix 5 编程软件编制梯形图程序。RSLogix 5是基于Windows 操作系统开发的软件包。它的窗口界面使远程编程调试变得十分灵活方便。PLC程序流程图如图3 所示。

气体组分采用BTU 在线分析仪实时采集的值。但是,由于外界因素的影响,从而导致BTU偶尔会有错误发生,如组分出现负值,甲烷、乙烷值颠倒。如果直接把错误的组分值输入AGA 用于计算流量,那么不仅影响流量的准确性,而且还会造成AGA 死机。在PLC 程序中加入判断,若组分值不在范围内或组分有负值,则本次分析值不参与计算,组分值选用最近一次的正确值。程序中还加入了报警处理,当参数越限或设备故障时,能产生报警信息,并能警示操作员是什么报警。

电动阀的操作分为就地和远程控制。当需要倒换流程时,尤其在紧急状态下,在站控室或控制中心即可对电动阀进行远程控制。满足站控开阀的条件为:该阀处于站控、无停阀命令、未开到位、无关阀命令、有开阀命令、无故障报警、无报警确认。站控开电动阀的PLC 程序如图4 所示。

流量控制阀的控制分为数字量控制和模拟量控制。为了避免数字控制与自动模拟量控制的相互干扰,在系统中加入了控制转换开关。当阀处于数字量控制时,模拟量控制失效;而当处于模拟量控制时,数字量控制失效。当阀处于数字量控制时,操作方式与电动阀相同。当阀处于模拟量控制时,用过程控制指令PID 进行调节。PID 调节又分为手动调节和流量调节。当手动调节时,人工输入阀位开度;当流量调节时,根据指定的流量值和估算出的比例增益(P) 、积分增益( I) 、死区(DB) 经验值,并将计算出的PID 值送入OFE 模板BTW指令的数据文件中。为了防止系统在手动与自动切换时的相互扰动,在程序中采用了阀位跟踪技术,即:在自动调节时,手动输出值自动跟踪自动阀位;在自动调节时,自动输出值自动跟踪手动阀位。这样就实现了无扰动切换。

2 　流量计算

在天然气输送控制系统中,流量的计算非常关键,计量系统的准确、可靠与否直接关系到企业的生产和效益。该系统采用了美国Prosoft 公司生产的2100-AGA 流量计算模板。它可独立配置10 路测量仪表参数,并能同时完成这10 路的流量计量,给出标准状态下的瞬时流量和累计流量。2100-AGA 需要配置的主要仪表参数如下。

　　1) 10 路的公共部分:Modbus 通讯协议;计量单位;标准温度、标准压力、清零时间;当地大气压值;系统时间。

2) 各路参数:AGA3 或AGA7 报告选择(其中AGA3 用于计算孔板流量;AGA7 用于计算涡轮流

量) ;取压方式;材质;压缩系数计算方法;管径、孔板直径;压力、温度、差压范围;死区;采样温度、压力;采样的差压(AGA3 用) ; 采集的脉冲(AGA7用) ;气体组分。

银川站现有7 路计量,第4 ,5 路采用涡轮流量计,选用AGA7 号报告;其他5 路采用孔板流量计,选用AGA3 号报告; 组分参数采用美国Chandler公司的BTU 在线分析仪,分析结果通过BASIC 通讯模板传送到AGA 中,用AGA8 号报告计算出压缩因子。压力、差压、温度和脉冲信号都由前面提到的相应模板采集到PLC 中,并传送至AGA 中。

为了方便地修改孔板的内径值,在上位机中增加了修改孔板参数的画面。调度员可根据孔板的大、小修改孔径,并由上位机传送至AGA 中。

3 　结束语

该管线的SCADA 系统充分利用了PLC 的优点,运行3 年多来,十分可靠稳定。其间由于生产规模的扩大, PLC 系统也做了很大的扩展。在这几年的系统维护中,笔者发现PLC 系统的硬件扩展比较方便,梯形图程序也很好修改。该系统的使用,大大降低了生产人员的劳动强度,提高了自动化控制水平,为安全、平稳、高效输气提供了有力的保障。