基于PLC的煤層氣無人值守集氣站控制系統(tǒng)

陳光益，周楊飛（中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司，山西 忻州 036699）

基于PLC的煤層氣無人值守集氣站控制系統(tǒng)

陳光益，周楊飛（中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司，山西 忻州 036699）

隨著煤層氣氣田數(shù)字化水平的不斷提高和低成本開發(fā)的需要，集氣站逐步向無人值守方向發(fā)展，本文以中石油煤層氣保4無人值守集氣站的實際建設(shè)為實例，從硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)兩方面描述了無人值守集氣站的結(jié)構(gòu)和工作過程；自2015年5月該無人值守站投產(chǎn)運(yùn)行以來，經(jīng)過長時間的完善,目前無人值守站系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。自該系統(tǒng)運(yùn)行以來，作業(yè)區(qū)監(jiān)控室得以實現(xiàn)24h不間斷實時監(jiān)控集氣站生產(chǎn)運(yùn)行情況，遇到緊急情況可以在第一時間發(fā)現(xiàn)，并且進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和指揮。最大程度為集氣站安全平穩(wěn)運(yùn)行提供保障，同時降低了員工的生產(chǎn)勞動強(qiáng)度改善人員生活環(huán)境。

煤層氣；無人值守；實時監(jiān)控；數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳；站控系統(tǒng)；

1 集氣站工藝及生產(chǎn)信息

全橇裝無人值守保4集氣站位于山西省忻州地區(qū)保德縣韓家川鄉(xiāng)豆塔村。該站將保德區(qū)塊煤層氣集輸管網(wǎng)來氣分離、增壓、脫水后外輸。設(shè)計煤層氣處理能力為50×104Nm3/d，進(jìn)站氣壓力0.02～0.25MPa，經(jīng)過處理后外輸，外輸壓力0.8～1.20MPa，氣質(zhì)滿足《天然氣》中規(guī)定的二類氣的氣質(zhì)要求，水露點滿足管輸要求。工藝原理如圖1所示。

圖1 集氣站工藝框圖

2 站控PLC系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)選用UWinPAS500集散控制系統(tǒng)，具有可靠性高、系統(tǒng)開放、功能強(qiáng)大、維護(hù)簡便的特點。系統(tǒng)固件平均無故障時間（MTBF）見表1，平均故障修復(fù)時間（MTTR）為30分鐘。控制系統(tǒng)的控制器、電源、通訊網(wǎng)絡(luò)均為1:1冗余配置。

表1 系統(tǒng)固件平均無故障時間

2.1 PLC采集的信號

保4集氣站采用全橇裝化生產(chǎn)裝置，各生產(chǎn)單元具備獨(dú)立的控制器，實現(xiàn)了站內(nèi)生產(chǎn)流程的分布式控制與集中管理。

系統(tǒng)共設(shè)計有16臺工藝裝置需要與站控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信：5臺螺桿壓縮機(jī)、3臺螺桿壓縮機(jī)變頻器、1臺恒溫露點控制橇、4臺外輸流量計算機(jī)、1座散放管、1臺UPS、1臺EPS數(shù)據(jù)。各個裝置的數(shù)據(jù)通信采用國際標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議，通過485通信線纜實現(xiàn)。另外，站內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)場的1臺進(jìn)站分離橇、2臺過濾分離橇、2臺外輸橇及部分儀表數(shù)據(jù)和設(shè)備需要由站控DCS系統(tǒng)直接采集和控制。

系統(tǒng)一共采集8個AI、2個AO、32個DI、56個DO、16路RS485信號。

2.2 系統(tǒng)功能

站控系統(tǒng)上位機(jī)采用UWinPAS500 DCS畫面組態(tài)軟件設(shè)計開發(fā)完成，主要完成的功能有：

流程數(shù)據(jù)實時監(jiān)測：通過主工藝流程界面及各工藝橇流程界面，可以實現(xiàn)對站內(nèi)各數(shù)據(jù)采集點的實時監(jiān)測。

運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)測：通過主工藝流程界面對各閥門的開關(guān)到位及故障狀態(tài)、可燃?xì)怏w報警狀態(tài)等進(jìn)行實時監(jiān)測。

遠(yuǎn)程控制：DCS平臺對各電動機(jī)構(gòu)的控制具備“自動”和“手動”兩種方式。自動方式下，由采集到的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)值聯(lián)動控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的啟停或開關(guān)動作。手動方式下，由操作員點擊人機(jī)界面的按鈕實現(xiàn)對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟停或開關(guān)操作。站控平臺可手動控制壓縮機(jī)啟停機(jī)、恒溫露點撬啟停機(jī)、外冷撬啟停機(jī)，放散管開關(guān)。另外站控平臺可全廠系統(tǒng)聯(lián)鎖、ESD聯(lián)鎖控制壓縮機(jī)停機(jī)、恒溫露點撬停機(jī)、外冷撬停機(jī)、進(jìn)出站閥門關(guān)閉、放空閥門開啟。

報警功能：DCS平臺可以對采集到的超出正常范圍的數(shù)值進(jìn)行實時報警提示，并生成報警記錄以便查詢。對現(xiàn)場ESD緊急狀況進(jìn)行聲光聯(lián)動報警。

報表及曲線生成：DCS平臺可以依據(jù)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)生成生產(chǎn)運(yùn)行報表及曲線，并可實現(xiàn)報表的導(dǎo)出和打印功能。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

保4集氣站自動化系統(tǒng)整體采用分布式結(jié)構(gòu)，由工藝橇有各自的控制器，而后通過485通訊線纜基于MODBUS-RTU協(xié)議與中控室DCS進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的交互。中控室DCS與站控PC通過百兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.4 系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)包括類現(xiàn)場設(shè)備層、數(shù)據(jù)處理層、監(jiān)控操作層。

（1）現(xiàn)場設(shè)備層

現(xiàn)場設(shè)備主要是壓力表、溫度表、液位計、電動閥門、以及流量計算機(jī)、恒溫露點橇、壓縮機(jī)、放散管等第三方設(shè)備自帶控制系統(tǒng)通過RS485接口、MODBUS RTU協(xié)議將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至站控計算機(jī)；

（2）控制和數(shù)據(jù)處理層

過程控制層的核心設(shè)備為PLC。本站PLC系統(tǒng)由CPU模塊、AO模塊AI模塊、DI模塊和DO模塊構(gòu)成。

（3）監(jiān)控操作層

監(jiān)控操作層功能主要依靠工控機(jī)和監(jiān)控終端設(shè)備實現(xiàn)。

2.5 系統(tǒng)軟件集成情況

站控系統(tǒng)軟件選用UWinTech控制工程應(yīng)用軟件，該軟件是應(yīng)用于UWinPAS500集散控制系統(tǒng)的軟件包。UWinPAS500集散控制系統(tǒng)的軟件體系包括工程師站組態(tài)軟件、操作員站實時監(jiān)控軟件及現(xiàn)場控制站實時控制軟件三大部分，三部分軟件分別運(yùn)行在不同層次的硬件平臺上，并通過控制網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，彼此互為配合、互為協(xié)調(diào)，交換各種數(shù)據(jù)及管理控制信息，完成整個集散控制系統(tǒng)的各種功能。

3 站控PLC系統(tǒng)運(yùn)行

3.1 站內(nèi)工藝生產(chǎn)集中監(jiān)測

通過站控PC集中顯示集氣站內(nèi)壓力、溫度、液位、流量、設(shè)備運(yùn)行等工藝參數(shù)信息，包括實現(xiàn)對集氣站現(xiàn)場的參數(shù)設(shè)置高低限，并對參數(shù)超越界限時進(jìn)行報警，按照集氣站工藝生產(chǎn)的需要自動生成各種報表等功能。

3.2 電動閥門的操縱

站控平臺對電動閥的控制具備“手動”、“自動”兩種方式。自動方式下，由采集到的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)值或ESD聯(lián)動控制電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的起停或開關(guān)動作。手動方式下，由操作人員點擊人機(jī)界面的按鈕實現(xiàn)對機(jī)構(gòu)的起停或開關(guān)操作。為保證生產(chǎn)安全還增設(shè)放空降壓的安全閥。

3.3 壓縮機(jī)的控制

設(shè)備自帶PLC控制系統(tǒng)，按照無人值守的技術(shù)要求進(jìn)行配置，作用是完成對工藝氣的增壓。站控平臺對壓縮機(jī)的控制具有“連鎖控制”、“人工”兩種方式。自動方式下，由采集到的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)值聯(lián)動控制壓縮機(jī)的停機(jī)動作。手動方式下，由操作人員點擊人機(jī)界面的按鈕實現(xiàn)對壓縮機(jī)的啟停及能量調(diào)節(jié)操作。

3.4 恒溫露點橇的控制

設(shè)備自帶PLC控制系統(tǒng)，按照無人值守的技術(shù)要求進(jìn)行配置，作用是對螺桿壓縮機(jī)增壓后的煤層氣進(jìn)行脫水以滿足管輸要求，工藝為外制冷低溫脫水。站控平臺對壓縮機(jī)的控制具有“連鎖控制”、“人工”兩種方式。自動方式下，由采集到的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)值聯(lián)動控制恒溫露點橇的停機(jī)動作。手動方式下，由操作人員點擊人機(jī)界面的按鈕實現(xiàn)對恒溫露點橇的啟停操作。

3.5 放散管控制

設(shè)備PLC控制系統(tǒng)。當(dāng)放散管檢測到氣體流量信號時將自動啟動點火裝置。

3.6 基于OPC的數(shù)據(jù)集成

UWinTech 工業(yè)控制應(yīng)用軟件能夠全面支持OPC標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)上位機(jī)軟件。保4集氣站以UWinTech3.0開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)為OPC服務(wù)器，以分公司調(diào)度中心采用其他方式開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)為OPC用戶端，通過編寫規(guī)范的接口函數(shù)，實現(xiàn)客戶端訪問對應(yīng)的服務(wù)器，最終實現(xiàn)集氣站與分公司的數(shù)據(jù)集成。

4 總結(jié)

本文介紹了PLC在保4無人值守集氣站的實際應(yīng)用，選擇性能優(yōu)越的核心控制器實現(xiàn)集氣站的控制要求。該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于集氣站，還可應(yīng)用于化工、制藥、油田、石化、鋼鐵、能源、建材、輕工、造紙、環(huán)保等行業(yè)。不論何種自控系統(tǒng)，它的核心基本理念都是相似相通的。無人值守集氣站的實現(xiàn)改變了原有管理模式，提高了員工的素質(zhì)和工作水平。減小了一線員工的勞動強(qiáng)度，提高了勞動效率，最大限度地保證了一線值班員工的人身安全，優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高了操作效率，減少了油氣生產(chǎn)的人工操作成本，具有良好的應(yīng)用前景。

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The Control System of Unattended Coalbed Gas Gathering Station Based on PLC

Due to the continuous improvement of digital coal seam gas feld and the requirements for low cost exploitation, gas gathering stations are gradually developing towards unattended. In this article, we take as example the practical construction of the unattended gas gathering station in oil gas Bao 4, to describe the structure and working process of unattended stations from both hardware and software system aspects. The unmanned station systems provide protection for the safe and stable operation of the gas gathering station, reduce the labor intensity of the workers and also improve their living environment.

Coal gas; Unattended; Real-time monitoring; Data transmission; Station control system

陳光益（1989-），男，漢族，四川瀘州人，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向為測控技術(shù)與儀器。

B

1003-0492(2016)12-0086-02

TP273

周楊飛（1987-），男，漢族，江西九江人，助理工程師，主要研究方向為油氣儲運(yùn)技術(shù)。