天然氣場站控制系統在長輸管道的應用

高京衛 李曉莉

（陜西省天然氣股份有限公司 陜西省西安市 710016）

天然氣場站控制系統在長輸管道的應用

高京衛 李曉莉

（陜西省天然氣股份有限公司 陜西省西安市 710016）

天然氣長輸管線是天然氣輸送的主要途徑，天然氣場站是管道輸送中的關鍵節點，天然氣場站的安全運行是天然氣輸送的最基本條件，如何運行安全成為重中之重，控制系統為長輸管線運行的中樞尤為重要，結合近年具體施工淺談控制系統在長輸管線的應用。PLC系統在實際工作中編程、控制，以保證生產運行安全。

長輸管線；SCADA；PLC；程序控制

1 引言

近些年長輸管線建設迅猛增長，隨著西氣東輸、漠大管線、中緬管線等長輸管線相續投產，對我們的生活、生產影響巨大，長輸管線在國家戰略、經濟上的重要性不言而喻。這樣作為長輸管線本身的運行安全成為重中之重，控制系統為長輸管線運行的中樞尤為重要，結合近年具體施工淺談控制系統在長輸管線的應用。

長輸管線控制系統一般為SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統，即數據采集與監視控制系統。SCADA是以工業計算機為基礎的自動化監控與PLC系統，廣泛應用于冶金、石油、電力、燃氣、鐵路以及化工等領域的過程控制和數據采集與監視控制。PLC站控系統作為SCADA系統的重要一環，在天然氣長輸管道的安全運營中發揮著極其重要的監控管理作用。是場站工藝數據采集、控制和傳輸，保證全線正常運行不可缺少的組成部分。

2 工程實例

位于寧夏自治區、四川省、貴州省境內的中貴（寧夏中衛-貴州貴陽）管線天然氣長距離輸氣管線全線長約一千公里，沿途共有二十座分輸站或加壓站。使用美國Rockwell公司生產的PLC系統構成的分輸站或加壓站的站控系統，與位于北京的中國石油中心調度室通過衛星通訊方式組成的SCADA系統，監視、控制著全線各分輸站或加壓站的工藝過程，維護著全線生產的正常運行。

中貴（寧夏中衛-貴州貴陽）天然氣長距離輸氣管線上的二十座分輸站或加壓站站控系統，依據其首站、分輸站、末站及加壓站的工藝要求分為三種方式，三種方式的系統構成如下：

首站、末站方式：由于首、末站在天然氣長距離管線輸氣中承擔著與天然氣供氣“上游”、用氣“下游”進行輸配和貿易交接的任務，為保證生產的安全、正常和穩定，其站控系統采用了控制器冗余方式，以確保系統控制不間斷。

在系統中控制器CPU、電源、通訊均采用1：1的額熱備冗余，無論是CPU模塊還是電源模塊其中的任意一個發生了故障，將使用另一個無擾動方式的模塊來進行接替工作。

在系統中還設立終端顯示單元，向操作人員提供工藝過程和工藝數據顯示，如軟手動、自動控制、工藝設備手動等操作界面。還可以根據需要，通過終端顯示單元中的打印機打印報警記錄和工作報表。

站控系統主要通過衛星通訊裝置或有線電話將本站地工藝設備、工藝參數等工作狀況實時地傳輸給調度中心，同時接受調度中心的控制指令。

分輸站方式：長達一千公里的中貴（寧夏中衛-貴州貴陽）天然氣長距離輸氣管線共有輸氣站十二座，擔負著向沿途各用氣城市或單位輸配氣的作用。

加壓站方式：為提高天然氣輸送壓力，保證高峰期下游用戶用氣量的供給，中貴（寧夏中衛-貴州貴陽）天然氣長距離輸氣管線沿線設有三座天然氣加壓站。其站控系統配置如下：

依據工藝相關要求，每座加壓站設置3～5臺壓縮機組，每臺使用一套PLC站對壓縮機組進行控制與監視。然后將所有工藝監控PLC站以及PLC站連接起來組成控制局域網。并且還有使用兩臺工業計算機實現對加壓站的工藝過程進行控制和監視，與此同時，通過有線電話或者衛星通訊裝置以及工藝監控PLC站地冗余控制器來完成與控制調度中心的通訊。

另外，工藝人員可通過網絡打印機打印工作報表和報警記錄。

3 網絡與接口

3.1 主要通訊網絡介紹

ControlNet網絡是新一代自動化控制網絡，是一種可以在PLC之間，PLC與MMI操作站及I/O子系統間實現可冗余的、高速的通訊方式，而且滿足國際工業現場總線的相關標準。它最大能支持99個節點，最長的網絡傳輸距離達20KM（光纖通訊），它可以連接星型、樹型、總線型以及混合型等各種網絡拓撲結構。通過ControlNet可以實現關鍵性數據在單一網絡上完成傳送、處理器互鎖、I/O更新以及對等通訊等功能。Producer／Consumer通訊模式可以使不同的處理器之間．進行信號交換．I/O數據可以同時被多個設備共享。

3.2 場站與調度中心的通訊接口

ControlLogix控制器與調度中心的通訊接口。

ControlLogix系列的控制系統為與北京調度控制中心通訊提供了以太網通訊接口，通過通訊衛星，可以直接對控制器的寄存器讀取或寫入數據，包括整數，浮點數與布爾型數據。實現站控系統數據的遠程采集與控制。

3.3 ControlLogix控制器與SLC控制器的通訊接口

ControlLogix與SLC進行數據通訊通過模塊DH+RIO上的DH+接口。

3.4 站控系統與其他設備的通訊接口

ControlLogix控制器與他設備的通訊接口

首站的氣體組分分析儀采用的是Modbus通訊協議。ControlLogix PLC可以通過MVI56-MCM支持標準的ModbusMaster/Slave通訊協議，但分析儀采用的是非標準Modbus，所以選用了1756-MVID，此模塊支持用戶使用‘C’語言開發的通訊接口程序，1756-MVID提供2個RS-232/RS-485接口，依照分析儀的數據通訊協議編寫‘C’語言，下載到1756-MVID，通過RS-232接口采集氣體組分分析儀的數據。

4 核心設備的控制

4.1 針對天然氣中的壓縮機控制方法

（1）壓力聯鎖控制

壓力聯鎖就是指：使用PLC對所有相關壓力測量點進行檢測，一旦壓力出現異常，就發出報警信號，告知操作人員處理。而當壓力值超過臨界值，壓力聯鎖程序就會立馬動作，關閉壓縮機，并將其開關閥設置到安全位置。

氣體濃度的聯控制指：在壓縮機四周設置檢測點，采集氣體的濃度信號。一旦發現氣體濃度大于爆炸下限50%LEL時，立即發出緊急指令，控制關閉壓縮機組，而一旦有停機反饋信號時PLC就關閉此機組地燃料氣閥，接著PLC就會根據反饋信號來關閉機組排氣總閥和進氣總閥。

（2）順序控制

壓縮機組順序控制有兩種方式，就是就地控制和遠程控制。當置為遠程時，通過壓縮機組上位機控制畫面上來啟動停機、卸載或者緊急停機等動作。而一旦PLC發出停機、卸載或者緊急停機的指令時，現場所有地壓縮機組都同時執行這一相同動作。

4.2 計量支路PID流量的調節和控制

計量支路流量控制是天然氣輸管線中最常用的方法，其原理是依據上游的供氣壓力、下游的用氣量以及中心調度員地控制而調整，因此這就需要對大中小等各個不同地流量段產生了不一樣地控制要求。而我們常用地PID調節方法無法達到對不同特性進行有效控制地要求，經過實際研究我們自己編寫流量控制程序，實現了分段進行PID調節。經過實踐檢驗效果理想。

5 應用程序的編制與功能

加壓站PLC程序框圖：

（1）主程序（MainRoutine）。

（2）閥門控制子程序（ValveControl）。

（3）流量控制子程序（Flow）。

（4）報警子程序（Alarm）。

（5）連鎖子程序（InterLock）。

當發生壓力連鎖、可燃氣體連鎖和火焰報警連鎖時，向壓縮機發送停機信號。

（6）數據上傳子程序（UpLoad）。

將閥門狀態轉換為控制中心所需格式，以兩位表示閥門的三個狀態：01-全開；10-全關；11-運行。上傳的數據主要含有閥門狀態，中心控制狀態，壓力、現場溫度、差壓數值，氣體組份，管線流量及累計，孔板參數，可燃氣體濃度，差壓以及壓力地報警限和量程等。

（7）數據下載子程序（DownData）。

下載的數據主要含有閥門開關操作，氣體組份，孔板參數，差壓以及壓力地報警限和量程等。

（8）SLC通訊子程序（SLC_Comm）。

（9）AFC子程序（AFC）。

AFC模塊組態程序，根據AGA3標準計算氣體瞬時流量。

（10）時間同步子程序。

通過定期向超聲波流量計發送時間同步信號實現時間同步功能已達到流量計量結算時間上的一致性。

各個站的計算機連接調度中心的時間服務器，每個場站的PLC與但地的操作站做時間同步。

6 PLC系統調試

系統調試分以下幾個階段：

控制機柜、操作臺安裝就位；現場儀表與控制室的電纜接線及校驗完畢。

（1）檢查系統供電品質是否滿足PLC供電要求。

（2）檢查系統接地是否滿足要求。

（3）檢查控制溫濕度等環境是否滿足PLC工作要求。

（4）PLC系統上電。

（5）逐個通道做做回路測試，AI、AO、DI、DO 逐點測試。

（6）聯鎖回路模擬測試。

（7）與第三方設備通訊測試。

（8）操作員畫面的流程圖校對，各個數據校對。

（9）系統報警測試。

（10）歷史數據測試檢驗。

（11）與現場設備的聯動測試。

（12）聯鎖回路帶設備測試。

（13）孔板流量計計量精度的檢驗（通過加以模擬工況的現場參數，檢驗PLC的計算精度是否滿足要求）。

（14）與調度中心的數據上傳聯調。

7 結束語

中貴（寧夏中衛-貴州貴陽）天然氣SCADA系統采用多種控制設備（儀表、閥門、PLC、監控計算機等）。多種通訊方式（衛星通訊，電話線通訊、以太網通訊、PLCControlNET通訊、串口MODBUS通訊等）。整個系統的建設、調試與維護需要多方面的技能，需要技術人員的不斷學習與鉆研。天然氣屬于易燃易爆氣體，關系到廣大人民群眾的生活與安全。這就要求我們在工作中終于職守，鉆研技術細心觀察，及時發現問題解決問題，認真研究問題所在，防患于未然。

[1]1756 ControlLogix，1769 CompactLogix，1789SoftLogix，1794 FlexLogix，PowerFlex 700Swith DriveLogix《系統參考手冊》2005 Rockwell Automation Inc.

[2]鄧李，編著.《CONTROLLOGIX系統實用手冊》.北京：機械工業出版社，2008，1.

[3]錢曉龍，趙強，李成鐵，編著.ControlLogix系統組態與編程：現代控制工程設計.北京：機械工業出版社，2013，06.

TE991.8

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1004-7344（2016）13-0309-02

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