基于PLC的CNG氣站聯動報警控制系統研究

強明輝，胡實

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州　730050）

基于PLC的CNG氣站聯動報警控制系統研究

強明輝，胡實

（蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050）

為了滿足CNG加氣站安全的需求，本文通過對CNG氣站的4個分支系統：脫硫脫水系統、壓縮機系統、儲氣系統，以及加氣系統可燃氣體泄露的檢測；結合現場運行參數的收集，設計了基于西門子S7-300PLC的加氣站管網控制系統和可燃氣體報警控制系統，設定了報警值并在管網控制部分進行聯動控制，通過可燃氣體檢測報警最終實現了CNG加氣站的安全預警、和測量，達成系統集成；最終通過實驗驗證可將安全系數提高20%，從而對氣站的應用方面提供有效的支持。

PLC；聯動控制；工藝流程；火災報警探測

為保護環境，合理利用能源，中國積極推進城鎮燃料天然氣化工作，建成了西氣東輸管線、陜京管線、澀-寧-蘭管線、及建設中的/西氣東輸二線，將推動中國進入規模化天然氣應用的新時期。天然氣作為清潔能源，在民用、工業領域，及促進經濟持續發展和能源消費結構調整等方面凸顯出重要作用。CNG加氣站含CNG加氣母站、標準站和子站。標準站設備多，流程復雜，本設計以標準站為控制對象。

圖1　工藝系統結構框圖Fig.1　Process system structure diagram

1　CNG加氣站的工藝流程

CNG加氣站控制系統分壓縮機控制系統、加氣機收費管理系統、工藝管道控制系統、可燃氣體報警控制系統，4套系統相互結合以實現加氣站安全運營平穩加氣。在加氣站的管網控制部分，各系統可以單獨控制，然后根據工藝要求，對各個控制進行必要的聯動，以達到對管網的聯動控制［1］。整個加氣站的系統結構框圖如圖1所示。

2　氣站現場工藝及部分聯動控制

系統由加氣站各個工藝環節監測點的模擬量監控子系統和安全預警與故障響應子系統兩部分組成。系統結構可以分為兩層，工作站和工程師站的上位機作為監控層，PLC和現場儀表構成現場控制層。可燃氣體控制器控制負責加氣站20路天然氣濃度的檢測［2］。火災報警控制器與6路隔爆型火焰探測器連接，監控站區內火災的發生。當監控區出現明火時，立即將報警信息傳遞給PLC，同時開啟噴淋泵和消火栓泵對燃燒區滅火。可燃氣體控制器和火災報警控制器均通過Modbus總線協議與PLC通訊。現場的溫度、壓力、流量、液位等模擬量通過分布式I/O模塊采集到PLC中［3］。

2.1站區各環節安全預警與聯動措施

CNG加氣站是高危場所，管網壓力過大、儲罐液位太高、壓縮機出口處流量過大以及發生氣體泄漏、站區發生火災都會引發嚴重的安全事故。因此，必須對加氣站各個測點的參量進行準確的測量，當其超出上下限時必須報警提示，并且對與該參數相關的閥門、消防裝置進行操作，以期在最短時間內恢復故障，避免危險情況發生。下面，針對站區幾個重要工藝環節，研究其安全預警方法和管網聯動控制策略［4］。

圖2　控制系統結構框圖Fig.2　Block diagram of control system

進氣儲氣罐：進氣儲氣罐為加氣站提供原始的氣源。由于儲氣罐的氣體沒有經過進一步的壓縮，儲氣罐所能承受1MPa，為了保證儲氣罐安全和供氣的連續性，必須對儲氣罐的的壓力和液位進行檢測控制，當儲氣罐的壓力超過1MPa時就打開外放閥，通過外放管降低儲氣罐的壓力。

圖3　儲氣罐控制流程Fig.3　Gas tank control process

空溫氣化器和水浴氣化器：空溫氣化器和水浴氣化器的主要目的是把液體天然氣氣化成氣體天然氣。溫度控制是氣化的關鍵。如果溫度大于10℃，則打開直通閥，關閉水浴氣化器閥，氣體不需要進一步的氣化；否則，關閉直通閥，打開水浴氣化器閥，以確保氣化氣體溫度不致太低而在管道結冰。這樣做的目的主要是為了節能。控制流程如圖4所示。

圖4　空溫氣化器控制流程Fig.4　The air temperature of gasifier control process

壓縮機系統：壓縮機是加氣站的核心部分，控制系統需將壓縮機的入口壓力、出口壓力，使壓縮機工作在最佳狀態。壓縮機出口壓力和流量控制部分的流程圖如圖5所示。

圖5　壓縮機控制流程Fig.5　Compressor control process

2.2可燃氣體探測與火災報警探測系統結構

可燃氣體探測和火災報警控制系統是整個控制系統中的兩個獨立子系統。如前文所述，可燃氣體探測控制系統主要實現天然氣的濃度的探測，如果濃度高于報警值，則會引起報警，同時會引起聯動裝置動作，以盡快消除危險情況；火災報警控制系統主要檢測加氣站區出現的火焰，如若在檢測區出現明火，控制器會立馬報警，并啟動消火栓泵、噴淋泵等一系列聯動裝置。按照站區的實際情況，共分布20個可燃氣體探測器，6個火焰探測器。可燃氣體控制器和火災報警控制器是智能控制器，都通過Modbus總線協議與PLC通訊［5］。結構圖如圖6所示。

圖6　可燃氣體與火災報警器系統結構圖Fig.6　Combustible gas and fire alarm system structure diagram

可燃氣體濃度檢測：當可燃氣體探測器感知到氣體濃度過高時，會將檢測信息傳遞給可燃氣體控制器，該控制器又會把故障信息通過Modbus協議傳遞給PLC。當天然氣濃度達到20%時，需要聲光報警，并打開風機；當濃度超過40%時，觸發危險情況聲光報警，還要關閉所有的截止閥，開風機，停壓縮機［6］。控制流程如圖7所示。

圖7　可燃氣體檢測控制流程Fig.7　Combustible gas detection and control process

火焰探測：在儲氣罐、壓縮機、售氣機、儲氣瓶組附近都有裝有火焰探測器，一旦出現明火，火焰探測就會把這一信號傳遞給火災報警控制器。火災報警控制器又會將故障信息傳遞給PLC，同時啟動滅火裝置，例如啟動噴淋泵和消火栓泵。PLC會觸發危險情況聲光報警，并關閉所有的壓縮機、截止閥。控制流程如圖8所示。

圖8　火焰探測控制流程Fig.8　Flame detection control process

3　結束語

目前及今后的一段時間內，我國CNG發展供給的對象主要是較易統一管理的公交車和出租車，所以市場前景很廣闊，然而CNG加氣站安全事故也時有發生，而現場自動化的提高即達到了提高工作效率的目的，同時又為生產安全提供了保障。PLC的突出特點是現場抗干擾能力強，工作性能穩定，產品使用周期長。該系統的成功應用，不僅能減輕現場操作人員的勞動強度，保存實時數據，減少事故隱患，而且使加氣站在計算機管理現代化和自動化方面提高到一個新的水平。

［1］宋曉麗，張劍鵬.CNG加氣站站控系統設計 ［J］.煤氣與熱力，2013（11）：42-45.

［2］朱清澄，黃海波.CNG加氣站幾個安全技術問題［J］.西華大學學報，2006（1）：50-52.

［3］牛虎勛.CNG加氣站儀表自控系統設計總結 ［J］.石油化工自動化，2009（4）：33-36.

［4］黃睿.LNG、L-CNG加氣合建站重大危險源辨識與評價［D］.成都：西南石油大學，2012.

［5］蔣海瑞，劉立山.基于PLC的CNG加氣站數據處理與聯動控制［J］.電子測試，2013（19）：19-21.

［6］鄧紅宇.CNG加氣站若干安全技術問題探討［J］.科技傳播，2014（9）：23-25.

Research of CNG station linkage alarm control system based on PLC

QIANG Ming-hui，HU Shi
（College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

In order to meet the requirements of CNG station security，this article through to the CNG station of four branch systems：desulfurization dehydration system，compressor，gas storage system，and the gas system of combustible gas leak detection；In combination with field operation parameters of collection，designed based on Siemens S7-300 PLC stations network control system and combustible gas alarm control system，set the alarm value and carries on the linkage control in network control part，through the combustible gas detection alarm finally realized the CNG stations safety early warning，and measurement，a system integration；Finally through experimental verification safety factor can be increased by 20%，which provides effective support for the application of station.

PLC；linkage control；technological process；fire alarm detection

TP273

A

1674－6236（2016）03-0091-03

2015-03-19稿件編號：201503270

強明輝（1960—），男，陜西扶風人，教授，高級工程師。研究方向：過程控制，檢測技術。