基于S7-300的小區LNG供氣站控制系統設計

代思洋，張金瑞，王文秀，唐明新

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連116028 )

基于S7-300的小區LNG供氣站控制系統設計

代思洋，張金瑞，王文秀，唐明新

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連116028 )

基于S7-300系列PLC，對某城市小區的LNG供氣站的控制系統進行設計。系統核心部件采用CPU314可編程邏輯控制器，利用基于STEP7對控制器進行編程控制，并采用WinCC組態軟件完成人機交互界面的設計。該控制系統實現了小區LNG供氣站的智能化管理和監控，保證了供氣站的工藝流程有序進行，同時降低了裝置制造成本，提高了裝置的運行的可靠性。

小區LNG供氣站；S7-300；STEP7；WinCC；控制系統設計

LNG(Liquefied Natural Gas,LNG)指標準大氣壓條件下，由氣態天然氣冷卻到-162 ℃凝結而成的液態天然氣。因其可以節約存儲空間，降低運輸成本，又具有較高的熱值[1]，近幾年被越來越廣泛地應用于工業和民用能源供應行業。隨著中國可探明天然氣儲量的增加，天然氣輸氣管網已經遍布中國大部分地區，覆蓋全國大部分人口，但由于地理因素，一些地區目前還沒有鋪建天然氣輸配管道，這些地區的居民用氣和公共建筑依舊使用瓶裝液化天然氣。瓶裝液化天然氣易泄漏，易爆炸，因而需要定期更換液化氣罐，給居民生活造成極大的不便，且具有一定的安全隱患，目前液化氣罐供氣方式已被逐步摒棄。隨著科學技術的發展，LNG供氣站成為了城市居民用氣主要方式，但應該看到，作為一種易燃易爆的化工裝置，其運行控制以及安全監測至關重要。特別是隨著一些新的裝置和技術應用到LNG供氣站的改造中，出現了新技術與傳統裝置不匹配的問題[2]，嚴重影響了小區LNG供氣站的安全穩定運行。如何利用先進控制技術有效管理小區LNG供氣站的正常運行，提高其運行穩定性和智能化管理水平，成為目前小區LNG供氣站研究的熱點問題。

本文根據丹東宗裕城小區LNG供氣站裝置的具體情況，采用S7-300系列PLC，對現場各節點(如：卸車處、儲罐、汽化器、加臭裝置、在灌池)的參數(如：溫度、壓力、流量、液位、氣體濃度)進行多方位檢測并分析處理，對相應的閥門、報警器、潛液泵等執行機構實施有效控制，通過人機交互界面，實現對系統工作狀態、實時數據、歷史數據、系統報表的顯示，同時可對報警參數進行設置，提高了裝置的控制時效性和安全性，取得了很好的效果。

1 液化氣站工藝流程及系統組成

1.1 系統工藝流程

本設計的宗旨是實現小區LNG供氣站的安全穩定運行、智能化監控和管理，并在一定程度上降低成本。LNG供氣站的工藝流程是將LNG槽車運送過來的液態天然氣灌注到儲存罐內，然后經過汽化器，最后進行加臭、調壓、計量，輸送到站外中壓管網，供用戶使用。

首先，LNG槽車到達后，采用上進液以噴淋的方式將LNG輸送到儲罐內。在這個過程中，由于LNG槽車內液體的溫度低于儲罐內的溫度，噴淋過程還可將儲罐內部分蒸發氣體(BOG)冷卻液化，然后經過空溫汽化器汽化。由于北方冬天工作環境溫度較低，需要在天然氣出口進行二次熱處理。小區LNG供氣站附近有大型鍋爐房，結合其具體地理位置，利用鍋爐房熱水進行二次熱處理，也可通過水浴式加熱器進行加熱汽化；最后經過加臭，為用戶提供安全報警。經調壓、計量輸送到站外小區中壓管網，最終實現系統的自動控制、自動監測，保證小區LNG供氣站安全穩定工作，工藝流程如圖1。

圖1 小區LNG供氣站工藝流程

1.2 控制系統組成

小區LNG供氣站控制系統利用PLC控制器來獲取變送器采集到的現場信號，進行分析處理后，判斷控制閥和切斷閥需要執行的動作以及是否需要啟動潛液泵和水浴式加熱器，監控計算機從PLC控制器的寄存器中獲取數據進行相應的數據處理，并輸出相應的控制信號[3]。通過工業以太網將信息傳輸給工控機[4-5]，以便操作員對系統進行監控和相關的操作。通過UPS[6]保證供氣站在市電出現故障時依舊可以正常運作。小區LNG供氣站控制系統的結構圖如圖2。

圖2 小區LNG供氣站控制系統結構圖

需要監控的節點及參數有：

(1)LNG槽車卸車管氣相、液相壓力，卸車增壓器溫度，可燃氣體濃度以及氮氣吹掃系統壓力。

(2)LNG儲罐旁溫度，儲罐內壓力、液位，可燃氣體濃度，報警和聯鎖。

(3)在灌池液位。

(4)汽化器旁溫度，天然氣出口壓力、溫度，報警和連鎖。

(5)熱水鍋爐房熱水溫度，返回的熱水溫度。

(6)調壓計量加臭處天然氣進/出口壓力，可燃氣體濃度，累計流量。

(7)卸車增壓處、LNG儲罐處、汽化器處的火焰信號。

通過對各節點的監測，來控制執行器的閥門的關斷、潛液泵的啟停，并對各節點進行集中顯示報警。其中，當天然氣濃度達到上限20 %LEL時報警；電熱水浴式增熱氣后溫度低于5 ℃時報警，低于3 ℃時報警連鎖關斷汽化器進液管；在灌池液位上限-600 mm報警，-500 mm開泵，-1 800 mm停泵；在站場發生泄漏、火災等緊急情況下關閉潛液泵。

2 控制系統下位機設計

2.1 控制系統下位機硬件配置

根據宗裕城小區LNG供氣站控制系統的實際要求，系統控制器選用德國西門子公司的S7-300系列PLC。電源模塊型號為PS307，可提供24 V，5 A的直流電。根據系統防爆要求，各種I/O接口和電源全部使用安全柵，選用深圳萬訊公司MSB302E作為檢測端配電隔離柵，MSB301E作為檢測端電流隔離柵接收4～20 mA電流信號，經過隔離，輸出給安全區域。由于系統需采集的參數較多，要對現場壓力、流量、溫度、液位和氣體濃度等檢測信號進行采集，主機CPU的端口不能滿足系統要求，所以采用SM331/SM332 系列AI/AO模塊對主機CPU進行擴展，采用SM3316ES7 331-7KF02-0AB0AI模塊進行現場4～20 mA非溫度信號的采集，采用SM331 6ES7 331-7PF01-0AB0輸入熱電阻RTD模塊對溫度信號進行采集。在實際操作時測量值能夠隨著模塊功能的不同調整為電壓值、電阻值或電流值，輸出為電流或電壓信號；采用SM322系列6ES7 321-1BH01-0AA0 DO模塊完成對潛液泵、電磁閥等數字量的控制。

2.2 控制系統下位機軟件設計

根據小區LNG供氣站控制系統PLC硬件的選型，系統下位機PLC程序設計采用的是西門子公司的STEP 7 V5.5專用編程軟件。在現場參數采集后，經過分析處理對緊急控制閥和潛液泵進行控制，以確保LNG供氣站的正常運行，軟件流程圖如圖3。

圖3 下位機軟件程序流程圖

系統上電后，首先進行上電初始化，然后對現場各節點參數進行釆集。當LNG槽車到達后，打開進液管閥門，在卸車過程中主要監測儲罐液位和卸車增壓裝置的壓力，當儲罐液位到達2.7 m后，關閉儲罐處噴淋管控制閥和進液管控制閥。當卸車增壓處壓力大于4 MPa出現異常時，及時關閉進液管控制閥并報警。當在灌池的液位達到-500 mm時開啟潛液泵，到達-600 mm時報警，低液位-1 800 mm時停泵。汽化器出口溫度下限設定為10 ℃，小于該溫度值時開啟水浴式加熱器。當站場出現異常，如可燃氣體濃度達到上限20 %、溫度超過-50 ℃及50 ℃界限，氣體壓力超過1 MPa等情況，立即開啟天然氣出口切斷閥，減少安全隱患，保證小區LNG供氣站的安全運行與工作人員的人身財產安全。

小區LNG供氣站控制系統采用STEP 7編寫結構化程序，以主程序為例對設計過程進行說明，如圖4。

圖4 控制系統主程序OB1

其中，OB1為主循環程序，調用各子程序。主程序包括：輸入模擬量工程量轉換和報警連鎖控制。每個“CALL”指令會調用S7-300 PLC中的相應模塊。功能塊輸入模擬量工程量轉換和報警連鎖控制，在眾多關于PLC應用的文獻中已形成完整的固定程序，本文不再加以贅述。

3 控制系統上位機設計

小區LNG供氣站控制系統的上位機需要實現的主要功能有：用戶管理和權限管理，實時顯示節點參數，實時數據曲線，歷史曲線，對緊急切斷閥、水浴式加熱器以及潛液泵等執行器的控制，還可對操作員進行報警提醒和報表顯示打印。操作員可通過監控軟件對供氣站的工藝流程中各個節點的參數進行監視，保證供氣站安全穩定運行，節省大量人力物力，更重要的是讓工作人員遠離危險的操作工作區，保護生命安全。

本系統上位機監控軟件選用西門子SIMATIC WinCC。在組態程序開發時，經過創建新項目、添加新的驅動程序、建立WinCC變量、創建過程畫面(包括主控畫面、功能畫面、控制畫面)、變量歸檔等設計過程，搭建了人機交互界面，實現了對供氣站整體工藝流程中各節點的實時監測和控制。主界面如圖5，參數總覽界面如圖6。

圖5 監控軟件系統主界面

最后通過工業以太網將PLC和WinCC進行通信連接并對系統進行調試，包括通信連接狀態的調試及診斷，同時對數字信號的輸出、模擬信號的輸入/輸出進行了信號調試。

4 結 語

根據工程需要，本設計方案對丹東宗裕城小區LNG供氣站的控制系統進行了設計改造，實踐表明本文提出的基于S7-300和WinCC的控制系統設計是可行的。系統結構邏輯關系清楚，運行穩定性好，上下位機通信迅速，較好地實現了對供氣站各節點的監控及對各執行器的有效控制。提高了其整體安全性，降低了成本，減輕了操作員的工作量。而且系統便于開展，在后續工作中，根據需要可擴展LNG供氣站與終端用戶的雙向信息交流功能，進一步實現用戶用氣的計量、網絡繳費功能，更好地提高小區LNG供氣站的管理智能化。

[1] 李強.LNG氣化站監控系統的研究與設計[D].成都:西南石油大學,2014.

[2] 蔡金萍.基于MCGS的船LNG燃料安防控制系統的設計[J].工業控制計算機，2014,7(27):23-24.

[3] 楊大志.基于S7-200 PLC的LNG氣化站控制系統[J].化工自動化及儀表，2012,6(39):731-734.

[4] 楊沫.基于西門子自動化技術的蒸汽鍋爐自動控制系統設計[D].大連:大連交通大學,2013.

[5] 張志.LNG氣化儲配站自控系統[D].南昌:南昌大學，2012.

[6] 胡健.西門子S7-300PLC應用教程[M].北京:機械工業出版社,2012.

(責任編輯 鄒永紅)

Design of Community LNG Gasification Station Control System Based On S7-300

DAI Si-yang, ZHANG Jin-rui, WANG Wen-xiu, TANG Ming-xin

(School of Electric and Information, Dalian Jiaotong University, Dalian Liaoning 116028, China)

Based on PLC of S7-300 series, a city community’s LNG gasification station control system is designed. CPU314 programmable logic controller is used as the system’s key part, which is programmed based on STEP7 software. WinCC configuration software is used to complete man-machine interface. This control system of community’s LNG gasification station achieved station’s intelligent management and supervision. The process of gasification station can be operated stably. Meanwhile, the system’s reliability can be enhanced, and the cost of installation can be reduced.

community’s LNG gasification station; S7-300; STEP 7; WinCC; design of control system

2016-10-12；最后

2016-11-27

代思洋(1991-)，女，遼寧錦州人，大連交通大學電氣信息學院碩士研究生，主要從事工業綜合自動化與先進控制技術研究。

唐明新(1961-)，男，遼寧大連人，教授，主要從事工業綜合自動化與先進控制技術研究，E-mai:tangmingxin@djtu.edu.cn。

2096-1383(2017)01-0044-04

TP

A