基于PLC的天然氣門站自動控制系統設計

常健

（天津新科成套儀表有限公司，天津 300385）

一、引言

隨著石油、煤等不可再生資源的日益枯竭，天然氣在工業生產和社會生活中的地位愈發重要，對于優化資源配置、改善生態環境方面都有著重要意義。天然氣門站是天然氣遠距離輸送管線的終點配氣站，是城鎮燃氣系統的氣源點，其主要功能是先對經過長距離輸送來的天然氣進行過濾、計量和加臭后，再通過城鎮燃氣輸配管線輸送到千家萬戶。由于天然氣門站的應用環境復雜、危險系數大，因此，如何確保天然氣門站安全、可靠的運營[1]，同時對進出站的天然氣進行準確計量，已經成為當前天然氣輸配領域的一個值得研究的熱點問題，受到了越來越多專家和學者的重視。

為了保證天然氣門站安全、穩定的運營，需要對門站中的進出站流量、壓力、溫度等各項運行數據進行實時監測與控制。但是，目前多數天然氣門站仍采用傳統的人工控制方式，在控制精度和控制時效性方面都無法滿足現代企業的管理要求。因此，迫切需要開發一種自動控制系統，對門站的各項運行數據進行有效控制，以保證天然氣門站的安全性、穩定性運行，并滿足對進出站天然氣準確計量的要求。為此，提出一種基于PLC的天然氣門站自動控制系統設計方法。

二、基于PLC的天然氣門站自動控制系統的總體框架設計

從天然氣田中開采出的天然氣要經過加高壓才能進行長距離輸送。此外，天然氣中會含有大量的雜質，包括水、油、重烴的液體雜質和泥沙、巖粒等固體雜質，因此，門站中的天然氣在輸送至城鎮燃氣管網之前要先經過降壓和凈化處理，此外，為了便于管道泄漏檢測，還要對天然氣進行加臭處理，經過上述幾個步驟的處理后，天然氣才能通過門站的出戰管道輸送到城鎮燃氣管網中。

根據上述天然氣門站的工藝流程，設計基于PLC的天然氣門站自動控制系統。系統采用上位機與下位機協作的控制方式[2]。其中上位機為工控計算機，下位機為PLC。將自動控制系統分為三層，即現場層、控制層和管理層。其中，現場層由三種裝置構成：（1）溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器。（2）流量計量器、液位變送器等計量裝置。（3）電動閥門、電動球閥等執行機構；控制層由PLC構成；管理層由上位機構成。

自動控制系統的具體工作流程為：門站中各個設備中的傳感器將采集到的溫度、壓力等模擬量信號和電動閥門通斷狀態、電動球閥的開度等數字量信號傳輸至PLC，由PLC實現信號的邏輯運算和判斷，然后信號再經過工業以太網傳輸至上位機的控制系統，根據實際需求，通過PLC的輸出模塊對電動閥門和電動球閥進行自動控制或者手動控制；當進行自動控制時，系統采用PID控制算法對閥門的開關、球閥的開關度進行自適應控制；當進行手動控制時，操作人員可通過上位機進行在線調控。

三、自動控制系統的硬件設計與軟件設計

（一）自動控制系統的硬件設計方案

為了提高天然氣門站自動控制系統的安全性、穩定性、準確性，對上位機與下位機均采用冗余配置。

1.上位機的設計方案。

上位機選用臺灣研華科技公司生產的IPC610工控計算機，并進行了冗余配置。上位機安裝了西門子組態軟件WinCC7.0，操作系統為Windows 7 SP1專業版，同時安裝了專業的軟件如SQL Server2005、SIMATIC Manager STEP7（V5.5）、和Office 2007辦公軟件等。

上位機與下位機通過工業以太網進行通訊，為了保證通訊的穩定性，減輕CPU的負擔，上位機配置了西門子CP1613通訊網卡。

2.下位機的硬件設計方案。

下位機選用西門子S7-300系列PLC，并進行了冗余配置。S7-300 PLC具有響應速度快、循環周期短、通信功能強、抗干擾能力強、抗震動能力強等特點，能夠實現復雜的控制功能。可通過標準的RS232/485通訊接口與上位機進行通訊，并可通過Profibus-dp現場總線與其它PLC相連接，構成PLC網絡；具有較強的功能擴展能力，支持多種CPU類型；采用模塊化結構，易于安裝和更換；單機最多支持4個機架，每個機架可帶8個模塊，每個模塊可帶32個點，因此單機最多支持1024個輸入/輸出點，可滿足大部分自動控制領域的需要。

CPU：CPU是PLC的核心部分，其主要功能是進行邏輯運算與判斷，其性能決定著PLC的總體性能。

存儲器：用于儲存系統程序、用戶程序和系統運行過程中產生的程序。其中用戶程序主要是對門站各設備中的傳感器和電動閥門、球型閥門的監測與控制程序。

通訊接口模塊：PLC通過該模塊與上位機、或者其它PLC進行通訊，可構成分布式、網絡化的自動控制系統。

I/O接口：PLC通過輸入接口采集門站現場中各個設備的運行信號，并可將信號進行TTL電平信號的轉化，便于PLC直接處理，并根據用戶程序產生控制信號，經過輸出接口將PLC內部信號轉換為對外部門站設備中執行機構的控制信號。

（二）自動控制系統軟件的總體設計方案

自動控制系統的軟件設計包含兩部分：第一，上位機的控制軟件采用組態軟件進行開發，其主要功能是監測天然氣門站中運行狀態，并對相關參數進行修改；第二，下位機的控制軟件即PLC控制程序，它使用STEP7 V-5.5編程，其主要功能是進行數據采集、邏輯判斷與自動控制。

四、結語

天然氣門站是城鎮燃氣系統的氣源點，直接關系著千家萬戶的日常生活，但天然氣門站監控點繁多、控制復雜。而將PLC應用到天然氣門站中的自動控制系統中，對于提高天然氣門站供氣的安全性、穩定性和計量的準確性的方面都有著重要現實意義。