基于PLC的浸沒燃燒式氣化器控制系統(tǒng)設(shè)計

石東東

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

0 引言

浸沒燃燒式氣化器(SCV)是將液態(tài)天然氣(LNG)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)天然氣(NG)的大型LNG氣化設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于大型LNG氣化站、LNG接收站等。SCV涉及可燃?xì)怏w、深冷液體、高溫燃燒爐等多種高危因素，穩(wěn)定可靠的SCV控制系統(tǒng)對LNG場站的穩(wěn)定、安全運行至關(guān)重要。

基于可編程邏輯控制器(PLC)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。本文基于SCV汽化工藝要求，設(shè)計了一種基于西門子S7-400系列PLC的SCV控制系統(tǒng)。

1 SCV的工作原理和控制功能要求

1.1 SCV的組成和工作原理

SCV的作用是將-162 ℃的LNG轉(zhuǎn)化為5 ℃左右的NG，它由熱源工藝系統(tǒng)、熱交換工藝系統(tǒng)、LNG和NG傳輸工藝系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1中，燃料氣與空氣混合后在燃燒爐中燃燒形成熱空氣，鼓風(fēng)機將熱空氣通過氣泡管道吹到水槽，水槽內(nèi)的水被加熱。液態(tài)天然氣LNG注入換熱管束，并通過換熱管束吸收水槽熱水的熱能變成氣態(tài)天然氣NG。

圖1 SCV組成

1.2 生產(chǎn)工藝對控制功能要求

熱源工藝系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機、燃燒爐和燃料氣系統(tǒng)等。為監(jiān)測風(fēng)機健康狀態(tài)，控制系統(tǒng)應(yīng)檢測電機和風(fēng)機軸承的溫度和振動值。為確保系統(tǒng)安全，需要檢測風(fēng)道內(nèi)空氣壓力和爐內(nèi)點火狀態(tài)，并控制冷卻泵降低燃燒爐溫度。為產(chǎn)生穩(wěn)定的熱源，需要檢測廢氣溫度，控制燃料氣進(jìn)氣量和風(fēng)道進(jìn)風(fēng)量等。

熱交換工藝系統(tǒng)包括熱風(fēng)管道、水槽和換熱管束等。在該工藝系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)需要完成水槽pH值、水槽水溫及水槽液位的閉環(huán)控制。

LNG和NG傳輸工藝系統(tǒng)需控制LNG輸入量，檢測NG出口溫度并完成NG溫度閉環(huán)控制。另外，SCV控制系統(tǒng)需要和工廠分布式控制系統(tǒng)(DCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)交換控制信息，與工廠其他工藝系統(tǒng)配合完成相應(yīng)的工作并確保安全運行。

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖2所示，SCV控制系統(tǒng)以PLC為核心，通過信號線纜與現(xiàn)場傳感器和現(xiàn)場執(zhí)行器等連接，接收現(xiàn)場傳感器的狀態(tài)、指令等信號，并向執(zhí)行器等輸出執(zhí)行命令等。通過通信線纜與人機交互系統(tǒng)(HMI)、遠(yuǎn)程DCS和遠(yuǎn)程SIS等連接，完成SCV生產(chǎn)工藝及安全運行對PLC的要求。

2.1 PLC主站及硬冗余設(shè)計

SCV控制系統(tǒng)采用了西門子S7-400系列PLC，并選用了該系列具有冗余功能的412-5H型CPU。PLC設(shè)計3個站，2個硬冗余主站和1個從站。

SCV控制系統(tǒng)利用西門子成熟的冗余控制技術(shù)，設(shè)計了較高級別的硬冗余系統(tǒng)，不但CPU模塊冗余，同時電源模塊、通訊模塊和接口模塊也做了冗余設(shè)計。PLC冗余系統(tǒng)2個冗余主站一用一備，當(dāng)主站1出現(xiàn)故障時系統(tǒng)平滑切換到備用主站2，當(dāng)故障主站1修復(fù)后系統(tǒng)再平滑切換回主站1。如圖2所示，為實現(xiàn)冗余功能，每個主站設(shè)計3個模塊，分別為電源模塊、CPU模塊和冗余同步通訊模塊。同時，從站配備2個IM153模塊，用于實現(xiàn)冗余I/O功能。

2.2 PLC從站

PLC設(shè)計1個從站，由12個模塊組成(見圖2)。除了電源模塊和2個IM模塊外，剩余9塊屬于I/O 模塊。

圖2 PLC硬件系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

編號為M1～M4的I/O 模塊為西門子模擬量輸入模塊(AI)，用來接收現(xiàn)場液位、溫度、流量、壓力、振動等模擬量信號。

編號為M5、M6的I/O模塊為西門子開關(guān)量輸入模塊(DI)，其作用是將PLC外部的操作命令和設(shè)備狀態(tài)等開關(guān)量信號傳送給CPU。SCV手動控制操作功能大部分布置在SCV主機旁的LCP上，M5與LCP連接，接收LCP按鈕的啟停狀態(tài)命令。控制室CP面板上裝有簡單的CP/LCP切換旋鈕、電源通斷旋鈕，這些信號同樣傳遞給M5模塊。M6主要接收現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)等開關(guān)量信號。

編號為M7、M8的I/O 模塊為西門子開關(guān)量輸出模塊(DO)。M7的作用是接收CPU的指令，傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。M8的作用是根據(jù)CPU的命令，點亮CP、LCP上的各種指示燈。

編號為M9的模塊為西門子模擬量輸出模塊(AO)，它控制燃料NG管道和空氣管道閥門，控制燃料和助燃空氣供給流量，調(diào)整燃料和空氣混合配比。

2.3 PLC與DCS、SIS

SCV是LNG氣化場站的重要設(shè)備之一，同一場站同時安裝數(shù)臺SCV，因此，需要DCS與SCV通訊，協(xié)同SCV之間以及SCV與工廠其他工藝系統(tǒng)的配合工作。例如，DCS向SCV下達(dá)單元啟停指令，SCV需要向DCS傳遞報警/急停信號和LNG準(zhǔn)許釋放命令等。

SIS負(fù)責(zé)工廠控制系統(tǒng)報警和聯(lián)鎖控制，同樣需要與SCV關(guān)聯(lián)控制。例如，SCV需要向SIS傳遞未檢測到火焰(點火失敗)信息，SIS啟動相應(yīng)的應(yīng)急處理程序。

3 PLC系統(tǒng)軟件及網(wǎng)絡(luò)通訊

3.1 軟件系統(tǒng)

PLC中的冗余CPU運行PLC控制程序，即下位機程序。下位機程序采用西門子STEP 7編程軟件平臺，采用模塊化程序設(shè)計思想及STL編程語言。HMI面板運行上位機程序，采用西門子WINCC編程平臺編程。SCV控制系統(tǒng)的HMI面板主要用于工藝參數(shù)的設(shè)置、觸摸控制、實時監(jiān)控、報警處理、分析報表及打印等。

3.2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊

通訊網(wǎng)絡(luò)的搭建是控制系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。SCV控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)可分為三層，即最高層、中間層和最低層。

中間層是指PLC控制器內(nèi)部模塊之間的通訊，屬于總線型通訊網(wǎng)絡(luò)，包含主站與從站之間的通訊和兩個冗余CPU之間的通訊。如圖2所示，冗余CPU 1模塊和CPU 2模塊之間用2根光纜(PIBER-OPTIC)連接，用來同步冗余數(shù)據(jù)。2根光纜相互獨立，確保其中一根發(fā)生通訊故障時另一根處于工作狀態(tài)。冗余CPU 1 模塊和CPU 2模塊分別與從站的IM1和IM2模塊通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)(PROFIBUS)連接，用于CPU與I/O模塊之間的數(shù)據(jù)交換。

最高層是PLC與HMI、DCS等上位機之間的通訊，屬于以太網(wǎng)(ETHERNET)型的通訊網(wǎng)絡(luò)。DCS軟件系統(tǒng)為西門子品牌之外的工業(yè)控制系統(tǒng)，因此西門子PLC與DCS通訊采用了比較中立的工業(yè)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)(MODBUS)。另外，HMI與CPU的組網(wǎng)采用了通用的ETHERNET通訊方式。

最低層是PLC的I/O模塊與現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器及SIS系統(tǒng)等之間的信號傳遞。這里傳遞的是4 mA～20 mA電流信號或24VDC電壓信號。

4 結(jié)論

本文闡述了以西門子S7-400系列PLC為核心的SCV電氣控制系統(tǒng)，經(jīng)過長時間的運行表明：

(1)系統(tǒng)電氣控制設(shè)備選型恰當(dāng)，檢測點布置合適，檢測到的數(shù)據(jù)真實可靠。

(2)控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，控制系統(tǒng)與DCS、SIS等系統(tǒng)通訊可靠。

該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足LNG場站對SCV工藝需求及安全要求，該系統(tǒng)的研究設(shè)計為其他類型的LNG氣化器研究積累了經(jīng)驗。