倪智灝　彭亦功　劉坤（華東理工大學(xué)，上?！?00237）

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基于SIMATIC PCS7液化天然氣接收站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

倪智灝彭亦功劉坤
（華東理工大學(xué)，上海200237）

摘 要液化天然氣（LNG）作為清潔能源在大力提倡可持續(xù)性發(fā)展的今天，在世界各地都得到了快速地發(fā)展。因此，如何應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)LNG接收站的控制系統(tǒng)、以確保LNG接受站的安全顯得尤為重要。以液化天然氣接收站工藝流程為設(shè)計(jì)對(duì)象，詳細(xì)分析LNG接收站工藝流程特性和控制要求，設(shè)計(jì)基于西門(mén)子SIMATIC PCS7的LNG接收站DCS控制系統(tǒng)，并通過(guò)系統(tǒng)軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)LNG接收站工藝過(guò)程的控制及應(yīng)用，為其它LNG接收站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例。

關(guān)鍵詞LNG接收站；PCS7；控制方案；軟硬件組態(tài)

眾所周知，液化天然氣因其高效清潔的特性而被作為一種清潔能源在世界各地得到廣泛應(yīng)用。但是對(duì)于液化天然氣接收站而言，其工藝不僅具有流程長(zhǎng)、投資大、過(guò)程復(fù)雜、技術(shù)和管理不容易掌握等特點(diǎn)，還因LNG易燃易爆的特性存在著各種不安全因素，因此對(duì)液化天然氣接收站工藝控制的要求很高。而西門(mén)子SIMATIC PCS 7作為新一代先進(jìn)的過(guò)程控制系統(tǒng)，以西門(mén)子全集成自動(dòng)化理念為核心。鑒于其操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、運(yùn)行穩(wěn)定、擴(kuò)展性和安全性好等特點(diǎn)，PCS 7控制系統(tǒng)已經(jīng)在石化行業(yè)中得到了廣泛地應(yīng)用，如青島大煉油項(xiàng)目和撫順石化的百萬(wàn)噸乙烯項(xiàng)目。在國(guó)外，基于PCS 7的控制系統(tǒng)也已在海上石油平臺(tái)中有著良好的應(yīng)用，而海上石油平臺(tái)的工藝環(huán)境恰與LNG接收站有諸多相似之處，由此可見(jiàn)，西門(mén)子SIMATIC PCS 7也能為L(zhǎng)NG接收站控制系統(tǒng)提供一個(gè)良好的解決方案。

1　LNG接收站工藝流程

本項(xiàng)目采用的是儲(chǔ)罐蒸發(fā)氣（Boil-off Gas，BOG）再冷凝工藝技術(shù)，具體工藝流程如圖1所示。LNG運(yùn)輸船?？拷邮照敬a頭后，使用卸船管線將LNG輸送進(jìn)儲(chǔ)罐內(nèi)。在卸船過(guò)程中，儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG由于熱量或位移變化蒸發(fā)產(chǎn)生BOG氣體，這些氣體一部分為平衡LNG運(yùn)輸船內(nèi)儲(chǔ)罐壓力而經(jīng)氣相管線送回船體，另一部分則通過(guò)BOG壓縮機(jī)壓縮后送入再冷凝器，和從儲(chǔ)罐輸送而來(lái)的LNG相互換熱后重新冷凝為L(zhǎng)NG液體，并一起經(jīng)高壓泵加壓后送入氣化器，氣化成天然氣并進(jìn)行外輸[1]。

圖1 LNG接收站工藝流程Fig.1 LNG receiving station

2　LNG接收站控制方案設(shè)計(jì)

基于上述LNG接收站工藝流程分析，從LNG接收站安全控制角度出發(fā)，提出相應(yīng)的控制方案，包括LNG儲(chǔ)罐壓力的選擇控制和分程控制混合的控制方案、BOG壓縮機(jī)壓力選擇控制方案、BOG再冷凝器流量比值控制方案和LNG氣化器流量比值控制方案。

2.1LNG儲(chǔ)罐壓力的選擇控制和分程控制混合控制方案

為避免LNG接收站發(fā)生翻滾現(xiàn)象，以致瞬間產(chǎn)生大量BOG，使儲(chǔ)罐壓力大幅上升，從而危及儲(chǔ)罐及LNG接收站整體的安全[2]，設(shè)計(jì)采用壓力選擇和分程控制相結(jié)合的控制方案來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐壓力，其控制點(diǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 LNG接收站儲(chǔ)罐控制工藝流程Fig.2 Control scheme for tank of LNG receiving station

接收站三個(gè)儲(chǔ)罐的表壓分別用壓力變送器PT1、PT2和PT3來(lái)測(cè)量，每個(gè)壓力變送器分別將測(cè)得的表壓送到高選器HS1。HS1的輸出作為壓力控制器PC1的測(cè)量值，與其設(shè)定值進(jìn)行比較，并按比例積分控制算法進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送至后續(xù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為避免由于儲(chǔ)罐壓力過(guò)高，工作閥門(mén)A全開(kāi)還不能使儲(chǔ)罐壓力降低而造成無(wú)法達(dá)到控制要求，在此采用另一個(gè)閥門(mén)B做補(bǔ)充，因此，設(shè)計(jì)選擇控制和分程控制相結(jié)合的控制方案。由于LNG接收站為易燃易爆場(chǎng)合，故應(yīng)選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。另一方面，當(dāng)工業(yè)供氣中斷時(shí)，必須將工作閥門(mén)A和B打開(kāi)以確保儲(chǔ)罐安全，所以選擇氣關(guān)式的氣動(dòng)閥門(mén)。當(dāng)測(cè)量值超過(guò)壓力控制器PC1根據(jù)安全要求設(shè)置的設(shè)定值時(shí)，控制器根據(jù)最高壓力信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，并將控制信號(hào)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以打開(kāi)工作閥A，保護(hù)LNG儲(chǔ)罐免于承受更大的壓力、造成危險(xiǎn)。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力持續(xù)上升并且控制閥A達(dá)到全開(kāi)時(shí)，則打開(kāi)安全閥B，以進(jìn)一步采取儲(chǔ)罐泄壓保護(hù)措施。

2.2BOG壓縮機(jī)壓力選擇控制方案

為了能夠?qū)?chǔ)罐壓力控制在合適的范圍內(nèi)，在此設(shè)計(jì)采用壓力選擇控制方案來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐壓力，其控制點(diǎn)工藝流程如圖3所示。接收站每個(gè)儲(chǔ)罐都有專(zhuān)用的BOG管道，氣體通過(guò)各自的BOG管道合并到BOG總管中，再一起進(jìn)入BOG壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮[3]。其中，PT4、PT5和PT6分別表示由絕壓變送器測(cè)得的各儲(chǔ)罐壓力，均送至高選器HS2。HS2選出最高壓力信號(hào)作為壓力控制器PC2的測(cè)量值，并與設(shè)定值比較之后，按比例積分算法進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送至后續(xù)的BOG壓縮機(jī)。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)壓力控制器PC2的設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)送控制信號(hào)至壓縮機(jī)，從而使其根據(jù)最高壓力信號(hào)對(duì)工作負(fù)荷作出調(diào)整，以此控制儲(chǔ)罐壓力處于安全的范圍內(nèi)。

圖3 LNG接收站BOG壓縮機(jī)控制工藝流程Fig.3 Control scheme for BOG compressor of LNG receiving station

圖4 LNG接收站BOG再冷凝器控制工藝流程Fig.4 Control scheme for BOG condenser of LNG receiving station

2.3BOG再冷凝器比值控制方案

為避免BOG再冷凝器液位因出現(xiàn)大的波動(dòng)而影響其正常工作，故設(shè)計(jì)采用流量比值控制方案，其控制點(diǎn)工藝流程如圖4所示。

BOG壓縮機(jī)輸送的氣體流量和LNG液體流量分別由流量變送器FT1和FT2測(cè)得。由于LNG流量過(guò)小會(huì)造成BOG氣體無(wú)法全部冷凝，從而對(duì)再冷凝器氣相產(chǎn)生影響，并破壞其氣液平衡；而LNG流量過(guò)大時(shí)，則又會(huì)直接導(dǎo)致再冷凝器內(nèi)液位上升，從而破壞氣液平衡[4]。因此，根據(jù)工藝需求氣液比R一般維持在8左右。通過(guò)運(yùn)算器和氣液比R則可計(jì)算得出LNG液體流量的工藝需求值，將其送入流量控制器FC2作為其設(shè)定值。而LNG的實(shí)際流量則由流量變送器FT2測(cè)得，并將其輸送至FC2作為測(cè)量值。FC2將設(shè)定值和測(cè)量值進(jìn)行比較，按照預(yù)先設(shè)置的比例積分控制算法進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送至后續(xù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于LNG接收站的輸送介質(zhì)具有易燃易爆的特性，所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。并且當(dāng)供氣中斷時(shí)，為了保護(hù)再冷凝器的設(shè)備安全，必須將流量調(diào)節(jié)閥全部關(guān)閉，因此，必須采用氣開(kāi)式氣動(dòng)閥門(mén)。所以，當(dāng)進(jìn)入BOG再冷凝器的氣體流量發(fā)生變化時(shí)，流量控制器FC2會(huì)隨之而發(fā)出控制命令到后繼的氣動(dòng)閥，以調(diào)節(jié)進(jìn)入再冷凝器的LNG液體流量，以保持其氣液比不變，從而將再冷凝器液位控制在安全的范圍內(nèi)。

2.4LNG氣化器比值控制方案

為維持天然氣外輸總管流量穩(wěn)定，設(shè)計(jì)采用流量比值控制方案來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入氣化器輸送管線的LNG液體流量，以此控制外輸天然氣流量維持在安全范圍內(nèi)，其控制點(diǎn)工藝流程如圖5所示。其中，外輸管線上的天然氣流量和氣化器進(jìn)口處輸送管線的LNG液體流量分別由流量變送器FT3和FT4測(cè)得。根據(jù)所測(cè)得的外輸管線上的天然氣流量按照工藝要求的氣液比計(jì)算出工藝所需的氣化器進(jìn)口處的LNG液體流量，將其作為流量控制器FC4的設(shè)定值，與FT4測(cè)得的進(jìn)入氣化器的LNG液體流量進(jìn)行比較，按比例積分控制算法進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果送至后續(xù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)進(jìn)入氣化器的LNG液體流量，確保外輸天然氣流量平衡。同理，由于LNG易燃易爆，執(zhí)行機(jī)構(gòu)同樣采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。為了保護(hù)氣化器的設(shè)備安全，當(dāng)閥門(mén)失氣時(shí)，必須將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥全部關(guān)閉，所以采用氣開(kāi)式氣動(dòng)閥門(mén)。

圖5 LNG接收站氣化器控制工藝流程Fig.5 Control scheme for evaporator of LNG receiving station

3　PCS 7控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組態(tài)

3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和組態(tài)

基于控制方案的確定，需設(shè)計(jì)基于SIMATIC PCS 7的控制系統(tǒng)包括其層級(jí)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)信息通訊及與其它第三方設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)PCS 7自帶組態(tài)工具進(jìn)行硬件組態(tài)。

（1）控制系統(tǒng)硬件層級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LNG接收站SIMATIC PCS 7控制系統(tǒng)采用分層的結(jié)構(gòu)模型，其層次結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場(chǎng)層、過(guò)程控制層和過(guò)程管理層組成，并使用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[5]，采用工業(yè)以太網(wǎng)作為控制網(wǎng)絡(luò)，從而將西門(mén)子的自動(dòng)化站、服務(wù)器、操作員站和工程師站相互連接，以滿足所需控制要求。

過(guò)程管理層由操作員站、工程師站、冗余服務(wù)器及具備其他功能的上位機(jī)組成。在此采用西門(mén)子100 M工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以滿足不同上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸要求。

過(guò)程控制層主要由自動(dòng)化站即現(xiàn)場(chǎng)控制站組成。主處理器通過(guò)對(duì)應(yīng)的通訊卡件與管理層上位機(jī)、分布式I / O進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)并傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，或?qū)F(xiàn)場(chǎng)儀表的檢測(cè)信號(hào)傳送給管理層上位機(jī)。

現(xiàn)場(chǎng)層主要由變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，監(jiān)測(cè)和控制被控變量，并通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)和現(xiàn)場(chǎng)控制站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（2）控制系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LNG接收站控制系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器客戶機(jī)結(jié)構(gòu)。自動(dòng)化站分別分布在四個(gè)不同的生產(chǎn)區(qū)域中，每個(gè)區(qū)域都形成各自的獨(dú)立環(huán)網(wǎng)，并采用冗余配置。之后每個(gè)區(qū)域環(huán)網(wǎng)通過(guò)冗余光纖連接至中央環(huán)網(wǎng)，中央網(wǎng)絡(luò)則再與終端環(huán)網(wǎng)用光纖相連從而形成整個(gè)項(xiàng)目的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，不同區(qū)域的控制器都可通過(guò)中央系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。并且由于整個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要環(huán)網(wǎng)冗余管理功能（用于環(huán)網(wǎng)冗余管理）和備份管理功能（用于環(huán)網(wǎng)與環(huán)網(wǎng)間的冗余連接），所以不同環(huán)網(wǎng)之間使用單模光纖進(jìn)行連接。考慮可靠性、可用性以及經(jīng)濟(jì)效益等因素，區(qū)域環(huán)網(wǎng)使用Scalaence X 408配MM 491單模光纖模塊和Scalaence X 208的組合方式，中央和終端環(huán)網(wǎng)則都使用Scalaence X 212-2 LD和Scalaence X 204-2 LD的組合方式來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)具備最佳的整體性能。

（3）控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

在完成硬件設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)配置之后，就可通過(guò)PCS 7自帶的HW Config軟件來(lái)完成硬件組態(tài)過(guò)程，其主要步驟由自動(dòng)化站組態(tài)、操作員站組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)組成[6]。

① 自動(dòng)化站組態(tài)

自動(dòng)化站組態(tài)的主要工作就是通過(guò)工程師站來(lái)對(duì)自動(dòng)化站進(jìn)行硬件配置。開(kāi)始配置前，首先要保證所有硬件都和接線圖上的訂貨號(hào)一致。之后按照LNG接收站系統(tǒng)控制層硬件配置，通過(guò)HW Config軟件將各種硬件模塊加入到組態(tài)界面中，并為其進(jìn)行相應(yīng)的功能設(shè)置，最后還要下裝到CPU中并進(jìn)行編譯。

② 操作員站組態(tài)

在SIMATIC Manager中通過(guò)HW Config進(jìn)入操作員站組態(tài)界面，依次在界面中插入WinCC Application和以太網(wǎng)卡CP 1623，并對(duì)網(wǎng)卡的MAC地址進(jìn)行設(shè)置，之后由于工程師站已經(jīng)對(duì)其他網(wǎng)卡的工作模式進(jìn)行了設(shè)置，所以在子網(wǎng)中直接選擇工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)作為操作員站的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，最后保存并編譯程序。

③ 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

在SIMATIC Manager中，打開(kāi)NetPro工具并進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)配置界面，在界面中存在工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線兩種控制網(wǎng)絡(luò)。由于之前的硬件組態(tài)，自動(dòng)化站和操作員站已和兩種網(wǎng)絡(luò)建立連接。但為確保相互之間的網(wǎng)絡(luò)通信，還需建立S7 Connection類(lèi)型的邏輯連接。并在創(chuàng)建時(shí)選擇該操作員站所對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化站CPU，從而能夠在以后實(shí)際應(yīng)用中由操作員站向該控制器發(fā)送控制命令。

3.2控制系統(tǒng)軟件組態(tài)

基于控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)和組態(tài)工作對(duì)設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行軟件組態(tài)。在LNG接收站控制系統(tǒng)中，軟件組態(tài)使用西門(mén)子PCS 7自帶的CFC編程語(yǔ)言。CFC是一種簡(jiǎn)潔的圖形組態(tài)工具，主要用于連續(xù)過(guò)程的自動(dòng)化控制任務(wù)的組態(tài)。其可以在參數(shù)輸入工作量最小化的同時(shí)，將工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的自動(dòng)化系統(tǒng)程序，將各種功能模塊連接一起，設(shè)置其參數(shù)即可。除了在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中提供主要的功能塊之外，還可根據(jù)需要由用戶自行對(duì)功能塊進(jìn)行擴(kuò)展。通過(guò) CFC可在設(shè)計(jì)控制方案的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行管理、組態(tài)和歸檔整個(gè)信息流。因此，采用CFC可以完成很復(fù)雜的大型控制任務(wù)[7]。CFC圖形界面如圖6所示。

圖6 CFC圖形界面Fig.6 CFC graphical interface

3.3人機(jī)界面

完成控制系統(tǒng)軟硬件組態(tài)之后，需按照控制系統(tǒng)功能要求中的用戶界面需求對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)和組態(tài)，再通過(guò)實(shí)際運(yùn)行監(jiān)控整個(gè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用狀況?？刂葡到y(tǒng)SIMATIC PCS 7中最主要的人機(jī)界面是實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，所以實(shí)時(shí)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)的好壞，會(huì)直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的效率。LNG接收站總覽如圖7所示，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，操作員能夠直觀的了解各個(gè)工藝段的實(shí)際運(yùn)行狀況，同時(shí)也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速而有效的操作。

4　結(jié)論

本文基于LNG接收站工藝流程的分析，設(shè)計(jì)基于西門(mén)子PCS 7的LNG接收站DCS控制系統(tǒng)，并應(yīng)用PCS 7軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工藝生產(chǎn)的控制和管理。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，本文提出的基于西門(mén)子PCS 7的LNG接收站過(guò)程控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比，在系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、控制的精確性和實(shí)時(shí)性以及運(yùn)行成本控制等方面，都有改進(jìn)與提高，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)，這也是國(guó)內(nèi)首次將SIMATIC PCS 7應(yīng)用于LNG接收站的生產(chǎn)過(guò)程，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

圖7 LNG接收站實(shí)時(shí)監(jiān)控界面Fig.7 Real-time monitoring for LNG receiving station

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Design and Application of Control System in LNG Receiving Station Based on SIMATIC PCS7

Ni Zhihao, Peng Yigong, Liu Kun
（East China University of Science and Technology, Shanghai 200237）

Abstract:Liquefied Natural Gas (LNG) has been rapidly developed in the world as a kind of clean energy that is greatly advocated to be developed sustainably nowadays. Therefore, it is very important to apply the advanced computer control system in designing the control system of LNG receiving station in order to ensure the safety of LNG receiving station. Based on the detailed analysis of LNG process characteristics and control requirements and exampled with the process of LNG receiving station, in this paper, SIMATIC PCS7-based DCS control system for LNG receiving station was designed. The control and application of the control and application of LNG receiving station were implemented by configuring the software, which provides a practical application case of SIMATIC PCS7 for designing control system in other LNG receiving stations.

Keywords:LNG receiving station; PCS7; control scheme; software and hardware configuration

作者簡(jiǎn)介：倪智灝（1989—）男，碩士，研究方向：過(guò)程控制工程及其應(yīng)用。

收稿日期：2015-08-29

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-817X（2015）06-0017-000