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(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)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(qū)的LNG供氣站的控制系統(tǒng)進行設計。系統(tǒng)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(tài)軟件完成人機交互界面的設計。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了小區(qū)LNG供氣站的智能化管理和監(jiān)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(qū)LNG供氣站；S7-300；STEP7；WinCC；控制系統(tǒng)設計

LNG(Liquefied Natural Gas,LNG)指標準大氣壓條件下，由氣態(tài)天然氣冷卻到-162 ℃凝結(jié)而成的液態(tài)天然氣。因其可以節(jié)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(yè)和民用能源供應行業(yè)。隨著中國可探明天然氣儲量的增加，天然氣輸氣管網(wǎng)已經(jīng)遍布中國大部分地區(qū)，覆蓋全國大部分人口，但由于地理因素，一些地區(qū)目前還沒有鋪建天然氣輸配管道，這些地區(qū)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(fā)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(jiān)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(xiàn)了新技術與傳統(tǒng)裝置不匹配的問題[2]，嚴重影響了小區(qū)LNG供氣站的安全穩(wěn)定運行。如何利用先進控制技術有效管理小區(qū)LNG供氣站的正常運行，提高其運行穩(wěn)定性和智能化管理水平，成為目前小區(qū)LNG供氣站研究的熱點問題。

本文根據(jù)丹東宗裕城小區(qū)LNG供氣站裝置的具體情況，采用S7-300系列PLC，對現(xiàn)場各節(jié)點(如：卸車處、儲罐、汽化器、加臭裝置、在灌池)的參數(shù)(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(zhí)行機構(gòu)實施有效控制，通過人機交互界面，實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)報表的顯示，同時可對報警參數(shù)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(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)工藝流程

本設計的宗旨是實現(xiàn)小區(qū)LNG供氣站的安全穩(wěn)定運行、智能化監(jiān)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(tài)天然氣灌注到儲存罐內(nèi)，然后經(jīng)過汽化器，最后進行加臭、調(diào)壓、計量，輸送到站外中壓管網(wǎng)，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(nèi)。在這個過程中，由于LNG槽車內(nèi)液體的溫度低于儲罐內(nèi)的溫度，噴淋過程還可將儲罐內(nèi)部分蒸發(fā)氣體(BOG)冷卻液化，然后經(jīng)過空溫汽化器汽化。由于北方冬天工作環(huán)境溫度較低，需要在天然氣出口進行二次熱處理。小區(qū)LNG供氣站附近有大型鍋爐房，結(jié)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(jīng)過加臭，為用戶提供安全報警。經(jīng)調(diào)壓、計量輸送到站外小區(qū)中壓管網(wǎng)，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制、自動監(jiān)測，保證小區(qū)LNG供氣站安全穩(wěn)定工作，工藝流程如圖1。

圖1 小區(qū)LNG供氣站工藝流程

1.2 控制系統(tǒng)組成

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

圖2 小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

需要監(jiān)控的節(jié)點及參數(shù)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(tǒng)壓力。

(2)LNG儲罐旁溫度，儲罐內(nèi)壓力、液位，可燃氣體濃度，報警和聯(lián)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(diào)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(jié)點的監(jiān)測，來控制執(zhí)行器的閥門的關斷、潛液泵的啟停，并對各節(jié)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(fā)生泄漏、火災等緊急情況下關閉潛液泵。

2 控制系統(tǒng)下位機設計

2.1 控制系統(tǒng)下位機硬件配置

根據(jù)宗裕城小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)的實際要求，系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)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(jīng)過隔離，輸出給安全區(qū)域。由于系統(tǒng)需采集的參數(shù)較多，要對現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(diào)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(shù)字量的控制。

2.2 控制系統(tǒng)下位機軟件設計

根據(jù)小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)PLC硬件的選型，系統(tǒng)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(xiàn)場參數(shù)采集后，經(jīng)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(tǒng)上電后，首先進行上電初始化，然后對現(xiàn)場各節(jié)點參數(shù)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(jiān)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(xiàn)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(xiàn)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(qū)LNG供氣站的安全運行與工作人員的人身財產(chǎn)安全。

小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)采用STEP 7編寫結(jié)構(gòu)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(tǒng)主程序OB1

其中，OB1為主循環(huán)程序，調(diào)用各子程序。主程序包括：輸入模擬量工程量轉(zhuǎn)換和報警連鎖控制。每個“CALL”指令會調(diào)用S7-300 PLC中的相應模塊。功能塊輸入模擬量工程量轉(zhuǎn)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(tǒng)上位機設計

小區(qū)LNG供氣站控制系統(tǒng)的上位機需要實現(xiàn)的主要功能有：用戶管理和權限管理，實時顯示節(jié)點參數(shù)，實時數(shù)據(jù)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(zhí)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(jiān)控軟件對供氣站的工藝流程中各個節(jié)點的參數(shù)進行監(jiān)視，保證供氣站安全穩(wěn)定運行，節(jié)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(qū)，保護生命安全。

本系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件選用西門子SIMATIC WinCC。在組態(tài)程序開發(fā)時，經(jīng)過創(chuàng)建新項目、添加新的驅(qū)動程序、建立WinCC變量、創(chuàng)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(xiàn)了對供氣站整體工藝流程中各節(jié)點的實時監(jiān)測和控制。主界面如圖5，參數(shù)總覽界面如圖6。

圖5 監(jiān)控軟件系統(tǒng)主界面

最后通過工業(yè)以太網(wǎng)將PLC和WinCC進行通信連接并對系統(tǒng)進行調(diào)試，包括通信連接狀態(tài)的調(diào)試及診斷，同時對數(shù)字信號的輸出、模擬信號的輸入/輸出進行了信號調(diào)試。

4 結(jié) 語

根據(jù)工程需要，本設計方案對丹東宗裕城小區(qū)LNG供氣站的控制系統(tǒng)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(tǒng)設計是可行的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯關系清楚，運行穩(wěn)定性好，上下位機通信迅速，較好地實現(xiàn)了對供氣站各節(jié)點的監(jiān)控及對各執(zhí)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(tǒng)便于開展，在后續(xù)工作中，根據(jù)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(xiàn)用戶用氣的計量、網(wǎng)絡繳費功能，更好地提高小區(qū)LNG供氣站的管理智能化。

[1] 李強.LNG氣化站監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)的設計[J].工業(yè)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(tǒng)[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(tǒng)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(tǒng)[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(yè)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(yè)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(yè)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

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