基于PLC的燃气场站自控系统设计

曾维康

（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州510000）

燃气场站，是指使用气源性质为天然气的易燃易爆场所，一般为管网源头或者是有天然气储存的地点，可大致分类为LNG 储配站、天然气门站、调压站、CNG 加气站等。站控系统是以计算机和工业控制技术为核心的控制系统，由它完成对场站的监控。它由站控中心、站控系统PLC 控制站、站控设备等组成。站控中心的操作人员通过系统所提供的压力、温度、流量、设备运行状态等信息，完成对所有场站设备的运行监控和管理。本文章将讲述基于PLC 的燃气场站自控系统建设的具体应用，与实际状况相结合,采取有效的自动化管理的手段,实现场站自控系统的科学运营。

1 应用范围

适用于使用西门子S7-300、西门子S7-1200、等PLC 设备与力控、INTOUCH、IFIX、KINGVIEW、MCGS 等上位机组态软件组成的燃气场站控制系统的调试和配置。系统软件为windows平台，本文的举例是以西门子PLC300 为核心的场站控制系统。场站自控系统是整个燃气场站安全运行的必要操作监控手段，因此，场站控制系统软件必须稳定可靠，而且要有较强的通用性，便于第三方设备的通讯读取。

2 自控系统详细功能

2.1 系统结构

场站控制系统硬件组成主要由场站工控机（即站控电脑）、PLC 控制柜、通讯数据接口等组成，必要时加入UPS 不间断电源作为供电保障。现场设备流程主要为：PLC 控制柜通过配套AI、DI、AO、DO、485 通讯模块等硬件连线与现场设备通讯，把现场的信号源通过PLC 控制柜转换成能与上位机通讯的协议，利用场站实际要求开发的站控工程控制系统经过局域网与PLC控制柜进行数据通讯，把现场设备相关参数经过程序换算处理后直观地展示给用户。具体结构图如图1 所示。

图1 系统结构图

PLC 控制柜主要由CPU 模块、冗余电源、远程I/O 模块、通信模块、直流稳压电源等组成，IO 点数需满足系统要求，并配置足够的备用通道，便于以后扩增设备。

2.2 PLC 程序编制流程

一般需要根据项目相关自控图纸中所述逻辑要求，对PLC程序制定大概的框架，可以将一个标准燃气场站整体程序功能块划分为：模拟量AI 转换处理，AO 输出处理，开关量DI 输入与DO 输出联锁处理，外部485 通讯发送与接收处理，声光报警联锁输出，阀门连锁控制，协议转换处理，以及西门子PLC 程序自带的主功能循环区，上电初次调用区，数据存放区等。如图2所示。

图2 S7-300 程序块中各项目功能分类编程

2.2.1 模拟量AI 模块转换

燃气场站中工艺区相关模拟量参数一般为测量管道压力、温度、储罐液位、差压及燃气泄露探头的变送器，此类仪表多为二线制或三线制接线方式，主要传输4-20mA 电流型数据。以s7-300 程序架构为例，为实现将现场仪表原始数据正常采集至PLC 中，需考虑其硬件组态中AI 模块输入信号的类型及量程范围。此时需注意如果选择0-20mA 需在编程中将4mA 对应裸数据做初始值过滤。在设计程序时可根据需要增加对数据在报警限值波动频繁触发报警的死区滤波功能。

2.2.2 RS-485 通讯处理

燃气场站内涉及RS-485 通讯的设备较为固定，所有工艺区必须有对燃气进行计量的流量计装备，市面上的流量计已基本支持485 通讯，部分可燃气体泄露探头可同时支持模拟量与485 通讯方式，另有燃气加药控制器，加气站压缩机组，燃气组份分析小屋等设备的485 通信。485 通信编程处理通常为燃气场站PLC 程序中的主要部分，因部分流量计为自定义通讯协议，为制定兼容性较强的程序框架，本文所提项目中采用S7-300PLC 自由口通信编程方式（利用FB2 及FB3 功能块），不使用西门子原有modbus 程序扩展包。需要注意的是自由口通信需要自定义通讯模块的收发内容、时间间隔、多次校验、故障自诊断恢复等子功能，以达到长久运行能够稳定采集的目的。以国产天信流量计为例，其默认1.3 协议为自定义协议，需要在程序中根据其协议规定下发数据帧，判断返回帧长、校验，然后进行数据解包，输出存放至已规划好的地址区，建议统一转换为某一种数据类型，如浮点数（高位在前），方便上位机组态读取。同一块通讯模块可通过编程对发送间隔排序，发送给不同通讯地址的设备亦或是同种串口通讯协议（波特率、校验等）的不同设备，以节省硬件成本，但需要兼顾到由此出现的循环采集数据时间周期延长。根据对用户实际运营体验的回访，一般燃气场站对瞬时流量值的更新时间需在10 秒内，过长时将造成高峰用气调峰期无法及时调控流量。

2.2.3 联锁控制

图3

燃气场站自动化运营联锁控制不可或缺，其主要应用于场站内突发紧急事故，或设备故障、工作疏忽导致安全参数超限后自动保护动作，以及保证设备正常运行时的合理控制逻辑。燃气场站输气管道必须要有各类阀门以切换管路，起到调流、维修保养、紧急停气的作用，其中手动阀门无法进行远程控制，带电动执行机构的阀门，可实现远程监控状态，控制开关停动作，以及ESD 紧急操作。在程序编写时，需考虑到各动作之间的优先级以及联锁限制，如执行控关动作时，需检测急停、故障信号未激活，远程信号已激活，同步取消控开和控停命令，继电器输出脉冲或保持，并于收到关到位信号后停止动作，此外建议加入动作超时判断，防止当电动阀设备卡死停转时输出继电器仍然保持触发的情况，图3 为电动阀门控制编程思路。

当燃气场站突发状况时，建议将站内各项危险触发信号（燃气泄漏，压力、温度过高/过低）与安全设备（声光报警器，鼓风机，电动阀）联动起来，实现在危急时刻各项设备能自动采取应急响应流程，可极大地降低事故风险，较人工操作而言，安全性、效率能显著提升。自控设备在执行完应急动作后，为保证安全防止出现二次灾害，建议在程序中加入手动确认后才可复位的限制，并将对应操作信号输出至上位机采集保存以备查看。另外，可提供给现场工作人员选择自动联锁或手动操作的选项，在程序中设定两个不同的输入变量，上位机做对应不同按钮选项，可为场站正常设备送检、测试时提供便利。

2.2.4 编制点表及调试

PLC 程序功能搭建时即可同步编制项目数据点表，根据自编点表定义数据存放地址来定义PLC 程序各数据对应地址，最终实现功能与点表统一归档。数据点表极为重要，可为后续上位机组态软件建点作唯一参照依据，并留存档以便后期工程项目查阅，发现的系统故障可通过点表信息迅速定位程序索引位置来准确处理。比较完善的参数点表格大致包括参数名称、数据类型、模拟量量程范围、硬件通道号、PLC 绝对地址、上位机站控地址、可选支持modbus地址、接线线标号、报警上下限等。

程序及点表编制完成，即可根据点表定义进行现场施工，每路IO 通道需准确定位现场新增设备接线顺序与位置，接线完成后对整个PLC 控制柜进行调试运行，并测试阀门连锁控制、第三方设备协议通讯、机柜按钮与提示灯的触发测试。

3 结论

燃气场站控制系统，由于管理的设备较分散，时效性较高，因此数据采集和设备控制的准确性要求高，在设计PLC 程序时，应把控全面各项设备的逻辑连锁关系，以减少人为干预的潜在不确定性，使系统能根据实时变化的数据自动触发相对应的动作，由于燃气行业的高专业性与危险性，此类联锁功能在场站内尤为重要，应着重调试此类功能。在设计上位机系统时，应当尽量考虑操作人员的文化水平、年龄、对计算机的操作习惯，使其更好地理解场站控制系统设计的原理与初衷。只有操作人员与场站自控系统的友好交互，才能发挥出场站自控系统作为辅助使用人管理场站的作用。