【文章內(nèi)容簡介】 括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。Schneider quantum 系列近十年來有了飛速的發(fā)展，1982年正式打入中國市場,我國也是從80年代初開始認(rèn)識使用PLC，隨著成套設(shè)備、專用設(shè)備引進(jìn)了不少國外的PLC，最近幾年，美國、日本、德國等國的PLC產(chǎn)品大量進(jìn)入我國市場，Schneider quantum系列在中國面臨強大的競爭壓力。它之所以成功，不僅具有在于它將編程面向生產(chǎn)、面向工程技術(shù)人員。編程語言易懂，是適用于工程、工藝人員使用的圖形語言。發(fā)展到目前形成三大流派，一是梯形邏輯圖LAD(Ladder)，二是連續(xù)功能圖(Continuous Function Chart CFC)，三是語句表語言(Statement ListSTL)，更重要的是時刻都要求自身的質(zhì)量。PLC具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。隨著技術(shù)的發(fā)展PLC也面臨著其它行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，Schneider quantumn也一樣面臨著類似的挑戰(zhàn)，所以它正采取措施不斷改進(jìn)產(chǎn)品，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：(1)微型、小型PLC功能明顯增強推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC，而功能卻有所增強，使PLC的應(yīng)用領(lǐng)域擴大到遠(yuǎn)離工業(yè)控制的其它行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂場所和商業(yè)部門。(2)集成化發(fā)展趨勢增強由于控制內(nèi)容的復(fù)雜化和高難度化，使PLC向集成化方向發(fā)展，PLC與PC集成、PLC與DCS集成、PLC與PID集成等，并強化了通訊能力和網(wǎng)絡(luò)化，尤其是以PC為基的控制產(chǎn)品增長率最快。PLC與PC集成，即將計算機、PLC及操作人員的人—機接口結(jié)合在一起，使PLC能利用計算機豐富的軟件資源，而計算機能和PLC的模塊交互存取數(shù)據(jù)。以PC機為基的控制容易編程和維護用戶的利益，開放的體系結(jié)構(gòu)提供靈活性，最終降低成本和提高生產(chǎn)率。(3)向開放性轉(zhuǎn)變PLC存在嚴(yán)重的缺點,主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的,絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議,編程雖多為梯形圖,但各公司的組態(tài)、尋址、語文結(jié)構(gòu)不一致,使各種PLC互不兼容。國際電工協(xié)會(IEC)在1992年頒布了IEC11313《可編程序控制器的編程軟件標(biāo)準(zhǔn)》,為各PLC廠家編程的標(biāo)準(zhǔn)化鋪平了道路?，F(xiàn)在開發(fā)以PC為基、在WINDOWS平臺下,符合IEC11313國際標(biāo)準(zhǔn)的新一代開放體系結(jié)構(gòu)的PLC正在規(guī)劃中。(4)發(fā)展集成技術(shù)及容錯技術(shù)隨著專用集成電路和表面安裝技術(shù)在PLC硬件設(shè)計上的應(yīng)用，使得PLC產(chǎn)品硬件元件數(shù)量更少，集成度更高，體積更小，可靠性更高，同時，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，PLC產(chǎn)品還采用了硬件冗余或容錯技術(shù)，或者采用雙機熱備并機工作。用戶可以通過選擇CPU模塊、通信模塊、電源模塊或I/O模塊甚至整個系統(tǒng)的冗余配置，以及整個PLC系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步加強。另外，PLC產(chǎn)品還可以廣泛采用計算機信息處理技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，使PLC系統(tǒng)的生產(chǎn)控制功能和信息管理功能融為一體，實現(xiàn)控制與管理功能的一體化。隨著微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、人—機界面技術(shù)的迅速發(fā)展,工業(yè)自動化技術(shù)日新月異,各種產(chǎn)品競爭激烈,新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。Schneider quantum plc也由最初的只能處理開關(guān)量而發(fā)展到可以處理模擬量和數(shù)據(jù),加之與DCS、PID調(diào)節(jié)器、工業(yè)PC等技術(shù)相結(jié)合,使之不再是一種簡單的控制設(shè)備,而且必將隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展生存下去。 工程簡介 西氣東輸工程概述西氣東輸管道工程橫貫中國東西部，起點是新疆塔里木的輪南，終點是上海市西郊的白鶴鎮(zhèn)，全長3900公里，管道全線設(shè)有工藝站場35座（其中壓氣站10座、分輸站17座、獨立的中間清管站8座）、遠(yuǎn)控線路截斷閥室138座、操作區(qū)管理處6座（新第 5 頁 (共 58 頁)站場控制系統(tǒng)疆、甘肅、陜寧、山西、豫皖和蘇浙滬）和調(diào)度控制中心2座（上海調(diào)度控制中心1座和北京后備控制中心1座）。壓縮機站和分輸站設(shè)站控系統(tǒng)（SCSStation Control System），中間清管站和遠(yuǎn)控線路截斷閥室設(shè)遠(yuǎn)程終端裝置（RTURemote Terminal Unit）。SCS和RTU作為SCADA系統(tǒng)的遠(yuǎn)方控制單元，不但能獨立完成對所在工藝站場的數(shù)據(jù)采集和控制，而且能將有關(guān)信息傳送給操作區(qū)管理處和調(diào)度控制中心并接受調(diào)度控制中心下達(dá)的命令。操作區(qū)管理處設(shè)SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)方只讀監(jiān)視終端，以便于區(qū)域管理部門掌握本區(qū)域及了解全線的運行工況，保證對本區(qū)域管線與工藝站場的管理和維護。調(diào)度控制中心的主要任務(wù)是通過各站的站控系統(tǒng)（SCS）或遠(yuǎn)程終端裝置（RTU）對該管道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，同時實現(xiàn)管道模擬、輸送計劃、泄漏檢測及定位、設(shè)備運行優(yōu)化、計量管理、模擬培訓(xùn)等任務(wù)。站控系統(tǒng)采用SCADA系統(tǒng)，該系統(tǒng)將達(dá)到對全線各壓氣站進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度、管理的自動化水平。系統(tǒng)投產(chǎn)后，操作人員在調(diào)度控制中心通過SCADA系統(tǒng)可完成對管道的監(jiān)控和運行管理，達(dá)到“有人值守，無人操作”的運行管理水平。自動控制系統(tǒng)是由調(diào)度控制中心系統(tǒng)、站控系統(tǒng)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸控制設(shè)備組成，共同完成系統(tǒng)控制，實現(xiàn)了三級控制。同時現(xiàn)場具備就地手動控制功能[14]。2 站場控制系統(tǒng) 站控系統(tǒng)的組成站控系統(tǒng)(Station Control System)是保證SCADA系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)，站控系統(tǒng)SCS采用以PLC系統(tǒng)為硬件基礎(chǔ)組成控制系統(tǒng)，可以獨立完成對所在站場的數(shù)據(jù)采集和控制，由本地PLC控制器實現(xiàn)邏輯和算法的運算，形成一個功能完整的控制系統(tǒng)。同時，站控系統(tǒng)SCS還要與調(diào)度中心進(jìn)行通訊，向調(diào)度中心提供本站內(nèi)的工藝設(shè)備的運行參數(shù)，并接受調(diào)度控制中心的調(diào)度指令和參數(shù)設(shè)置。中心與各SCS的主數(shù)據(jù)信道為專用光纖信道，雙向點對點通信[15]。 站控配置系統(tǒng)圖如圖一所示，典型站控系統(tǒng)由操作員工作站、RCI、PLC、ESD控制系統(tǒng)、交換機、路由器、打印機等設(shè)備組成站控局域網(wǎng)。 各部分的功能站控系統(tǒng)SCS的主要功能為：對現(xiàn)場的工藝變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理；對電力設(shè)備及其相關(guān)變量的監(jiān)控；對陰極保護站的相關(guān)變量的檢測；站場可燃?xì)怏w的監(jiān)視和報警；消防系統(tǒng)的監(jiān)控；顯示動態(tài)工藝流程；顯示各種工藝變量、其它有關(guān)參數(shù)和報警一覽表；數(shù)據(jù)儲存及處理；顯示實時趨勢曲線和歷史曲線；壓力、流量控制；流量計算；邏輯控制；聯(lián)鎖保護；對壓縮機組的監(jiān)控；緊急停車；打印報警、事件報告以及生產(chǎn)報表；執(zhí)行SCADA系統(tǒng)調(diào)度控制中心發(fā)送的指令，向調(diào)度控制中心發(fā)送帶時間標(biāo)志的實時數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)通信管理等。站控系統(tǒng)SCS采用以PLC系統(tǒng)為硬件基礎(chǔ)組成控制系統(tǒng)，可以獨立完成本站內(nèi)所有監(jiān)控對象和控制設(shè)備的本地控制，由本地PLC控制器實現(xiàn)邏輯和算法的運算，形成一個功能完整的控制系統(tǒng)。同時，站控系統(tǒng)SCS還要與調(diào)度中心進(jìn)行通訊，向調(diào)度中心提供本站內(nèi)的工藝設(shè)備的運行參數(shù)，并接受調(diào)度控制中心的調(diào)度指令和參數(shù)設(shè)置。成為整個完整的SCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分[16]。 操作員工作站操作員工作站的主要功能是為運行人員提供人性化的界面，運行人員通過工作站就能實現(xiàn)對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并自動完成歸檔存儲，報表打印等功能。操作員工作站從通訊服務(wù)器RCI中讀取數(shù)據(jù)。該通訊協(xié)議的主要特點是，對于采集的數(shù)據(jù)采取逢變則報的方式，減少平時的數(shù)據(jù)傳送量，從而降低輪詢周期。此外，工作站集成兩個RJ45的接口，兩個接口配置了不同的IP地址，使其連接在站控系統(tǒng)冗余的網(wǎng)絡(luò)中，如果其中一個網(wǎng)絡(luò)中斷不會影響系統(tǒng)的正常運行。在操作員工作站有2臺打印機，一臺報告打印機，一臺報警/事件打印機，報告打印機是運行人員日常用來打印報表的，來反映整個站的運行情況和一些變量的值；報警/事件打印機是用來打印報警事件的。 站控PLC系統(tǒng)PLC系統(tǒng)是SCADA系統(tǒng)的控制核心。西氣東輸SCADA系統(tǒng)采用的是Schneider的產(chǎn)品，PLC選用的是Schneider公司生產(chǎn)的modicon quantum系列。PLC用于檢測工藝過程的壓力、溫度、可燃?xì)怏w濃度等信息，并對可控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。ESD緊急關(guān)斷控制系統(tǒng)同樣是一套PLC設(shè)備，唯一不同的是，這套PLC是經(jīng)過安全等級認(rèn)證的，用于連鎖保護和緊急停車。RCI遠(yuǎn)程通訊接口用于收集PLC、ESD和第三方智能設(shè)備(流量計算機、色譜分析儀、電力設(shè)備等)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳操作員工作站和調(diào)度中心。操作員工作站用于對整個工藝站場運行情況的監(jiān)視和控制，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔處理。PLC控制器采用熱備冗余模式，每個機架上面安裝了2塊支持冗余的電源模塊，主備機架上面各安裝了1塊冗余PLC模塊，兩個CPU機架之間通過一根光纖進(jìn)行連接，提供高速的數(shù)據(jù)傳輸通道，進(jìn)行兩個CPU機架之間的數(shù)據(jù)同步，在每一個掃描周期內(nèi)完成主CPU到備用CPU之間的內(nèi)存變量同步。當(dāng)主CPU機架上某一個部件故障，不能正常完成控制任務(wù)時，在一個掃描周期內(nèi)，備用CPU可以切換為主CPU，接替控制任務(wù)，對于過程來講，控制任務(wù)不會受到任何干擾，控制過程不會中斷。最后由遠(yuǎn)程機架上面的NOE模塊接入以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)與上位機進(jìn)行交換。CPU機架與I/O機架之間通過ControlNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，連接方式為同軸電纜，采用Modbus協(xié)議。被控對象，如檢測儀表、專用設(shè)備控制系統(tǒng)以及第三方提供的系統(tǒng)之間采用硬線、串行通信接口等方式連接，完成數(shù)據(jù)采集和交換、監(jiān)視和控制等功能。如溫度變送器、壓力/差壓變送器、壓力或溫度開關(guān)及閥位狀態(tài)、工藝截斷閥、控制閥、報警接點、ESD系統(tǒng)的I/O、緊急截斷閥、壓縮機組停車命令、遠(yuǎn)控線路截斷閥命令、自用氣撬裝上有關(guān)儀表、陰極保護系統(tǒng)的有關(guān)儀表等，采用硬線連接的方式，直接連接到I/O機架上I/O模板的相應(yīng)通道上。流量計算機、氣相色譜分析儀、變配電系統(tǒng)、燃?xì)獍l(fā)電機組、太陽能發(fā)電設(shè)備、UPS不間斷電源、遠(yuǎn)程線路截斷閥及壓縮機組的UCS控制系統(tǒng)等，通過串行通訊接口連接到系統(tǒng)中。 遠(yuǎn)程通訊接口RCIRCI(遠(yuǎn)程通訊接口)作為站控SCS系統(tǒng)的通訊服務(wù)器，它承接著與PLC控制系統(tǒng)和第三方設(shè)備間的通訊，其中第三方設(shè)備包括：流量計算機、色譜分析儀、低壓配電盤電力參數(shù)采集、UPS、發(fā)電機、空壓機等。他們之間的通訊采用MODBUS RTU協(xié)議，連接方式RS232或RS485，同PLC之間的連接方式為以太網(wǎng)。RCI同樣是一塊網(wǎng)卡上集成兩個RJ45的接口，該兩個接口配置了相同的IP地址。 遠(yuǎn)程終端裝置RTURTU遠(yuǎn)程終端裝置應(yīng)能夠采集現(xiàn)場壓力、溫度、均速管流量計的差壓、閥位開關(guān)狀態(tài)、清管球狀態(tài)、陰極保護系統(tǒng)的儀表信號等檢測信號通過硬線連接接如到PLC的I/O通道中，PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)通過通信鏈路上傳到調(diào)度控制中心。并可以實現(xiàn)本地的控制以及接受調(diào)度控制中心的控制指令；同時應(yīng)能與自發(fā)電設(shè)備的智能裝置、火災(zāi)檢測系統(tǒng)的智能裝置及其他控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其主要功能為：數(shù)據(jù)采集和處理功能(可接受模擬和開關(guān)量信號)；輸出模擬量和開關(guān)量控制信號；數(shù)學(xué)運算功能；邏輯運算功能；自診斷功能；故障報警功能；執(zhí)行SCADA系統(tǒng)調(diào)度中心發(fā)送的指令，向調(diào)度控制中心發(fā)送帶時間標(biāo)志的實時數(shù)據(jù)等。調(diào)度控制中心與RTU的數(shù)據(jù)通信主信道采用專用光纖信道，一點對多點分組輪詢通信方式，通信接口采用RJ45或RS232C，通信協(xié)議為TCP/[16]。 本章小結(jié)站控系統(tǒng)SCS中的Schneider quantum PLC與其它PLC一起完成對該站的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等任務(wù)，并為調(diào)度控制中心提供有關(guān)數(shù)據(jù)，控制本站的主要電動閥等設(shè)備，保障其正常運行，以及顯示故障報警。本章主要介紹了整個站控系統(tǒng)的組成和各部分的主要的控制功能，從而使讀者從整體上了解了分輸站場的主要設(shè)備和功能，為以下集成設(shè)計整個站場的控制系統(tǒng)做了準(zhǔn)備。第 15 頁 (共 58 頁)系統(tǒng)的集成設(shè)計3 系統(tǒng)的集成設(shè)計 站控系統(tǒng)流程整個站控系統(tǒng)的流程示意圖如圖31所示，來自上游的天然氣進(jìn)入?yún)R管H1后，經(jīng)過濾分離器過濾分離后進(jìn)入?yún)R管H2。過濾分離器工作方式為1用1備。經(jīng)匯管H2后至橇裝渦輪流量計計量系統(tǒng)，渦輪計量橇為2路計量管路，工作方式為1用1備。計量后通過匯管H3至2路電控自力式壓力監(jiān)控系統(tǒng)，工作方式為1用1備。天然氣經(jīng)壓力監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)壓后出站，下游用戶地區(qū)。進(jìn)、出站設(shè)置壓力、溫度檢測及報警。進(jìn)、出站分別設(shè)置緊急切斷 和緊急放空，用于緊急情況下的全站關(guān)閉和放空。站內(nèi)設(shè)置水套爐加熱裝置1套，用于加熱天然氣，防止壓力監(jiān)控的調(diào)壓器降壓時產(chǎn)生冰堵。站內(nèi)設(shè)置自用氣橇1個，用于站內(nèi)自用氣的調(diào)壓和計量。計量采用橇裝渦輪流量計，并配置流量計算機。 站控流程圖天然氣分輸站場主要有四個部分組成：過濾分離區(qū)，計量區(qū)，調(diào)壓區(qū)以及收發(fā)球區(qū)。過濾分離區(qū)主要是將上游來的天然氣進(jìn)行過濾分離其中的雜質(zhì)，主要用旋風(fēng)分離器和過濾分離器；計量區(qū)是對分輸?shù)较掠蔚奶烊粴膺M(jìn)行計量，主要用橇裝渦輪流量計或超聲波流量計進(jìn)行測量；調(diào)壓區(qū)的目的是根據(jù)下游用戶對于天然氣的流量和壓力要求，通過PLC控制電動閥來調(diào)節(jié)，來滿足下游用戶的需求。這部分為本論文設(shè)計部分，設(shè)計了兩路調(diào)壓系統(tǒng)，一用一備，平時只用一路，當(dāng)出現(xiàn)故障時，可以自動的切換到下一路，從而保證調(diào)壓系統(tǒng)能夠正常的工作；收發(fā)球區(qū)主要就是對兩個站場的管道進(jìn)行清理，由于天然氣有很多腐蝕性的氣體會對輸氣管道腐蝕，時間長了之后天然氣中就會有很多雜質(zhì)也會附著在管道上，所以要定期的對管道進(jìn)行清理 [17]。 PLC的硬件配置 PLC的選型此工程采用的是Schneider公司的modicon quantum系列控制器，采用了模塊化的設(shè)計，無源數(shù)據(jù)總線背板結(jié)構(gòu)。包括處理器在內(nèi)所有單元，根據(jù)功能設(shè)計成各種模塊，典型的處理器模塊如 486 控制器140 CPU 434 12A，并且模塊種類不僅包括數(shù)字量、模擬量這些傳統(tǒng)的信號模塊，還有各種網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，這就可以為工業(yè)控制提供—種非常靈活并且十分完整的控制方案。所有的模塊都安裝于標(biāo)準(zhǔn)的modicon機架內(nèi)，Modicon quantum提供了一種以背板為基礎(chǔ)的模塊組合方式，其I/O背板是按照背板裝配方式而設(shè)計，實物圖如下所示。電源模塊