【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)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(lái)有了飛速的發(fā)展，1982年正式打入中國(guó)市場(chǎng),我國(guó)也是從80年代初開(kāi)始認(rèn)識(shí)使用PLC，隨著成套設(shè)備、專用設(shè)備引進(jìn)了不少國(guó)外的PLC，最近幾年，美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)的PLC產(chǎn)品大量進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，Schneider quantum系列在中國(guó)面臨強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)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(yǔ)言易懂，是適用于工程、工藝人員使用的圖形語(yǔ)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(yǔ)句表語(yǔ)言(Statement ListSTL)，更重要的是時(shí)刻都要求自身的質(zhì)量。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。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(gè)方面：(1)微型、小型PLC功能明顯增強(qiáng)推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC，而功能卻有所增強(qiáng)，使PLC的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)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(mén)和車(chē)輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂(lè)場(chǎng)所和商業(yè)部門(mén)。(2)集成化發(fā)展趨勢(shì)增強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)率最快。PLC與PC集成，即將計(jì)算機(jī)、PLC及操作人員的人—機(jī)接口結(jié)合在一起，使PLC能利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，而計(jì)算機(jī)能和PLC的模塊交互存取數(shù)據(jù)。以PC機(jī)為基的控制容易編程和維護(hù)用戶的利益，開(kāi)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(kāi)放性轉(zhuǎn)變PLC存在嚴(yán)重的缺點(diǎn),主要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開(kāi)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(yǔ)文結(jié)構(gòu)不一致,使各種PLC互不兼容。國(guó)際電工協(xié)會(huì)(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。現(xiàn)在開(kāi)發(fā)以PC為基、在WINDOWS平臺(tái)下,符合IEC11313國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的新一代開(kāi)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(cuò)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(jì)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(shí)，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(cuò)技術(shù)，或者采用雙機(jī)熱備并機(jī)工作。用戶可以通過(guò)選擇CPU模塊、通信模塊、電源模塊或I/O模塊甚至整個(gè)系統(tǒng)的冗余配置，以及整個(gè)PLC系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步加強(qiáng)。另外，PLC產(chǎn)品還可以廣泛采用計(jì)算機(jī)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(shí)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(jī)界面技術(shù)的迅速發(fā)展,工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)日新月異,各種產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈,新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。Schneider quantum plc也由最初的只能處理開(kāi)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(jiǎn)單的控制設(shè)備,而且必將隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展生存下去。 工程簡(jiǎn)介 西氣東輸工程概述西氣東輸管道工程橫貫中國(guó)東西部，起點(diǎn)是新疆塔里木的輪南，終點(diǎn)是上海市西郊的白鶴鎮(zhèn)，全長(zhǎng)3900公里，管道全線設(shè)有工藝站場(chǎng)35座（其中壓氣站10座、分輸站17座、獨(dú)立的中間清管站8座）、遠(yuǎn)控線路截?cái)嚅y室138座、操作區(qū)管理處6座（新第 5 頁(yè) (共 58 頁(yè))站場(chǎng)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(jī)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?cái)嚅y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(dú)立完成對(duì)所在工藝站場(chǎng)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(mén)掌握本區(qū)域及了解全線的運(yùn)行工況，保證對(duì)本區(qū)域管線與工藝站場(chǎng)的管理和維護(hù)。調(diào)度控制中心的主要任務(wù)是通過(guò)各站的站控系統(tǒng)（SCS）或遠(yuǎn)程終端裝置（RTU）對(duì)該管道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)管道模擬、輸送計(jì)劃、泄漏檢測(cè)及定位、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、計(jì)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(duì)全線各壓氣站進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度、管理的自動(dòng)化水平。系統(tǒng)投產(chǎn)后，操作人員在調(diào)度控制中心通過(guò)SCADA系統(tǒng)可完成對(duì)管道的監(jiān)控和運(yùn)行管理，達(dá)到“有人值守，無(wú)人操作”的運(yùn)行管理水平。自動(dòng)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)了三級(jí)控制。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)具備就地手動(dòng)控制功能[14]。2 站場(chǎng)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(yùn)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(dú)立完成對(duì)所在站場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制，由本地PLC控制器實(shí)現(xiàn)邏輯和算法的運(yùn)算，形成一個(gè)功能完整的控制系統(tǒng)。同時(shí)，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(yùn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jī)、路由器、打印機(jī)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工藝變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理；對(duì)電力設(shè)備及其相關(guān)變量的監(jiān)控；對(duì)陰極保護(hù)站的相關(guān)變量的檢測(cè)；站場(chǎng)可燃?xì)怏w的監(jiān)視和報(bào)警；消防系統(tǒng)的監(jiān)控；顯示動(dòng)態(tài)工藝流程；顯示各種工藝變量、其它有關(guān)參數(shù)和報(bào)警一覽表；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及處理；顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史曲線；壓力、流量控制；流量計(jì)算；邏輯控制；聯(lián)鎖保護(hù)；對(duì)壓縮機(jī)組的監(jiān)控；緊急停車(chē)；打印報(bào)警、事件報(bào)告以及生產(chǎn)報(bào)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(shí)間標(biāo)志的實(shí)時(shí)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(dú)立完成本站內(nèi)所有監(jiān)控對(duì)象和控制設(shè)備的本地控制，由本地PLC控制器實(shí)現(xiàn)邏輯和算法的運(yùn)算，形成一個(gè)功能完整的控制系統(tǒng)。同時(shí)，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(yùn)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(gè)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(yùn)行人員提供人性化的界面，運(yùn)行人員通過(guò)工作站就能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并自動(dòng)完成歸檔存儲(chǔ)，報(bào)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(diǎn)是，對(duì)于采集的數(shù)據(jù)采取逢變則報(bào)的方式，減少平時(shí)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(gè)RJ45的接口，兩個(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中斷不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在操作員工作站有2臺(tái)打印機(jī)，一臺(tái)報(bào)告打印機(jī)，一臺(tái)報(bào)警/事件打印機(jī)，報(bào)告打印機(jī)是運(yùn)行人員日常用來(lái)打印報(bào)表的，來(lái)反映整個(gè)站的運(yùn)行情況和一些變量的值；報(bào)警/事件打印機(jī)是用來(lái)打印報(bào)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(cè)工藝過(guò)程的壓力、溫度、可燃?xì)怏w濃度等信息，并對(duì)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(guò)安全等級(jí)認(rèn)證的，用于連鎖保護(hù)和緊急停車(chē)。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(jì)算機(jī)、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(duì)整個(gè)工藝站場(chǎng)運(yùn)行情況的監(jiān)視和控制，并對(duì)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(gè)機(jī)架上面安裝了2塊支持冗余的電源模塊，主備機(jī)架上面各安裝了1塊冗余PLC模塊，兩個(gè)CPU機(jī)架之間通過(guò)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(gè)CPU機(jī)架之間的數(shù)據(jù)同步，在每一個(gè)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(jī)架上某一個(gè)部件故障，不能正常完成控制任務(wù)時(shí)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)，備用CPU可以切換為主CPU，接替控制任務(wù)，對(duì)于過(guò)程來(lái)講，控制任務(wù)不會(huì)受到任何干擾，控制過(guò)程不會(huì)中斷。最后由遠(yuǎn)程機(jī)架上面的NOE模塊接入以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)與上位機(jī)進(jìn)行交換。CPU機(jī)架與I/O機(jī)架之間通過(guò)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(duì)象，如檢測(cè)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(kāi)關(guān)及閥位狀態(tài)、工藝截?cái)嚅y、控制閥、報(bào)警接點(diǎn)、ESD系統(tǒng)的I/O、緊急截?cái)嚅y、壓縮機(jī)組停車(chē)命令、遠(yuǎn)控線路截?cái)嚅y命令、自用氣撬裝上有關(guān)儀表、陰極保護(hù)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(jī)架上I/O模板的相應(yīng)通道上。流量計(jì)算機(jī)、氣相色譜分析儀、變配電系統(tǒng)、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備、UPS不間斷電源、遠(yuǎn)程線路截?cái)嚅y及壓縮機(jī)組的UCS控制系統(tǒng)等，通過(guò)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(jì)算機(jī)、色譜分析儀、低壓配電盤(pán)電力參數(shù)采集、UPS、發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)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(gè)RJ45的接口，該兩個(gè)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(chǎng)壓力、溫度、均速管流量計(jì)的差壓、閥位開(kāi)關(guān)狀態(tài)、清管球狀態(tài)、陰極保護(hù)系統(tǒng)的儀表信號(hào)等檢測(cè)信號(hào)通過(guò)硬線連接接如到PLC的I/O通道中，PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)通過(guò)通信鏈路上傳到調(diào)度控制中心。并可以實(shí)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(shí)應(yīng)能與自發(fā)電設(shè)備的智能裝置、火災(zāi)檢測(cè)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(kāi)關(guān)量信號(hào))；輸出模擬量和開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)；數(shù)學(xué)運(yùn)算功能；邏輯運(yùn)算功能；自診斷功能；故障報(bào)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(shí)間標(biāo)志的實(shí)時(shí)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)分組輪詢通信方式，通信接口采用RJ45或RS232C，通信協(xié)議為T(mén)CP/[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(duì)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(dòng)閥等設(shè)備，保障其正常運(yùn)行，以及顯示故障報(bào)警。本章主要介紹了整個(gè)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(chǎng)的主要設(shè)備和功能，為以下集成設(shè)計(jì)整個(gè)站場(chǎng)的控制系統(tǒng)做了準(zhǔn)備。第 15 頁(yè) (共 58 頁(yè))系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)3 系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì) 站控系統(tǒng)流程整個(gè)站控系統(tǒng)的流程示意圖如圖31所示，來(lái)自上游的天然氣進(jìn)入?yún)R管H1后，經(jīng)過(guò)濾分離器過(guò)濾分離后進(jìn)入?yún)R管H2。過(guò)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(jì)計(jì)量系統(tǒng)，渦輪計(jì)量橇為2路計(jì)量管路，工作方式為1用1備。計(jì)量后通過(guò)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(cè)及報(bào)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(shí)產(chǎn)生冰堵。站內(nèi)設(shè)置自用氣橇1個(gè)，用于站內(nèi)自用氣的調(diào)壓和計(jì)量。計(jì)量采用橇裝渦輪流量計(jì)，并配置流量計(jì)算機(jī)。 站控流程圖天然氣分輸站場(chǎng)主要有四個(gè)部分組成：過(guò)濾分離區(qū)，計(jì)量區(qū)，調(diào)壓區(qū)以及收發(fā)球區(qū)。過(guò)濾分離區(qū)主要是將上游來(lái)的天然氣進(jìn)行過(guò)濾分離其中的雜質(zhì)，主要用旋風(fēng)分離器和過(guò)濾分離器；計(jì)量區(qū)是對(duì)分輸?shù)较掠蔚奶烊粴膺M(jìn)行計(jì)量，主要用橇裝渦輪流量計(jì)或超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量；調(diào)壓區(qū)的目的是根據(jù)下游用戶對(duì)于天然氣的流量和壓力要求，通過(guò)PLC控制電動(dòng)閥來(lái)調(diào)節(jié)，來(lái)滿足下游用戶的需求。這部分為本論文設(shè)計(jì)部分，設(shè)計(jì)了兩路調(diào)壓系統(tǒng)，一用一備，平時(shí)只用一路，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動(dòng)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(duì)兩個(gè)站場(chǎng)的管道進(jìn)行清理，由于天然氣有很多腐蝕性的氣體會(huì)對(duì)輸氣管道腐蝕，時(shí)間長(zhǎng)了之后天然氣中就會(huì)有很多雜質(zhì)也會(huì)附著在管道上，所以要定期的對(duì)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(jì)，無(wú)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(jì)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(hào)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(jī)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(jì)，實(shí)物圖如下所示。電源模塊