【文章內(nèi)容簡介】 立原則要求，獨立于 DCS 集散控制系統(tǒng)，其安全級別高于 DCS。在正常情況下， ESD 系統(tǒng)是處于靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)。作為安全保護系統(tǒng)，凌駕于生產(chǎn)過程控制之上，實時在線監(jiān)測裝置的安全性。只有當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時，不需要經(jīng)過 DCS 系統(tǒng)，而直接由 ESD 發(fā)出保 護 聯(lián)鎖 信號，對現(xiàn)場設(shè)備進行安全保護，避免危險擴散造成巨大損失。 據(jù) 有關(guān)資料，當(dāng)人在危險時刻的判斷和操作往往是滯后的、不可靠的，當(dāng)操作人員面臨生命危險時，要在 60s 內(nèi)作出反應(yīng)，錯誤決策的概率高達 %。因此設(shè)置獨立于控制系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖是十分有必要的，這是作好安全生產(chǎn)的重要準則。該動 則動，不該動則不動，這是 ESD 系統(tǒng)的一個顯著特點 [21]。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 工程簡介 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）、遠控線路截斷閥室138 座、操作區(qū)管理處 6 座（新疆、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），中間清管站和遠控線路截斷閥室設(shè)遠程終端裝置（ RTURemote Terminal Unit）。 SCS 和RTU 作為 SCADA 系統(tǒng)的遠方控制單元，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)度控制中心下達的命令。操作區(qū)管理處設(shè) SCADA 系統(tǒng)遠方只讀監(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）或遠程終端裝置（ RTU）對該管道進行數(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)將達到對 全線各壓氣站進行 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 [13]。 設(shè)計 的 主要內(nèi)容 緊急停車系統(tǒng) (ESD)是 站場最高級別的安全的 控制設(shè) 備。本論文將結(jié)合“ 西氣東輸 工程” 壓氣 站場和 德國 Himatrix 公司 F30 控制器 ， 設(shè)計 鄭州 站的 由進站到鄭州城市燃氣支線這 部分的 ESD 控制系統(tǒng) 。 首先熟悉輸氣管道壓氣站場工藝流程，掌握壓氣 站場工藝控制要求， 對 天然氣管道 站控 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置及原理進行分析和研究 ，然后掌握 Himatrix 公司 F30 ESD 控第 1章 緒論 7 制器 的基本原理 、 配置及 I/O 模 塊 功能； 最后運用 HIMA 公司的 ElopeⅡFactory 編程 組態(tài) 軟件編制典型的站控系統(tǒng)控制程序 。 根據(jù)輸氣管道 壓氣 站場工藝流程控制要求，完成 壓氣 站場主要工藝參數(shù)的采集和工藝設(shè)備的控制 ， 實現(xiàn)典型流程切換邏輯程序開發(fā)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第 2 章 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 安全 系統(tǒng)采用以 ESD 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 ESD 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 [14]。 圖 21 典型 站控系統(tǒng)配置圖 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)。 ESD 控制系統(tǒng)選用德國 HIMA F30 系列可編程控制器，用于聯(lián) 鎖保護和緊急停車。 RCI 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。第 2章 站場控制系統(tǒng) 9 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)進行歸檔處理 。配置打印機打印報警、生產(chǎn)報表和曲 線等。 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；站場可燃氣體的監(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、其他有關(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。 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。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 站控 ESD 系統(tǒng) ESD 用于檢測工藝過程 的壓力 、 溫度、可燃氣體濃度等信息，并對可控設(shè)備進行監(jiān)視和控制。 它 的優(yōu)先級在站控中是最高的 ，用于連鎖保護和緊急停車。 當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)意外波動或緊急情況需要采取某些動作或停車時，該系統(tǒng)能精確監(jiān)測，并及時、準確地做出響應(yīng)，使裝置停在一定的安全水平上，確保裝置和人身的安全。 站控 ESD 系統(tǒng)是獨立設(shè)置的。當(dāng)然一般安全聯(lián)鎖保護功能也可由 DCS來實現(xiàn)。但是對于較大規(guī)模的緊急停車系統(tǒng)應(yīng)按照安全獨立原則與 DCS 分開設(shè)置，這樣做主要有以下幾方面原因： （ 1）降低控制功能和安全功能同時失效的概率，當(dāng)維護 DCS 部分故障時也不會危及 安全保護系統(tǒng) 。 （ 2）對于大型裝置或旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備而言，緊急停車系統(tǒng)響應(yīng)速度越快越好。這有利于保護設(shè)備，避免事故擴大；并有利于分辨事故原因記錄。而DCS 處理大量過程監(jiān)測信息，因此其響應(yīng)速度難以作得很快； （ 3） DCS 系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)，是動態(tài)的，需要人工頻繁的干預(yù)，這有可能引起人為誤動作；而 ESD 是靜態(tài)的，不需要人為干預(yù)，這樣設(shè)置 ESD可以避免人為誤動作。 遠程通訊接口 RCI RCI(遠程通訊接口 )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。 遠程終端裝置 RTU RTU 遠程終端 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) 和火災(zāi) 的儀表信號等檢測信號通過硬線連接 到 ESD 的 I/O 通道中， ESD 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。第 2章 站場控制系統(tǒng) 11 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，傳輸速率為 ，通信接口采用 RJ45 或 RS232C，通信協(xié)議為 TCP/IP 或 [15,17]。 本章小結(jié) 站控 安全儀表 系統(tǒng) SIS的 ESD將完成 當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)意外波動或緊急情況需要采取某些動作或停車時，該系統(tǒng)能精確監(jiān)測，并及時、準確地做出響應(yīng)，使裝置停在一定的安全水平上，確保裝置和人身的安全。 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壓 氣站場的主要設(shè)備和功能，為以下集成設(shè)計 安全儀表 控制系統(tǒng)做了準備。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 第 3 章 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入?yún)R管H1 后，經(jīng)過濾分離器過濾分離后進入?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， 送往 下游用戶地區(qū)。進、出站設(shè)置壓力、溫度檢測及報警。進、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。 計量采用渦輪流量計，并配置流量計算機 [13]。 過濾分離區(qū)計量區(qū)調(diào)壓區(qū)上游來氣去往下游 圖 31 站 控流程圖 在進 氣區(qū)有三個由 ESD 控制的 閥門，其中一個為放空閥，一個氣液聯(lián)動閥，一個電動閥；在調(diào)壓區(qū)有一 個 ESD 控制的調(diào)壓閥；在出站區(qū)有兩個 ESD 控制的閥門，分別是放空閥和出站電動閥 ；一個 ESD 控制的越站閥 。 ESD 的硬件配置 ESD 的選型 此工程采用的是 HIMA 公司的 F30 ESD 控制器 和 HIMatrix F3 DIO 20/8 第 3章 系統(tǒng)的集成設(shè)計 13 01（數(shù)字量輸入輸出模塊） ， 下面對這兩類硬件分別進行 描述。 1. HIMatrix F30 . HIMatrix F30 的外觀。 從外觀上看， F30 有 4 個 10/100Base T 以太網(wǎng)口，它們具備同樣的功能，接口方式為 RJ45，支持安全以太網(wǎng)和 OPCSERVER，通過該以太網(wǎng)口可以對 F30 進行編程和測試， 3 個 FB 口，為 9 針 D 型連接頭。 圖 32 Himatrix F30 ESD 外觀 其中 FB1 口支持 RS485 通訊，可也作為 ProfibusDPSlave 以及 Modbus Slave，西氣東輸東段所用的軟件暫時還不支持 Modbus 協(xié)議，在西段將開發(fā)使用。此外， F30 包括 8 個數(shù)字量輸出和 20 個數(shù)字量輸入，用于數(shù)據(jù)采集和控制現(xiàn)場設(shè)備，它們的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理參見下圖： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 圖 33 ESD數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理圖 . 數(shù)字量輸入 : F30 控制器有 20 個數(shù)字量輸入，每個數(shù)字量輸入對應(yīng)一個狀態(tài)顯示燈，支持有源信號和無源信號兩種接線方式，接線方式參見下圖，其中左圖為無源信號的接線方式，右圖為有源信號的接線方式。 無源信號 有源信號 圖 34 無源、有源信號接線圖 數(shù) 字量輸出 : F30 控制器有 8 個數(shù)字量輸出，每個數(shù)字量輸出對應(yīng)一個狀態(tài)顯示燈，其中 第 4通道和第 8通道能支持最大 2A 的負載，其它 6個通道支持最大 的負載，最好在每一個輸出通道增加一個二極管，如下圖的 4 通道。 感應(yīng)負載可以不接二極管 。 第 3章 系統(tǒng)的集成設(shè)計 15 圖 35 數(shù)字量輸出接線圖 雖然每塊 F30 控制器有 4 個以太網(wǎng)口，但是它們只有一個 IP地址，可以