【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 CADA control and data acquisition systems and programmable logic controller development, citing the Castle Peak typical station control system configuration, position and function of each system, and then describes the control flow station, PLC type, hardware configuration, all I / O module features, and finally through the use of Schneider produced modicon quantum series PLC and related programming software programming concept, using one of the PID modules, subtransmission station to adjust the pressure and flow, and thus to achieve the subtransmission station Selection of control pressure and flow regulation to ensure the gas pressure control within the required to fully meet the downstream user of natural gas pressure and flow requirements, the final surge to plete the process of voltage regulation system, embodied in the subtransmission station PLC control system an important role. [Keywords] PLC, subtransmission station, voltage regulation system, flow, pressure, regulation, selection control,PID 緒論 第 1 頁(yè) (共 58 頁(yè) ) Schneider quantum 系列在天然氣分輸站場(chǎng)的應(yīng)用 1 緒論 課題背景 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)近年來(lái)的飛速發(fā)展，能源的開(kāi)發(fā)與供應(yīng)將是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重心之一。石油與天然氣作為方便與高效的能源，在我國(guó)的能源規(guī)劃中處于不可替代的重要的地位。石油和天然氣的管道運(yùn)輸，作為石油和天然氣的主要運(yùn)輸方式，在我國(guó)的建設(shè)步伐不斷加快。開(kāi)發(fā)管道運(yùn)行的自動(dòng)化管理系統(tǒng)，在當(dāng)前具有相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的意義。SCADA 系統(tǒng)作為石油和天然氣管道運(yùn)行的監(jiān)測(cè)和控制體系，在我國(guó)管道自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越多，極大地提高了管道運(yùn)行的自動(dòng)化，保證了 管道安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行。伴隨著 SCADA 系統(tǒng)在管道運(yùn)行應(yīng)用上的日益普及，產(chǎn)生了對(duì)管道運(yùn)行管理自動(dòng)化的需求。與此同時(shí)，它的普及，又為管道運(yùn)行管理的自動(dòng)化提供了硬件體系和低層運(yùn)行自動(dòng)化的基礎(chǔ)，為管道運(yùn)行管理信息系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用提供了廣闊的市場(chǎng)和網(wǎng)絡(luò)體系的支持 [1,2]。 隨著當(dāng)今自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，對(duì)于儀表與閥門(mén)的控制已不再 是我們印象中的手動(dòng)控制，而是通過(guò)由 PLC、現(xiàn)場(chǎng)儀表、上位機(jī)軟件、通訊設(shè)備等共同構(gòu)成的一個(gè) SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控 )系統(tǒng)，智能化的對(duì) 輸氣 管道 和站場(chǎng)的 各種閥門(mén)調(diào)節(jié)進(jìn)行控制。 SCADA 控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和 PLC 檢測(cè)控制儀表系統(tǒng)，調(diào)度控制中心將有關(guān)信息通過(guò)衛(wèi)星信道與沿線各個(gè)站場(chǎng)的站控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。調(diào)度控制中心完成對(duì)該管道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)歸檔、設(shè)備控制、故障處理、安全保護(hù)、報(bào)警等任務(wù)，同時(shí)完成批量計(jì)劃、批量跟蹤、順序輸送、泄漏檢測(cè)、儀表故障診斷及分析等功能。調(diào)度控制中心的調(diào)度和操作人員通過(guò) PLC 采集的管道系統(tǒng)工藝過(guò)程的壓力、溫度、流量、密度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，完成對(duì)管道全線的監(jiān)控及 運(yùn)行管理。調(diào)度人員還可通過(guò)調(diào)度管理計(jì)算機(jī)完成批量計(jì)劃等調(diào)度管理工作。沿線各站場(chǎng)的站控PLC 系統(tǒng)將完成對(duì)該站的數(shù)據(jù)采集、保護(hù)等任務(wù)，并為調(diào)度控制中心提供有關(guān)數(shù)據(jù)，接收和自動(dòng)執(zhí)行調(diào)度控制中心下達(dá)的指令 [3,4]。 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和意義 Schneider quantum 系列在天然氣分輸站場(chǎng)的應(yīng)用 第 2 頁(yè) (共 58 頁(yè) ) 國(guó)外長(zhǎng)輸天然氣管道自動(dòng)化發(fā)展比較早，從 20 世紀(jì) 50 年代，蘇聯(lián)就開(kāi)始了長(zhǎng)輸天然氣管道的建設(shè)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，國(guó)外 (以美國(guó)和西方國(guó)家為代表 )天然氣管道自動(dòng)化工程有了很大發(fā)展。特別是運(yùn)用高度自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)，對(duì)全線主要參數(shù)采集監(jiān)控，在控制中心的調(diào)度人員通過(guò)計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)管道流量、壓力及閥門(mén)開(kāi)、關(guān)等設(shè)備的自動(dòng)控制，清管器跟蹤管理，系統(tǒng)組態(tài)、擴(kuò)展，仿真系統(tǒng)軟件可完成泄漏檢測(cè)、定位、設(shè)備優(yōu)化配置、運(yùn)行模擬、培訓(xùn)模擬等功能。 我國(guó)的天然氣管道發(fā)展比較晚，在 20 世紀(jì) 90 年代我國(guó)天然氣管道自動(dòng)化方面才有了較快的發(fā)展，西氣東輸代表了當(dāng)時(shí)我國(guó)天然氣管道工程的最高水平，運(yùn)營(yíng)管理采用了 SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，并通過(guò)采用微波、衛(wèi)星和租用地方郵網(wǎng)方式進(jìn)行通信。目前新建管道與國(guó)際接軌， 并用光纜進(jìn)行通信，傳輸信息量大。 隨著我國(guó)長(zhǎng)輸管道大型項(xiàng)目的不斷建設(shè)以及通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，管道的自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平 [5,6]。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在輸氣管道 及其分輸站 的廣泛應(yīng)用， 大大提高了生產(chǎn)和運(yùn)行管理的安全性和可靠性，降低了惡劣工作環(huán)境對(duì)操作人員的影響，保證了人員的安全，同時(shí)提高了預(yù)測(cè)突發(fā)事件的能力以及在緊急情況下的快速反應(yīng)和處理能力，減少生命和財(cái)產(chǎn)的損失，從而帶來(lái)良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益 [7]。 SCADA 系統(tǒng)的發(fā)展 SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，全名為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。它是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。 SCADA 系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域 [8]。 SCADA 系統(tǒng)自誕生之日起就與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。 SCADA 系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代，第四代已具雛形。第一代是基于專用計(jì)算機(jī)和專用操作系統(tǒng)的 SCADA 系統(tǒng)，這一階段是從計(jì)算機(jī)運(yùn)用到 SCADA 系統(tǒng)時(shí)開(kāi)始到 70 年代。如電力自動(dòng)化研究院為華北電網(wǎng)開(kāi)發(fā)的 SD176 系統(tǒng)以及在日本日立公司為我國(guó)鐵道電氣化遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的 H80M 系統(tǒng)；第二代是 80年代基于通用計(jì)算機(jī)的 SCADA系統(tǒng)，緒論 第 3 頁(yè) (共 58 頁(yè) ) 在第二代中，廣泛采用 VAX 等其它計(jì)算機(jī)以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的 UNIX 操作系統(tǒng)。第一代與第二代 SCADA 系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是基于集中式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開(kāi)放性，因而系統(tǒng)維護(hù)，升級(jí)以及與其它聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成很大困難；第三代是 90 年代按照開(kāi)放的原則，基于分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍聯(lián)網(wǎng)的 SCADA 系統(tǒng)稱為第三代。這一階段也是我國(guó) SCADA 系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，在電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；第四代 SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件已經(jīng)或即將具備。該系統(tǒng)的主要特征是采用 Inter 技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及 JAVA 等技術(shù)，繼續(xù)擴(kuò)大 SCADA 系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，綜合安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的需要 。 SCADA 系統(tǒng)在不斷完善，不斷發(fā)展，其技術(shù)進(jìn)步一刻也沒(méi)有停止過(guò) [9,10]。 根據(jù)目前 SCADA 系統(tǒng)的應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，管道 SCADA 系統(tǒng) 的控制層次通常分為三級(jí)：控制中心級(jí)、站控級(jí)和設(shè)備控制級(jí)，該結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了集中管理、分散控制的現(xiàn)代系統(tǒng)控制原則，特別適用于長(zhǎng)輸管道這種分散性大、跨地域廣、功能相似系統(tǒng)的運(yùn)行管理和控制?？刂浦行膶?duì)全線進(jìn)行集中參數(shù)采集、監(jiān)視、控制和調(diào)度管理，站控級(jí)通過(guò) PLC/RTU 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝站場(chǎng)進(jìn)行控制與監(jiān)視，設(shè)備控制級(jí)是對(duì)泵機(jī)組、加熱爐、壓縮機(jī)、閥門(mén)等工藝設(shè)備進(jìn)行本地控制。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)具備就地手動(dòng)控制功能。在正常情況下，由調(diào)度控制中心對(duì)全線進(jìn)行監(jiān)視和控制。調(diào)度和操作人員在調(diào)度控制中心通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)完成對(duì)全線的監(jiān)視、操作和管理 。通常，沿線各站無(wú)須人工干預(yù)，各站的站控系統(tǒng)在調(diào)度控制中心的統(tǒng)一指揮下完成各自的工作?？刂茩?quán)限由調(diào)度控制中心確定，經(jīng)調(diào)度控制中心授權(quán)后，才允許操作人員通過(guò)站控系統(tǒng)對(duì)各站進(jìn)行授權(quán)范圍內(nèi)的工作。當(dāng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)生故障或調(diào)度控制中心主計(jì)算機(jī)發(fā)生故障或系統(tǒng)檢修時(shí)，由站控系統(tǒng)完成對(duì)本站的監(jiān)視控制。當(dāng)進(jìn)行設(shè)備檢修或緊急停車(chē)時(shí)，可就地控制。管道沿線的站場(chǎng)均處于調(diào)度控制中心的監(jiān)控之下；另外，重要部位的線路緊急截?cái)嚅y和高點(diǎn)壓力檢測(cè)點(diǎn)也直接納入調(diào)度控制中心的監(jiān)控范圍之內(nèi)。全線的壓力和流量控制由調(diào)度控制中心根據(jù)輸送計(jì)劃和模擬計(jì)算 ，通過(guò)通信信道將壓力或流量設(shè)定點(diǎn)和相關(guān)指令傳送給有關(guān)的站控系統(tǒng)執(zhí)行。在非正常情況下，根據(jù)沿線的工作情況改變相關(guān)的壓力或流量設(shè)定值，使管道在新的條件下安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。 全線各站的工藝操作以站控系統(tǒng)為主，控制制中心主要完成全線的災(zāi)害保護(hù)和全線聯(lián)合運(yùn)行的調(diào)控，在站控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)也可以利用就地操作按鈕或手柄、手輪等Schneider quantum 系列在天然氣分輸站場(chǎng)的應(yīng)用 第 4 頁(yè) (共 58 頁(yè) ) 對(duì)泵、閥等設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的操作 [11]。 Schneider quantum 系列 PLC 的發(fā)展 Schneider quantum 系列 PLC和其他可編程控制器一樣 ,是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系 統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)上，它 分為固定式和組合式 (模塊式 )兩種。固定式 PLC 包括 CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 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 及操作人員的緒論 第 5 頁(yè) (共 58 頁(yè) ) 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?，F(xiàn)在開(kāi)發(fā)以 PC 為基、在