【導(dǎo)讀】指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注。和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作。了明確的說明并表示了謝意。的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。

　　

【正文】 等多種規(guī)格 。各個模塊的布置是完全相互獨(dú)立的，任何一個模塊都可以安裝在背板的任何一個槽內(nèi)。每個 I/O 模塊都可以采取機(jī)械按鍵的方式來鎖定，以防止不合適的電壓加到相應(yīng)的組件上。 圖 PLC 實物圖 Schneider quantum 系列控制器還可以通過 EtherNet， ControlNet 和 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)模塊及其網(wǎng)絡(luò)將遠(yuǎn)離處理器的分布式 I/O 連接起來，實現(xiàn)分布式 I/O 數(shù)據(jù)處理。同樣可以通過 EtherNet， ControlNet 網(wǎng)絡(luò)將分散的處理器連接起來，實現(xiàn)分布式控制。 冗余系統(tǒng)的搭建 Modicon quantum PLC 可以提供完善的控制器的冗余功能，采用熱備的方式構(gòu)建控制器，兩個控制器框 架采用完全相同的配置，它們之間使用同軸 電纜 連接，不僅控制器可以采用熱備，通訊網(wǎng)絡(luò)也可以采用相似的方式進(jìn)行熱備，除以上的部分可以熱備外，控制器的電源也可以進(jìn)行熱備，這樣大大提高了控制器的運(yùn)行的可靠性。 采用了冗余的 Modicon quantum PLC，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。上位機(jī)通過交換Schneider quantum 系列在天然氣分輸站場的應(yīng)用 第 12 頁 (共 58 頁 ) 機(jī)與 PLC 處理器通訊，遠(yuǎn)程框架通過冗余的 Modicon quantum PLC 連接到控 制器框架，同時，遠(yuǎn)程框架采用了冗余電源配置。整套系統(tǒng)具有很高的可靠性，滿足了站 控系統(tǒng)對于 PLC 控制部分需要長期無故障運(yùn)行的要求。上位機(jī)采用 組態(tài)軟件viewstar20xx，用以監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行。 圖 冗余系統(tǒng)圖 在正常工作情況下， 主框架與從框架有人工選擇。如 果同步光纖、 ControlNET或者以太網(wǎng)出現(xiàn)連接問題，都有可能導(dǎo)致同步不正常 。 各 模 板功能 介紹 （ 1） CPU 模板 （ 140 CPU 434 12A） Quantum CPU 是位于 Quantum 本地 I/O 底板上的一個 CPU 模板。 CPU 是一種數(shù)字化的電子操作系統(tǒng) ， 它使用用戶保存在可編程儲存器中的指令進(jìn)行操作。這些指令用于實現(xiàn)一些特定的功能，諸如邏輯、過程順序控制、時序、耦合、算術(shù)運(yùn)算等，通過數(shù)字量和模擬量輸出對不同類型的設(shè)備裝置和過程進(jìn)行控制。 Quantum CPU 還作為通訊總線的主控，控制 Quantum 系統(tǒng)的本地、遠(yuǎn)程和分布式 I/O。 （ 2） 電源模板 （ 140 CPS 124 20） Quantum 的電源模板用于向插在底板上的包括 Quantum CPU、接口和 Quantum I/O 等模板在內(nèi)的所有模板供電。取決于系統(tǒng)的配置，電源 有以下可選模式 : 獨(dú)立電源 —— 對于 3A 或 8A 配置，它不要求容錯或冗余性能； 獨(dú)立可累加電源 —— 對于消耗大于一個電源額定電流的配置，兩個可累加電源系統(tǒng)的集成設(shè)計 第 13 頁 (共 58 頁 ) 可安裝在同一底板上； 冗余電源 —— 對不可中斷系統(tǒng)操作所需要的電源。為得到冗余性能要求有兩個冗余電源； （ 3） 遠(yuǎn)程 I/O（ RIO） 模板 （ 140 CRP 932 00） RIO 處理器 （ 140 CRP 932 00） 安裝于用作系統(tǒng)控制的 CPU 模板的同一底板內(nèi)，該模板用于在 CPU 與安裝于其它機(jī)架的 RIO 適配器模板之間雙向傳送數(shù)據(jù)。 RIO 處理器模板和一個或多個與 RIO 適配器模 板之間采用雙同軸電纜網(wǎng)絡(luò)互相相連。 注 1：雙機(jī)熱備時，熱備處理器模板所在底板上的 RIO 處理器模 板 Com Act指示燈應(yīng)不停閃爍； 注 2：僅限于雙纜情況下。 RIO 適配器（ Drop）模板（ 140 CRA 932 00）作用是通過同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，使安裝于同一底板的 I/O 模板與 RIO 處理器模板之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳送。 注：僅限于雙纜情況下。 背板開關(guān) : RIO 的后面板上設(shè)有 2 個旋轉(zhuǎn)開關(guān)，用于設(shè)置 RIO 站地址。 SW1 設(shè)置地址高位（十位）， SW2 設(shè)置地址底位（個位）。 地址范圍為 1~32。 各站各 RIO 分站地址 分別設(shè)為 0 0 04，具體站號參見 PLC 系統(tǒng)配置圖。 （ 4） 熱備模板 （ 140 CHS 110 00） 面板控制 : 熱備控制模板的前面板上有 3 個控制： 1 個功能鑰匙開關(guān)、 1 個選擇滑動開關(guān)和一個更新按鈕。 鑰匙開關(guān)和更新按鈕 : 鑰匙開關(guān)有 3 個位置 : off line—— 熱備控制器離線； Xfer—— 當(dāng)熱備控制器上的鑰匙開關(guān)放在此位置時，熱備 CPU 準(zhǔn)備好從主CPU 接收一個完整的程序更新。更新通過按程序更新按鈕來初始化。如果將主控制器上的鑰匙轉(zhuǎn)向 Xfer，系統(tǒng)將忽略。 Schneider quantum 系列在天然氣分輸站場的應(yīng)用 第 14 頁 (共 58 頁 ) Run—— 啟動熱備控制。 A/B 標(biāo)志滑動 開關(guān) : 該滑動開關(guān)用于選擇控制器是 A 或 B 狀態(tài)。在每一對熱備模板上的滑動開關(guān)必須互不相同。否則，雙機(jī)熱備將無法運(yùn)行。 （ 5） I/O 模板 Quantum I/O 模板是電器 信號轉(zhuǎn)換器，它將送至和來自現(xiàn)場裝置的信號，如限位開關(guān)、接近開關(guān)、溫度傳感器、電磁閥、閥執(zhí)行器等信號轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠處理的信號電平和格式。所有與總線相連的 I/O 模板都經(jīng)過光電隔離，確保安全和無故障操作， 所有 I/O 模板都是軟件可配置的 。 計算 I/O 點(diǎn) PLC 的選型主要是選擇所用的 I/O 模塊個數(shù)，通訊模塊的類型，機(jī)架和電源。I/O 模塊個數(shù)取決于現(xiàn) 場控制信號的硬結(jié)點(diǎn)個數(shù)，比如說電動閥的控制，它需要接入PLC I/O 點(diǎn)的輸入信號有：全開到位，全關(guān)到位，正在開狀態(tài)，正在關(guān)狀態(tài)，故障，遠(yuǎn)方控制狀態(tài)；接入 I/O 點(diǎn)輸出信號有：開閥命令輸出，關(guān)閥命令輸出。而其它的信號如站控開閥命令關(guān)閥命令，偏差報警，中間變量等為軟件所實現(xiàn)的控制信號就不算在 I/O 點(diǎn)數(shù)之內(nèi)。而像 溫度變送器、壓力 /差壓變送器 等信號需要用模擬量的輸入輸出模塊連接，其模塊數(shù)量同樣需要計算現(xiàn)場的輸入輸出點(diǎn)數(shù)。根據(jù)點(diǎn)數(shù)確定好模塊后就開始選擇機(jī)架的類型和個數(shù)了，上面有介紹機(jī)架類型和槽數(shù)根據(jù)需要在進(jìn)行選擇。最后 還要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn) I/O 點(diǎn)數(shù)的選擇都需要有 20%的余量，以備擴(kuò)展使用。 （ 6） 計數(shù)器模板 140 EHC 105 00 140 EHC 105 00 高速計數(shù)器模板是具有 5 個計數(shù)器輸入、 8 個數(shù)字量輸入和 8 個數(shù)字量輸出、 100KHZ 的計數(shù)器模塊。高速計數(shù)模塊是用于接近傳感器和電磁傳感器的離散量計數(shù)器。 140 EHC 105 00 高速計數(shù)器模板的面板設(shè)置有 LED 顯示區(qū)，接線端子等。 140 EHC 105 00 高速計數(shù)器模板是軟件可配置的。 (7) 以太網(wǎng)模塊 140NOE77100程序編譯 第 15 頁 (共 58 頁 ) 該類型的以太網(wǎng)模塊支持冗余 ， 它使得 Quantum 控制器與采用 TCP/IP 的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的以太網(wǎng)上的設(shè)備進(jìn)行通訊成為可能，以太網(wǎng)模塊可以插入現(xiàn)有的 Quantum 系統(tǒng)并通過光纖或雙絞線電纜與現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡(luò)相連 。 本章小結(jié) 輸氣站場的整個控制流程是很復(fù)雜的過程，本章首先從總體上介紹了站控系統(tǒng)的流程分區(qū)，然后著重介紹了 PLC 的硬件配置，電源模塊， CPU 模塊， I/O 模塊 ， I/O點(diǎn)的計算 和通訊模塊，詳細(xì)說明了 Schneider 公司的 PLC 冗余系統(tǒng)的搭建過程，最后就是實現(xiàn)與上位機(jī) viewstar20xx 的通信，讓上位機(jī)工控軟件能夠讀取到現(xiàn)場輸入到PLC 的數(shù)據(jù)，達(dá)到控制現(xiàn)場設(shè)備的功能 4 程序編譯 分輸站場壓力系統(tǒng)的描述 壓力 /流量控制系統(tǒng)組成（如下圖 所示） 1）、 安全切斷閥 +監(jiān)控調(diào)壓閥 +工作調(diào)壓閥或 2 臺安全截斷閥 +工作調(diào)壓閥 2）、 壓力測量儀表 3）、 流量測量儀表 4）、 閥門控制器 圖 分輸站壓力控制系統(tǒng)配置圖 SSV—— 安全切斷閥 PCV—— 監(jiān)控調(diào)壓閥 PV—— 電動調(diào)壓閥 PIC—— 壓力調(diào)節(jié)器 FIC—— 流量調(diào)節(jié)器 Schneider quantum 系列在天然氣分輸站場的應(yīng)用 第 16 頁 (共 58 頁 ) PY—— 選擇器 PT—— 壓力變送器 從上圖可以看出，此分輸站壓力 控制系統(tǒng)的設(shè)計為壓力 /流量自動選擇性調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 此系統(tǒng)的 控制功能 : (1)壓力控制 (2)最大、最小壓力限值控制 (3)流量控制 此系統(tǒng)通常情況下為壓力調(diào)節(jié)，通過壓力回路將下游壓力穩(wěn)定在安全的范圍內(nèi)，當(dāng)流量超過設(shè)定值時，自動變?yōu)榱髁空{(diào)節(jié)，限制供氣量，保證下游用氣平穩(wěn)運(yùn)行。 此壓力 /流量控制系統(tǒng)工作方式如下所述 : 正常工作時安全切斷閥處于開位，監(jiān)控閥處于全開。工作調(diào)壓閥調(diào)節(jié)下游壓力或限制下游用戶最大流量。 (1)壓力控制模式 流量設(shè)定值取最大值，壓力設(shè)定值在可調(diào)正常范圍內(nèi)變化 (2)流量控制模式 壓力設(shè)定值取最大值，流量設(shè)定值在可調(diào)正常范圍內(nèi)變化 (3)壓力 /流量控制轉(zhuǎn)換 當(dāng)工作流量大于最大設(shè)定流量時，控制器開始由壓力控制轉(zhuǎn)為流量控制，使得流量不超過設(shè)定值。由于下游流量增加，使得下游壓力開始下降，并穩(wěn)定在某一點(diǎn)。如果下游流量持續(xù)增加，使得下游壓力開始下降，當(dāng)壓力降至 Pmin 時，控制器由流量控制轉(zhuǎn)為壓力控制，保證下游壓力不低于 Pmin。 如果僅需要限制下游的最大流量時，正常流量小于設(shè)定值，控制器將保證下游壓力等于 Pmax。 SSV 和 PCV(又稱監(jiān)控調(diào)壓閥 )作為壓力安全系統(tǒng)中相互獨(dú)立 的 兩個安全設(shè)備，一般情況下，均處于全開位置，其中，監(jiān)控調(diào)壓閥的設(shè)定值高于工作調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力設(shè)定值，且低于安全調(diào)壓閥的設(shè)定值。當(dāng)工作調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障或下游超壓時，監(jiān)控調(diào)壓閥自動取代它進(jìn)行調(diào)壓，既能保證系統(tǒng)下游不超壓，又可以維持對下游的正常供氣。監(jiān)控調(diào)壓閥的取代工作只能是臨時性的，這時壓力報警系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行報警，控制系統(tǒng)自程序編譯 第 17 頁 (共 58 頁 ) 動將供氣回路切換至備用管道。安全切斷閥作為壓力安全系統(tǒng)中的最后防線，其設(shè)定值不高于安全值。安全切斷閥的功能是在壓力超出允許范圍時能夠迅速切斷氣源，保證生產(chǎn)及下游設(shè)備不受損害。安全切斷閥動作后，為安全起 見，系統(tǒng)不再自動切換或復(fù)位，必須經(jīng)人工檢查后在現(xiàn)場手動復(fù)位。無論監(jiān)控調(diào)壓閥，還是安全切斷閥哪一個設(shè)備動作，都表明壓力控制系統(tǒng)已處于非正常運(yùn)行狀態(tài)。在此情況下，壓力報警系統(tǒng)將發(fā)出報警信息，以便站控制系統(tǒng)按照預(yù)定的程序，自動切換至備用供氣管道或停止供氣。同時，提醒操作人員到現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備檢查，以保證整個站場以及下游管道和設(shè)備的安全運(yùn)行。 PID簡介 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到 精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 隨 著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展， PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)在石油天然氣行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。例如采集分輸站場中壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)前后的壓力流量，來完成其壓力 /流量調(diào)節(jié)的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)下游壓力的平穩(wěn)分輸 PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用 ? 比例環(huán)節(jié)：及 時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器 立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。 ? 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) TI， TI 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 ? 微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。 下圖 是一個模擬控制系統(tǒng) Schneider quantum 系列在天然氣分輸站場的應(yīng)用 第 18 頁 (共 58 頁 ) 圖 基本模擬反饋控制回路 被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零 ，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。 PID 之所以至今被廣泛應(yīng)用，其主要原因在于 ： ? PID 控制對于大多數(shù)過程都具有良好的控制效果和魯棒性； ? PID 控制算法原理簡明，參數(shù)的物理意義明確，理論分析體系完整且應(yīng)用經(jīng)驗豐富； ? 在工業(yè)過程中，其控制過程的動態(tài)特性大都具有高階、非線性、大延遲及時變等特性，給以精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用帶來了困難。 無擾動切換分析 無擾動切換的條件和實現(xiàn)方式 分輸站場調(diào)壓系統(tǒng)的壓力流量無擾動切換調(diào)節(jié)由手自動切換無擾動和壓力流量無擾動切換兩部分組成。 在實際應(yīng)用中 ，當(dāng)調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)的流量超過預(yù)先設(shè)定的流量的最大值時，就要進(jìn)行切換，調(diào)壓系統(tǒng)由壓力 PI