【正文】 3 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。 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。 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。 計量采用渦輪流量計，并配置流量計算機 [13]。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。進、出站設(shè)置壓力、溫度檢測及報警。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。過濾分離器工作方式為 1用 1 備。 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(zhǔn)備。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]。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。 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)程通訊接口 RCI RCI(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。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。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) 。 站控 ESD 系統(tǒng)是獨立設(shè)置的。 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。 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。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。 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。 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。 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?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(biāo)志的實時數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)通信管理等。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 。 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。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]。 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) 。 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 。 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。 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。 站控系統(tǒng) 采用 SCADA 系統(tǒng) ， 該系統(tǒng)將達(dá)到對 全線各壓氣站進行 監(jiān)控、調(diào)度、管理的自動化水平。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。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）。該動 則動，不該動則不動，這是 ESD 系統(tǒng)的一個顯著特點 [21]。 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(dá) %。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。 ESD 緊急停車系統(tǒng)按照安全獨立原則要求，獨立于 DCS 集散控制系統(tǒng)，其安全級別高于 DCS。 ESD 的發(fā)展 ESD 是英文 Emergency Shutdown Device 緊急停車系統(tǒng)的縮寫。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)定地運行。管道沿線的站場均處于調(diào)度控制中心的監(jiān)控之下；另外，重要部位的線路緊急截斷閥和高點壓力檢測點也直接納入調(diào)度控制中心的監(jiān)控范圍之內(nèi)。當(dāng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)生故障或調(diào)度控制中心主計算機發(fā)生故障或系統(tǒng)檢修時，由站控系統(tǒng)完成對本站的監(jiān)視控制。通常，沿線各站無須人工干預(yù)，第 1章 緒論 5 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。在正常情況下，由調(diào)度控制中心對全線進行監(jiān)視和控制。控制中心對全線進行集中 數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制和調(diào)度管理，站控級通過 PLC/RTU 控制器來實現(xiàn)對工藝站場進行控制與監(jiān)視，設(shè)備控制級是對泵機組、加熱爐、壓縮機、閥門等工藝設(shè)備進行本地控制。 SCADA 系統(tǒng)在不斷完善，不斷發(fā)展，其技術(shù)進步一刻也沒有停止過 [9,10]。這一階段也是我國 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。如電力自動化研究院為華北電網(wǎng)開發(fā)的 SD176 系統(tǒng)以及在日本日立公司為我國鐵道電氣化遠(yuǎn)動系統(tǒng)所設(shè)計的 H80M 系統(tǒng)；第二代是 80 年代基于通用計算機的 SCADA 系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用 VAX等其它計算機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)。 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。 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)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域 [5]。 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)。 隨著我國長輸管道大型項目的不斷建設(shè)以及通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不 斷發(fā)展，管道的自動控制技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際先進水平。 我國的天然氣管道發(fā)展比較晚，在 20 世紀(jì) 90 年代我國天然氣管道自動化方面才有了較快的發(fā)展，西氣東輸代表了當(dāng)時我國天然氣管道工程的最高水平，運營管理采用了 SCADA 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，并通過采用微波、衛(wèi)星和租用地方郵網(wǎng)方式進行通信。 國內(nèi)外 的 發(fā)展 和意義 國外長輸天然氣管道自動化發(fā)展比較早，從 20 世紀(jì) 50 年代，蘇聯(lián)就開始了長輸天然氣管道的建設(shè)，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，國外 (以美國和西方國家為代表 )天然氣管道自動化工程有了很大發(fā)展。所以， TMR 技術(shù)已被人們認(rèn)識并廣泛應(yīng)用在石油化工、天然氣、電力系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域。 TMR 技術(shù)保證了安全系統(tǒng)的連續(xù)性和可預(yù)測性，從而在本質(zhì)上可以提高石油化工生產(chǎn)裝置的安全運行水平，并最大限度地消除誤停車事故的發(fā)生。 TMR 技術(shù)，早在 20 世紀(jì) 80 年代中期便由美國宇航專利技術(shù)開發(fā)出來，并 從 80 年代末期被用于工業(yè)安全系統(tǒng)的設(shè)計上。而傳統(tǒng)的 DCS、 PLC 系統(tǒng)等控制手段在這方面表現(xiàn)出的薄弱性也就越來越明顯，這顯然不能滿足石油化工等危險場合的生產(chǎn)工藝要求。 3. ESD 系統(tǒng)投入的必要性 由于當(dāng)今工業(yè)的高度發(fā)展，整個工業(yè)過程是在一種高強度、高度自控的環(huán)境下進行，尤其是對于天然氣、石油化工、化工及電力行業(yè)來說，由于企業(yè)生產(chǎn)的性質(zhì)所決定，所處的生產(chǎn)環(huán)境是具有爆炸 危險性的。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 們對安全系統(tǒng)的認(rèn)識也得到了提高，這就對安全系統(tǒng)提出了新的要求： (1)安全系統(tǒng)必須比繼電器控制或是固態(tài)邏輯控制更安全可靠； (2)必須減少安全系統(tǒng)誤動作或誤停車的次數(shù)和頻率； (3)系統(tǒng)必須易于維護和查找故障，并具有自診斷功能； (4)系統(tǒng)必須易于組態(tài)，并且有在線修改組態(tài)的功能； (5)安全系統(tǒng)必須可與 DCS 和其他計算機系統(tǒng)通信； (6)系統(tǒng)必須有硬件和軟件的權(quán)限保護； (7)必須提供第一次事故記錄 (SOE)功能； (8)安全系統(tǒng)必須獨立于其他控制系統(tǒng)。 2. 安全系統(tǒng)的要求 隨著石油化工裝置的規(guī)模日趨大型化，設(shè)計操作指標(biāo)離安全臨界點越來越近，造成發(fā)生危險的可能性也增加，所以越 來越多石化企業(yè)用戶非常重視生產(chǎn)過程的安全，同時又要不斷提高產(chǎn)品產(chǎn)量，以追求企業(yè)效益利潤最大化。由于過程的復(fù)雜性，原料的變化，最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求，裝置規(guī)模以及設(shè)備、人身、環(huán)境的保護等因素，適當(dāng)?shù)倪^程控制以及安全系統(tǒng)的設(shè)置顯得尤為必要和重要。 一 采用 ESD 系統(tǒng)的背景 1. 安全系統(tǒng)的重要性 隨著過程工業(yè)的產(chǎn)生 和發(fā)展，過程控制系統(tǒng)顯得越來越重要。伴隨著 SCADA系統(tǒng)在管道運行應(yīng)用上的日益普及，產(chǎn)生了對管道運行管理自動化的需求。開發(fā)管道運行的自動化管理系統(tǒng)，在當(dāng)前具有相當(dāng)現(xiàn)實的意義。石油與天然氣作為方便與高效的能源，在我國的能源規(guī)劃中處于不可替代的重要的地位。 本 論 文 主要 運用 ESD 控制器 設(shè)計 了 鄭州 壓氣站場燃?xì)庵Ь€ 的 安全儀表系統(tǒng)， 論文 首先介紹了 站場自動控制系統(tǒng) 的 國內(nèi)外的發(fā)展和意義， SCADA數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng) 和 ESD 控制器 的發(fā)展 ， 列舉了 鄭州 典型站控系統(tǒng)的配置 、 組成 以及各系統(tǒng)的功能作用 ，然后 介紹 站場的控制流程， ESD 選型、硬件配置 和 各個 I/O 模塊的功能 ，最后對站控系統(tǒng)典型流程程序進行編制，通過控制閥門的開 、 關(guān)來實現(xiàn)不同管線的導(dǎo)通，最終 完成 對整個站場安全的控制 ，體現(xiàn)出 ESD 在 站場 安全 自動控制系統(tǒng) 中的重要作用。 基 本 要 求 ，按時答疑 、匯報 ； ，培養(yǎng)基本的科研能力； （不少于 2萬字 ）及 A1圖紙 一張以上 ； 3千字； . 參 考 資 料 1． 相應(yīng)的工程圖紙及設(shè)計要求資料 ； 2． 徐春山 過程控制儀表 冶金工業(yè)出版社 1995； 3． 德國 HIMA公司的 ESD系統(tǒng)及其指令集。 本科畢業(yè) 設(shè)計 (論文 ) 天然氣管場安全儀表系統(tǒng)的 研究設(shè)計 XXX 燕 山 大 學(xué) 2021 年 06 月 本科畢業(yè) 設(shè)計 (論文 ) 天然氣管場安全儀表系統(tǒng)的研究 設(shè)計 學(xué)院 (系 )： 電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名：