城市LNG氣化站 SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)鄒波深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司天然氣工程建設(shè)分公司廣東.深圳518000摘要:液化天然氣站具有大量的溫度、壓力、調(diào)節(jié)閥、液位控制,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,系統(tǒng)運(yùn)行方式靈活多變,由于液化天然氣固有的特性和潛在的危險(xiǎn)性,對(duì)液化天然氣站監(jiān)控系統(tǒng)提出了很高的要求。目前,自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)已成為液化天然氣站安全可靠運(yùn)行的一種不可缺少的重要手段。本文筆者以某LNG氣化站為背景,通過(guò)對(duì)天然氣管網(wǎng) SCADA系統(tǒng)的硏究,研制了一套具有模塊化及可擴(kuò)展性的氣化站站控系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:LNG氣化站; SCADA系統(tǒng);PLC;監(jiān)控軟件;現(xiàn)場(chǎng)儀表;通信系統(tǒng)中圖分類號(hào):TQ546文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):在LNG氣化站的建設(shè)項(xiàng)目中,站內(nèi)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)重要組成部分,合理設(shè)計(jì)站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng),不僅能保證整個(gè)工藝系統(tǒng)正常工作、安全運(yùn)行,同時(shí)還可以改善勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。液化天然氣站或天然氣管網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)稱SCADA系統(tǒng),即 Supervisory ControlAnd Data Acquisition(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控)系統(tǒng),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),是用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和自動(dòng)化管理技術(shù)。它對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制,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。以該技術(shù)建立的系統(tǒng)能夠采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸{(diào)度控制中心,由控制中心根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序遠(yuǎn)程控制設(shè)備。諸多天然氣企業(yè)都采用 SCADA系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化管理。2000年以后,LNG站的 SCADA系統(tǒng)有2種趨勢(shì):1、大型LNG站和天然氣管線使用跨國(guó)公司的大型 SCADA系統(tǒng)203年3月投產(chǎn)的長(zhǎng)崎 Saibu gas有限公司使用橫河 STARD0M系統(tǒng)2006年投產(chǎn)的中國(guó)第一個(gè)LNG項(xiàng)目一廣東LNG工程,使用 Honeywell的 ExperionTM PKs系統(tǒng),合同金額600萬(wàn)美元;2007年, Honeywell為英國(guó) GRAIN LNG項(xiàng)目 ExperionPKS過(guò)程控制和安全系統(tǒng);2009年投產(chǎn)的福建LNG項(xiàng)目,采用ABB公司的800xADCS軟件和 SCADAVantage軟件分別作為L(zhǎng)NG接收終端的軟件平臺(tái)和天然氣輸氣管線 SCADA系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。2、小型LNG站使用監(jiān)控軟件組合PLC的方式中國(guó)煤化工CNMHG國(guó)內(nèi)小型LNG站應(yīng)用最多的是 SIEMENS公司的S7-300PLC和 Wincc監(jiān)控軟件,PLC技術(shù)已經(jīng)很成熟,西門子、施耐德、羅克韋爾等歐美公司的PLC均得到廣泛采用,監(jiān)控軟件呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì),美國(guó)iix、澳大利亞 Citect等軟件繼續(xù)得到廣泛使用,國(guó)產(chǎn)監(jiān)控軟件組態(tài)王、力控也得到越來(lái)越多客戶的信任下文筆者以某LNG氣化站為背景,通過(guò)對(duì)天然氣管網(wǎng) SCADA系統(tǒng)的研究,研制了一套具有模塊化及可擴(kuò)展性的氣化站站控系統(tǒng)。項(xiàng)目背景某LNG站占地80畝、投資2.2億元,建有8個(gè)150立方米的低溫儲(chǔ)罐,總儲(chǔ)氣量1200立方米,供氣能力為12000立方米/時(shí),供氣壓力為0.4MPa。LNG站可暫時(shí)作為城區(qū)天然氣的過(guò)渡氣源,將來(lái)作為城市天然氣管網(wǎng)的調(diào)峰和應(yīng)急氣多氣源的好處是管網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性,帶來(lái)的問(wèn)題是不同氣源熱質(zhì)差異大,如何讓保證下游客戶使用的天然氣熱質(zhì)穩(wěn)定,這是該液化天然氣站將來(lái)一定要解決的問(wèn)題,顯然,僅僅依靠人工憑經(jīng)驗(yàn)操作不行,還必須依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)。本LNG站采用 SCADA系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化管理。 SCADA系統(tǒng)主要由監(jiān)控軟件、PC、現(xiàn)場(chǎng)儀表、通信系統(tǒng)及計(jì)量系統(tǒng)組成,如圖1所示。中國(guó)煤化工CNMHGINternetE:57”二:A地42:圖1 SCADA系統(tǒng)配置圖二、LNG站 SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、監(jiān)控軟件監(jiān)控軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件,它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境,使用靈活的組態(tài)方式,為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件是一種編程和組態(tài)的軟件平臺(tái),利用組態(tài)軟件提供的圖形、趨勢(shì)曲線、報(bào)警、數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表等功能模塊,用戶可以不用編程,通過(guò)“搭積木”的方式構(gòu)建自己的系統(tǒng),特別適合自動(dòng)化工程人員,不需要編程基礎(chǔ)就可以快速為用戶構(gòu)建岀界面美觀、功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)。另外,組態(tài)軟件還提供了腳本功能,如類C語(yǔ)言、類 PASCAL語(yǔ)言,有的甚至支持 VB Script。為深層次用戶提供了更加靈活和強(qiáng)大的功能。眾所周知 Windows有很多安全漏洞,已知的黑客工具和病毒很多,業(yè)界普遍認(rèn)同UNIX操作系統(tǒng)有更高的穩(wěn)定性。然而能夠在UNX環(huán)境下運(yùn)行的監(jiān)控軟件極少, Wincc、iFix、組態(tài)王等監(jiān)控軟件,均只能在mY中國(guó)煤化工ABCNMHG公司的AC800M甚至只能在英文版 Windows2000環(huán)境運(yùn)行。通過(guò)比較分析后,該液化天然氣站選取了 SIEMENS公司的S7-300/400PLC組合澳大利亞 MOSAIC監(jiān)控軟件的技術(shù)方案。澳大利亞 LogicaCMg公司的MOSAIC軟件可以在UNIX環(huán)境下運(yùn)行,也可以在 Windows2000或XP下運(yùn)行。澳大利亞 LogicaCMG公司的 MOSAIC監(jiān)控軟件有2點(diǎn)特別之處:①支持UNX和 WINDOWS操作系統(tǒng)平臺(tái)②監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器“N”級(jí)備份技術(shù);具有大型 SCADA系統(tǒng)的“遠(yuǎn)程多中心備份”和“遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步”技術(shù)。2、PLC控制軟件設(shè)計(jì)2.1PLC硬件配置表1PLC硬件配置序號(hào)名稱描述定貨號(hào)1電源模塊PS 4074A6ES7407-0DA02-0AA02CPU模塊CPU414-4H6ES74144HM14-0lB03模擬量輸入模塊Al8x 12Bit6ES733l-7KF02-0AB04模擬量輸出模塊AO4x12Bit6ES7332-5HD01-0AB05數(shù)字量輸入模塊DI16xDC24V6ES7321-1BH02-0AA06數(shù)字量輸出模塊DO16xDC24V/0.5A6ES7 322-IBHO1-OAAO7ET20M通信模塊IM153-26ES7153-2BA02-0XB08CP341通訊模塊CP341-RS4224856ES7341-1CH02-0AE09電源模塊s3076ES7307-1BA00-0AA0PLC控制器選用 Siemens公司S7-400/300系列PLC。CPU模塊選用S7-400系列冗余CPU,輸入輸岀模塊選用Sη-300模塊。選用S7-400CPU的目的是為了冗余,提高可靠性。選用S7-300I/0模塊而不選用S7-400I/0模塊,主要是經(jīng)濟(jì)性考慮2.2PLC邏輯控制功能的實(shí)現(xiàn)(1)、LNG儲(chǔ)罐液位聯(lián)鎖:當(dāng)儲(chǔ)罐液位高于18米時(shí)切斷相應(yīng)的進(jìn)液閥。LT11]R是l#儲(chǔ)罐液位高度,Q0.0是1#儲(chǔ)罐進(jìn)液氣動(dòng)閥的電磁閥開(kāi)輸出,Q0.0中國(guó)煤化工需要保持輸出,1#儲(chǔ)罐進(jìn)液氣動(dòng)閥保持開(kāi)狀態(tài)。CNMHG程序段4:標(biāo)題s11!2為緊急切斷按鈕.在液位安全位內(nèi)可以操作門,閥門必須為常閉閥門,在液位高于正常液位時(shí)關(guān)閉閥門10.0Q0.0Hs111/2M1.0CMP S=Rs111DR1 DRD4601液位(?)E模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)塊LT111RIN11.80000oe3-I2圖2LNG儲(chǔ)罐高液位聯(lián)鎖(2)、LNG儲(chǔ)罐低液位聯(lián)鎖和LNG儲(chǔ)罐壓力聯(lián)鎖:當(dāng)儲(chǔ)罐液位低于1米時(shí)切斷相應(yīng)的出液閥,當(dāng)儲(chǔ)罐壓力低于0.1MPa時(shí)切斷相應(yīng)的出液閥。LT111R是l#儲(chǔ)罐液位髙度,Q1.0是1#儲(chǔ)罐岀液氣動(dòng)閥的電磁閥開(kāi)輸出,Q1.0需要保持輸出,1#儲(chǔ)罐進(jìn)液氣動(dòng)閥保持開(kāi)狀態(tài)。程序段20:標(biāo)題注釋LIHs112/2CMP >ERDB1 DBD460DBI DBDS701液位(?)1液位(?送浮點(diǎn)數(shù))模擬壘轉(zhuǎn)模擬堂轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)塊換數(shù)據(jù)塊LT111_RIN1T111_RIN11.0000000021N200112圖3LNG儲(chǔ)罐低液位聯(lián)鎖和LNG儲(chǔ)罐壓力聯(lián)鎖(3)、氣化器后天然氣溫度聯(lián)鎖:當(dāng)氣化器出口天然氣溫度低于-10℃時(shí)切斷氣化器入口氣動(dòng)閥。為了減少誤動(dòng)作,氣化器出口安裝了2個(gè)溫度變送器,只有2個(gè)溫度變送器檢測(cè)的溫度都低于-10℃時(shí),才切斷氣化器入口氣動(dòng)閥2.3PLC報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)中國(guó)煤化工CNMHG(1)當(dāng)儲(chǔ)罐液位高于17米時(shí),液位超高報(bào)警,當(dāng)儲(chǔ)罐液位低于2米時(shí),液位低報(bào)警。程序段5:液位高報(bào)DR1- DBD46O003CMP <=RLT111 RINI圖4液位報(bào)警(2)當(dāng)儲(chǔ)罐壓力高于0.73MPa時(shí),壓力超高報(bào)警;當(dāng)儲(chǔ)罐壓力低于0.2MPa時(shí),壓力低報(bào)警。PT!21是2#儲(chǔ)罐的BOG壓力,Q4.0、Q4.5是工藝報(bào)警輸出,I5.0是報(bào)警復(fù)位程序段23:壓力高報(bào)中國(guó)煤化工CNMHG程序段88:標(biāo)題工藝輸出報(bào)Q4.0CMP≤>D息M1M5-I1Q4.5ALM1-sL#O -IN2.1程序段89:標(biāo)題I5.0程序段90:標(biāo)題Q4.0CMP=DALN1-f20-1N1L#0 -IN圖5液位報(bào)警及報(bào)警復(fù)位3、現(xiàn)場(chǎng)儀表該LNG站使用了溫度變送器、壓力變送器、差壓變送器,監(jiān)控各種工藝參數(shù)。溫度變送器檢測(cè)儲(chǔ)罐區(qū)集液槽溫度檢測(cè)、儲(chǔ)罐下部基礎(chǔ)地面溫度檢測(cè)、氣化器出口總管天然氣溫度檢測(cè)、出氣化站天然氣溫度檢測(cè)。壓力變送器用于LNG儲(chǔ)罐壓力檢測(cè)、氣化器后天然氣壓力檢測(cè)、LNG灌裝線壓力檢測(cè)、出站天然氣壓力檢測(cè)、氮?dú)鈮毫z測(cè);差壓變送器用于檢測(cè)LNG儲(chǔ)罐液位。4、通信系統(tǒng)該LNG站 SCADA系統(tǒng)內(nèi)部通訊包括:①PLC與MOX602的通訊,,②流量計(jì)修正儀與 SCADA系統(tǒng)的通訊,③流量計(jì)算機(jī)與 SCADA系統(tǒng)的通訊,④可燃?xì)怏w探測(cè)器與 SCADA系統(tǒng)的通訊。 SCADA系統(tǒng)與公司調(diào)度中中國(guó)煤化工篇方CNMHG式,其中主通信方式租借盈通公司光纖網(wǎng)絡(luò),備用通信方式為中國(guó)移動(dòng)公司的GPRS。 SCADA系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備間的通訊,以MX602為核心,實(shí)現(xiàn) MOSAIC監(jiān)控軟件和PLC、流量計(jì)算機(jī)、可燃?xì)怏w報(bào)警器間的通訊。5、計(jì)量系統(tǒng)90年代中后期則掀起了超聲波流量計(jì)熱潮,渦輪、孔板、超聲波這三種流量計(jì)各有優(yōu)劣,具體比較見(jiàn)表2。表2三種天然氣流量計(jì)的比較孔板流量計(jì)超聲波流量計(jì)渦輪流量計(jì)量程比100:120:1壓力范圍0~400bar4bar --150 bar0~100ba壓損25%~50%無(wú)較小精度2%0.5%1%直管段要求上游14D下游6D上游5D下游3D上游2D下游無(wú)要求其它管道中有雜質(zhì),計(jì)量負(fù)管道中有雜質(zhì),不影響計(jì)管道中有雜質(zhì),流量計(jì)偏差,會(huì)卡住價(jià)格便宜貴便宣眾所周知,天然氣用量有峰谷差,白天和晚上的用氣量差別大,孔板流量計(jì)量程比小,即最大流量和最小流量的比小,不能很好的適應(yīng)峰谷差。2000年后,隨著超聲波流量計(jì)技術(shù)的成熟,超聲波流量計(jì)在天然氣計(jì)量中得到了廣泛應(yīng)用,但天然氣壓力小于IMPa時(shí),超聲波流量計(jì)計(jì)量效果不理想,對(duì)幾種天然氣流量計(jì)進(jìn)行了分析比較后,選擇了該站的天然氣貿(mào)易交接流量計(jì)。、系統(tǒng)使用效果該液化天然氣站監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)2個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后,順利投入了試運(yùn)行,至今已穩(wěn)定運(yùn)行8個(gè)月,從運(yùn)行效果看,系統(tǒng)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能、可靠的連鎖控制功能、較好的安全性和擴(kuò)展性。1、監(jiān)控軟件的運(yùn)行界面監(jiān)控軟件可顯示設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警、事件及其它與設(shè)備相關(guān)的信息,圖6是明城LNG站工芝流程圖,操作員可在此界面査看罐區(qū)各種參數(shù),特別是儲(chǔ)罐液位使用棒圖顯示,直觀明了。如有參數(shù)達(dá)到報(bào)警值,顯HH中國(guó)煤化工彙作CNMHG員識(shí)別。x當(dāng)±Q吸兵x|K明城LNG站工藝流程圖結(jié)帶來(lái)一果植出結(jié)工藝重四田橡公影02和人口盟度R厘區(qū)氣2比要計(jì)限篇是力D.17·出二圖6圖7是天然氣流量計(jì)標(biāo)況體積流量歷史曲線,通過(guò)曲線,可以直觀看到段時(shí)間內(nèi)的流量情況,顯示時(shí)間段可以由操作人員自己設(shè)定。從曲線可以看到流量計(jì)剛啟用時(shí)流量直接跳躍到7513m,這是操作規(guī)程不允許的,操作規(guī)程要求流量計(jì)慢開(kāi)慢關(guān),以免對(duì)流量計(jì)沖擊過(guò)大,可見(jiàn)歷史曲線也是故障分析的有效手段。中國(guó)煤化工CNMHG趨勢(shì)顯不曲線1區(qū)趨勢(shì)區(qū)x天區(qū)新孫新打印」曲線持加加其它與去除顯示Q·悲項(xiàng)」廠實(shí)時(shí)檢周斯秒)間置文件由拱1類型時(shí)間垂直軸選中的水平中的跟隨大大日時(shí)肉克5378國(guó)LN魔計(jì)騙機(jī)N口F511294201094414020103112010941274720201043194色面圖形列表明1量計(jì)機(jī)口m引標(biāo)兄圖7流量計(jì)標(biāo)況體積流量歷史曲線2、系統(tǒng)可靠性與安全性分析2.1監(jiān)控軟件的安全性分析本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上充分考慮了可靠性和安全性的問(wèn)題,監(jiān)控工作站即使死機(jī)也不至于影響系統(tǒng)的安全性,PLC可以完成邏輯控制功能。對(duì)于操作人員的管理上,本系統(tǒng)采用給先定義角色,再給每一個(gè)角色分配權(quán)限的辦法,每個(gè)角色一個(gè)密碼,只有確實(shí)具有該權(quán)限或更高權(quán)限的用戶才可以使用2.2連鎖保護(hù)的可靠性與安全性分析1)氣化器出口溫度超低連鎖可靠性與安全性分析當(dāng)氣化器出口天然氣溫度低于-10℃時(shí),要求自動(dòng)切斷氣化器入口進(jìn)液閥防止液化天然氣進(jìn)入天然氣的碳鋼管道,引起管道脆裂。為了防止誤動(dòng)作,在氣化器出口設(shè)置了2個(gè)溫度變送器,只有2個(gè)溫度變送器的溫度都低于-10℃時(shí),才切斷氣化器入口進(jìn)液閥。曾有一個(gè)溫度變送器接線松脫,但氣化器入口進(jìn)液氣動(dòng)閥沒(méi)有誤動(dòng)作。2)出站壓力超高連鎖可靠性與安全性分析當(dāng)天然氣出站壓力高于0.7MPa時(shí),要求自動(dòng)切YHS中國(guó)煤化工防CNMHG止高壓天然氣損壞下游天然氣設(shè)備,下游設(shè)備能承受的壓力才0.3MPa。為了防止誤動(dòng)作,在出站管線設(shè)置了2個(gè)壓力變送器,只有2個(gè)壓力變送器的壓力變送器都高于0.7MPa時(shí),才切斷天然氣出站氣動(dòng)閥。2.3防雷設(shè)備的可靠性分析在系統(tǒng)調(diào)試期間,曾有電視機(jī)、辦公電腦和通訊設(shè)備遭雷擊,但 SCADA系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)設(shè)備因雷擊損壞。SCADA系統(tǒng)每個(gè)回路均采用了P+F公司的防雷設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)和儀表柜均有防雷保護(hù),現(xiàn)場(chǎng)儀表外殼就近接地,儀表柜內(nèi)防雷設(shè)備接地線與接地母牌可靠連接,所有接地電阻<1歐姆,有效保護(hù)了 SCADA系統(tǒng)。3、系統(tǒng)擴(kuò)展性分析明城LNG站 SCADA系統(tǒng)已考慮二期工程的需求,將來(lái)完全可以增加更多的PLC輸入輸出模塊滿足汽車天然氣母站、天然氣門站需要1)PLC擴(kuò)展性分析PLC使用S7-414H型CPU結(jié)合S7-300輸入輸出模塊的方式,S7-400PLC是西門子公司的高端產(chǎn)品,最多可以擴(kuò)展多大300個(gè)模塊。2)監(jiān)控軟件擴(kuò)展性分析MOSAIC監(jiān)控軟件支持監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器冗余熱備,將來(lái)可以配置2臺(tái)使用UNIX操作系統(tǒng)的服務(wù)器和磁盤矩陣,滿足明城站大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的需要。 MOSAIC監(jiān)控軟件具有與 SQL SERVER, SYBASE, ORACLE等商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口,給第三方軟件的使用留下了廣闊的空間四、結(jié)束語(yǔ)SCADA系統(tǒng)在不斷完善,不斷發(fā)展,當(dāng)今, SCADA系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)主要是SCADA系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的廣泛集成, SCADA系統(tǒng)如何與其它非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的連接將成為 SCADA研究的重要課題。本文的LNG站 SCADA系統(tǒng)由 MOSAIC監(jiān)控軟件、S7-300/400PLC、MX602通訊控制器構(gòu)成。該LNG站 SCADA系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái),實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的直觀顯示,歷史曲線自動(dòng)生成、報(bào)警列表自動(dòng)生成、控制及時(shí)高效,數(shù)據(jù)更新速度快,計(jì)量準(zhǔn)確。中國(guó)煤化工CNMHG