城市LNG氣化站SCADA系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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性，對液化天然氣站監(jiān)控系統(tǒng)提出了很高的要求。目前，自動化監(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，通過對天然氣管網(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)。關(guān)鍵詞: LNG 氣化站; SCADA 系統(tǒng); PLC; 監(jiān)控軟件;現(xiàn)場儀表;通信系統(tǒng)中圖分類號: TQ546文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文 章編號:在LNG氣化站的建設(shè)項目中，站內(nèi)自動監(jiān)控系統(tǒng)是-一個重要組成部分,合理設(shè)計站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng),不僅能保證整個工藝系統(tǒng)正常工作、安全運(yùn)行，同時還可以改善勞動條件、提高勞動生產(chǎn)效率。液化天然氣站或天然氣管網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)簡稱SCADA系統(tǒng)，即Supervi sory ControlAnd Data Acquisition (數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控)系統(tǒng)，是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng),是用于現(xiàn)場檢測和自動化管理技術(shù)。它對現(xiàn)場運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。以該技術(shù)建立的系統(tǒng)能夠采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)并通過網(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)場監(jiān)測和自動化管理。2000 年以后，LNG 站的SCADA系統(tǒng)有2種趨勢:1、大型LNG站和天然氣管線使用跨國公司的大型SCADA系統(tǒng)2003年3月投產(chǎn)的長崎SaibuGas有限公司使用橫河STARDOM系統(tǒng)2006年投產(chǎn)的中國第一個LNG項目一廣東LNG工程,使用Honeywell的ExperionTM PKS系統(tǒng),合同金額600萬美元; 2007年，Honeywell為英國GRAIN LNG項目ExperionPKS過程控制和安全系統(tǒng);2009年投產(chǎn)的福建LNG項目,采用ABB公司的800xADCS軟件和SCADAVantage軟件分別作為LNG接收終端的軟件平臺和天然氣輸氣管線SCADA系統(tǒng)的軟件平臺。2、小型LNG站使用監(jiān)控軟件組合PLC的方式國內(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，美國iFix、澳大利亞Citect 等軟件繼續(xù)得到廣泛使用，國產(chǎn)監(jiān)控軟件組態(tài)王、力控也得到越來越多客戶的信任。下文筆者以某LNG氣化站為背景，通過對天然氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的研究,研制了- -套具有模塊化及可擴(kuò)展性的氣化站站控系統(tǒng)。一、項目背景某LNG站占地80畝、投資2.2億元，建有8個150立方米的低溫儲罐,總儲氣量1200立方米，供氣能力為12000立方米/時，供氣壓力為0. 4MPa. LNG站可暫時作為城區(qū)天然氣的過渡氣源,將來作為城市天然氣管網(wǎng)的調(diào)峰和應(yīng)急氣源。多氣源的好處是管網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性，帶來的問題是不同氣源熱質(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一定 要解決的問題，顯然，僅僅依靠人工憑經(jīng)驗操作不行，還必須依靠自動控制系統(tǒng)。本LNG站采用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場監(jiān)測和自動化管理。SCADA系統(tǒng)主要由監(jiān)控軟件、PLC、 現(xiàn)場儀表、通信系統(tǒng)及計量系統(tǒng)組成，如圖1所示。C Internet領(lǐng)C04100湖ε45船圖1 SCADA系統(tǒng)配置圖二、LNG站SCADA系統(tǒng)設(shè)計1、監(jiān)控軟件監(jiān)控軟件是指一-些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件,它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(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，利用組態(tài)軟件提供的圖形、趨勢曲線、報警、數(shù)據(jù)庫、報表等功能模塊，用戶可以不用編程，通過“搭積木”的方式構(gòu)建自己的系統(tǒng)，特別適合自動化工程人員，不需要編程基礎(chǔ)就可以快速為用戶構(gòu)建出界面美觀、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語言、類PASCAL語言，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UNIX 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Windows 環(huán)境下運(yùn)行，ABB公司的AC800M 甚至只能在英文版Windows 2000 環(huán)境運(yùn)行。通過比較分析后，該液化天然氣站選取了SIEMENS公司的S7-300/400 PLC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UNIX和WINDOWS操作系統(tǒng)平臺;②監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器“N” 級備份技術(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)實時同步”技術(shù)。2、PLC控制軟件設(shè)計2.1 PLC硬件配置表1 PLC 硬件配置序號名稱描述定貨號電源模塊PS 407 4A6ES7 407-0DA02-0AA02CPU模塊CPU414-4 H6ES7 414-4HM 14-01B0模擬量輸入模塊AI8x12Bit6ES7 331-7KF02-0AB0模擬量輸出模塊AO4x12Bit6ES7 332-5HD01-0AB0數(shù)字量輸入模塊DI16xDC24V6ES7 321-1 BH02-0AA0數(shù)字量輸出模塊DO16xDC24V/0.5A6ES7 322-1BH01-0AA0ET200M通信模塊IM 153-26ES7 153-2BA02-0XB0CP341通訊模塊CP 341-RS422/4856ES7 341-1CH02-0AE0PS 3076ES7 307-1BA00-0AA0PLC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, 輸入輸出模塊選用S7-300 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S7-400 I/0 模塊，主要是經(jīng)濟(jì)性考慮。2.2 PLC邏輯控制功能的實現(xiàn)(1)、LNG儲罐液位聯(lián)鎖:當(dāng)儲罐液位高于18米時切斷相應(yīng)的進(jìn)液閥。LT111_R是.1#儲罐液位高度,Q0.0是1#儲罐進(jìn)液氣動閥的電磁閥開輸出，Q0.0需要保持輸出，1#儲罐進(jìn)液氣動閥保持開狀態(tài)。|程序段4:標(biāo)題:HS111/2為緊急切斷按鈕.在液位安全位置內(nèi)可以操作閥門，閥門必須為常閉閥門，在液位高于正常液位時關(guān)閉閥門0.0Q0.0“HS111/2*]M1.2M1.0“SV1 11。CMP<=RH)- HDB1. DBD46011液位(2) t)1液位(2“模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)塊”。LT111_ R-IN11.800000e+003 -IN2圖2 LNG 儲罐高液位聯(lián)鎖(2)、LNG儲罐低液位聯(lián)鎖和LNG 儲罐壓力聯(lián)鎖:當(dāng)儲罐液位低于1米時切斷相應(yīng)的出液閥，當(dāng)儲罐壓力低于0. 1MPa時切斷相應(yīng)的出液閥。LT111 _R是1#儲罐液位高度，Q1.0 是1#儲罐出液氣動閥的電磁閥開輸出, Q1. 0需要保持輸出，1#儲罐進(jìn)液氣動閥保持開狀態(tài)。程序段20: 標(biāo)題:注釋:11.0Q1.0HS112/2~M2. 2口S7110*CMP =R- HHH/H-)-DB1. DBD3701液位(2)E1101年力本1液位02)送(浮點(diǎn)數(shù))換數(shù)據(jù)塊“.換數(shù)據(jù)塊”.T111 R-IN1PT111 R-IN1 :1. 00000e+1. 00000e-002- IN2001-IN2圖3 LNG 儲罐低液位聯(lián)鎖和LNG儲罐壓力聯(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°C時切斷氣化器入口氣動閥。為了減少誤動作，氣化器出口安裝了2個溫度變送器，只有2個溫度變送器檢測的溫度都低于-10°C時，才切斷氣化器入口氣動閥。2.3PLC報警功能的實現(xiàn)(1)當(dāng)儲罐液位高于17米時，液位超高報警，當(dāng)儲罐液位低于2米時，液位低報警。程序段5:液位高報注釋:CMP=RT1mDO1. DBD4D011液位(2) t1德培的錢換救據(jù)塊”，111I R-I1. 7000N2CMP<=RDI1_DD460換數(shù)據(jù)塊”。LT1111 R-I2. 000e“0002 -IN2圖4液位報警(2)當(dāng)儲罐壓力高于0. 73MPa時，壓力超高報警;當(dāng)儲罐壓力低于0. 2MPa時，壓力低報警。PT121是2#儲罐的BOG 壓力，Q4.0、Q4.5 是工藝報警輸出，.I5.0是報警復(fù)位。程序段23: 壓力高報旺釋:r20CMP>=RSD)-#MVL02壓力安送程點(diǎn)量轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)供”。7. 30000i-N2CMPs=R送9樓點(diǎn)鰲轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)塊”2. 000001 -IN2程序段88:標(biāo)題:工藝輸出報警CMP<>DMD5 -n94.5HS) H1.119.2程序段89:標(biāo)題:注釋:15.0Q4.5"ACK1”"ALM1-s”4(B}- H程序段90:標(biāo)題;莊釋:Q4.0CMP-D(R)- HMD20-IN1LAO-IN圖5液位報警及報警復(fù)位3、現(xiàn)場儀表該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)。溫度變送器檢測儲罐區(qū)集液槽溫度檢測、儲罐下部基礎(chǔ)地面溫度檢測、氣化器出口總管天然氣溫度檢測、出氣化站天然氣溫度檢測。壓力變送器用于LNG儲罐壓力檢測、氣化器后天然氣壓力檢測、LNG灌裝線壓力檢測、出站天然氣壓力檢測、氮?dú)鈮毫z測;差壓變送器用于檢測LNG儲罐液位。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流量計修正儀與SCADA系統(tǒng)的通訊，③流量計算機(jī)與SCADA系統(tǒng)的通訊,④可燃?xì)怏w探測器與SCADA系統(tǒng)的通訊。SCADA系統(tǒng)與公司調(diào)度中心的通訊采用主備通信方式，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移動公司的GPRS。SCADA系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備間的通訊，以MOX602 為核心，實現(xiàn)MOSAIC 監(jiān)控軟件和PLC、流量計算機(jī)、可燃?xì)怏w報警器間的通訊。5、計量系統(tǒng)90年代中后期則掀起了超聲波流量計熱潮，渦輪、孔板、超聲波這三種流量計各有優(yōu)劣，具體比較見表2。表2三種天然氣流量計的比較孔板流量計超聲波流量計渦輪流量計量程比3:1100:120:1壓力范圍0~ 400bar4bar~ 150 bar0~ 100bar壓損25%~50%無較小精度2%0.5%1%直管段要求上游14D下游6D上游5D下游3D上游2D下游無要求其它管道中有雜質(zhì)，計量負(fù)|管道中有雜質(zhì), 不影響計管道中有 雜質(zhì)，流量計偏差，會卡住價格便宜貴眾所周知，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，隨著超聲波流量計技術(shù)的成熟，超聲波流量計在天然氣計量中得到了廣泛應(yīng)用，但天然氣壓力小于1MPa時，超聲波流量計計量效果不理想，對幾種天然氣流量計進(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。.三、系統(tǒng)使用效果該液化天然氣站監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過2個多月的現(xiàn)場調(diào)試后，順利投入了試運(yùn)行，至今已穩(wěn)定運(yùn)行8個月，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)、報警、事件及其它與設(shè)備相關(guān)的信息，圖6是明城LNG站工藝流程圖，操作員可在此界面查看罐區(qū)各種參數(shù)，特別是儲罐液位使用棒圖顯示，直觀明了。如有參數(shù)達(dá)到報警值，顯示會變成紅色，便于操作員識別。' 。C.NCGT焰+t cQQe@8A100% XIMOUNGGY明城LNG站工藝流程圖絡(luò)業(yè)院一電敏四站工藝成控拍828 F12425 面a■F121420吉周田4en單求電人口酒院酒正鍋贈汽市城812137，視宿鷹區(qū)豐做壓部日載出快用力017臨口: 5口2餐口世山打開始酒日計算型I O快津方式到就工 ?Dete巴座013:31圖6圖7是天然氣流量計標(biāo)況體積流量歷史曲線，通過曲線，可以直觀看到一段時間內(nèi)的流量情況，顯示時間段可以由操作人員自己設(shè)定。從曲線可以看到流量計剛啟用時流量直接跳躍到7513m',這是操作規(guī)程不允許的，操作規(guī)程要求流量計慢開慢關(guān)，以免對流量計沖擊過大,可見歷史曲線也是故障分析的有效手段。?趨為顯示由線1a問區(qū)趨勢術(shù)大明醫(yī)新」凸引新|昌打印曲找書增加式增加其它與去除顯示室.造項廠 實時必檢周期(網(wǎng)已置文件由積1類型時垂直軸 選中的水平軸速中的中跟:顯示10-9-441:40 10101112010-04酒提大日時間中元式:5768-1923.40圓形|列表一明電心森費(fèi)計面機(jī)t0ms椒見你的氣量]5854:072801kCC 10CC100020002000000Q200DE0C00E0CO00XQ2C012060 12030開始e O構(gòu)胞方式 創(chuàng)J。光Dektop圖7流量計標(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)計上充分考慮了可靠性和安全性的問題，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-個角 色分配權(quán)限的辦法，每個角色-一個密碼，只有確實具有該權(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- 10C時，要求自動切斷氣化器入口進(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。為了防止誤動作，在氣化器出口設(shè)置了2個溫度變送器，只有2個溫度變送器的溫度都低于-10°C時，才切斷氣化器入口進(jìn)液閥。曾有一個溫度變送器接線松脫，但氣化器入口進(jìn)液氣動閥沒有誤動作。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，要求自動切斷天然氣出站氣動閥，防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。為了防止誤動作，在出站管線設(shè)置了2個壓力變送器，只有2個壓力變送器的壓力變送器都高于0. 7MPa時，才切斷天然氣出站氣動閥。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)沒有一個設(shè)備因雷擊損壞。SCADA系統(tǒng)每個回路均采用了P+F 公司的防雷設(shè)備，現(xiàn)場和儀表柜均有防雷保護(hù),現(xiàn)場儀表外殼就近接地,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，S7-400 PLC是西門子公司的高端產(chǎn)品，最多可以擴(kuò)展多大300 個模塊。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，將來可以配置2臺使用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)存儲和長時間穩(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)如何與其它非實時系統(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、S7-300/400 PLC、MOX602 通訊控制器構(gòu)成。該LNG站SCADA系統(tǒng)投運(yùn)以來，實現(xiàn)了參數(shù)的直觀顯示，歷史曲線自動生成、報警列表自動生成、控制及時高效，數(shù)據(jù)更新速度快，計量準(zhǔn)確。