摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于安控SUPER E40 RTU及E-spider工業(yè)組態(tài)軟件的天然氣門站過程控制系統(tǒng)。介紹了過程控制系統(tǒng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、功能以及上位機(jī)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)。本過程控制系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)具有擴(kuò)展功能，便于組建多站點(diǎn)遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)。具有一定的實(shí)用性，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

0 引言

      天然氣及其傳輸是國家的經(jīng)濟(jì)命脈工業(yè)之一，其傳輸和調(diào)壓等功能的可靠實(shí)現(xiàn)關(guān)系國計(jì)民生。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)天然氣門站、調(diào)壓站和輸配管網(wǎng)的監(jiān)控已是該行業(yè)不可或缺的一部分。其中，RTU（遠(yuǎn)程終端單元）是自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要設(shè)備。其通訊距離較長，適用于各種環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，使其在天然氣調(diào)度等行業(yè)中得到了廣泛使用。Super E40系列RTU是安控公司集多年的開發(fā)、工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的新型RTU產(chǎn)品，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。與常用的可編程控制器PLC相比，具有更優(yōu)良的通訊能力^[1]。本文設(shè)計(jì)了基于安控RTU的下位機(jī)與E-spider的工業(yè)組態(tài)軟件的天然氣管道過程控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣和流體調(diào)壓站及管道的過程監(jiān)視與控制。

 1過程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1系統(tǒng)概述

      該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)視、參量控制、曲線顯示和報(bào)警等監(jiān)控系統(tǒng)的常用功能。系統(tǒng)采用基于PLC模塊技術(shù)，可用于天然氣和流體調(diào)壓站及管道的安全監(jiān)控等。

      本系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)工作部分及控制部分組成。其中網(wǎng)絡(luò)級(jí)采用Ethernet網(wǎng)絡(luò)將工控機(jī)與下位機(jī)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的集中管理?，F(xiàn)場(chǎng)控制部分由管道平臺(tái)、水箱、溫度變送器、差壓變送器、電磁流量計(jì)、壓力變送器、電動(dòng)球閥組成。監(jiān)控部分由安控SUPERE40 RTU，西門子S7-200及E-spider工業(yè)組態(tài)軟件所在的工控機(jī)組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)由前置機(jī)和工控機(jī)根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況而進(jìn)行自主控制，在正常的工況下上位機(jī)組態(tài)軟件可以根據(jù)管道平臺(tái)中的溫度、流量以設(shè)置實(shí)際需要的天然氣管道流量通過安控SUPER E40 RTU對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算得出合理的球閥開度值與西門子S7-200PLC進(jìn)行自由口通訊最終使球閥實(shí)時(shí)動(dòng)作并達(dá)到預(yù)期效果。

       另外，系統(tǒng)還配置了緊急情況報(bào)警功能，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)安控SUPER E40 RTU接收到的溫度、流量以及電動(dòng)球閥兩側(cè)的差壓值出現(xiàn)異常，或者超越正常工作范圍，說明系統(tǒng)已經(jīng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)則系統(tǒng)分別在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與工控機(jī)所在的控制室內(nèi)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并由下位機(jī)對(duì)球閥和水泵發(fā)出中斷信號(hào)使之停止工作，或由工控機(jī)通過E-spider工業(yè)組態(tài)軟件直接中斷前置機(jī)程序自主發(fā)出停止工作命令，以進(jìn)行下一步的檢查工作，有利于系統(tǒng)的安全保護(hù)。

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

      采用工業(yè)PC作為上位機(jī)，利用E-spider工業(yè)組態(tài)軟件通過Ethernet與安控SUPER E40 RTU下位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制。下位機(jī)由電源模塊、CPU模塊A32-M1、模擬量輸入模塊AC101、通訊連接模塊A32-L3、數(shù)字量輸出模塊AC112、脈沖量輸入模塊AC141以及S7-200的模擬量輸出接口組成。

      AC101模擬量輸入模塊：接受DP1151差壓變送器、BT2007電磁流量計(jì)、電動(dòng)球閥、以及溫度和壓力變送器送過來的4～20mA的電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為10000-50000的數(shù)字量。其通道地址由插卡位置決定。本系統(tǒng)中AC101模擬量輸入模塊的模塊地址2 ,對(duì)應(yīng)的OpenPCS直接變量地址為%512.0～%2558.0；其他模塊的參數(shù)表1。

表1 模塊參數(shù)表

      現(xiàn)場(chǎng)工作部分中的DP1151差壓變送器、BT2007電磁流量計(jì)、壓力變送器、差壓變送器及溫度變送器,把流量等信號(hào)轉(zhuǎn)換成4 - 20mA 電流信號(hào)送往安控RTU的AC101模塊。利用西門子S7-200特有的自由端口通訊模式與安控RTU通訊，安控將采集到的模擬量經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)送到西門子S7-200PLC中，西門子通過模擬量輸出端口輸出電流，驅(qū)動(dòng)球閥達(dá)到相應(yīng)的球閥開度，

2 過程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

      軟件設(shè)計(jì)主要由針對(duì)于安控SUPER E40 RTU的Infoteam Openpcs梯形圖程序設(shè)計(jì)、針對(duì)S7-200PLC的step 7的ST文本化語言的設(shè)計(jì)以及上位機(jī)E-spider工業(yè)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)。

2.1 Infoteam Openpcs梯形圖程序設(shè)計(jì)

      前置機(jī)軟件設(shè)計(jì)是在監(jiān)控級(jí)上利用SUPER E40 RTU系列編程軟件Infoteam Openpcs完成對(duì)下位機(jī)程序的編制與調(diào)試,然后把調(diào)試好的程序下載到RTU中。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)RTU與組態(tài)軟件以及西門子S7-200 PLC的通訊、上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量的控制、故障報(bào)警、診斷等子程序其軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

2.2 Espider組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

      上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用Espider工業(yè)組態(tài)軟件,自帶大量的I/ O 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,用戶可以方便地構(gòu)建實(shí)時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)。為了使過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有一個(gè)良好的人機(jī)交互環(huán)境,在Espider中開發(fā)了過程流程畫面、監(jiān)控畫面、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)曲線、歷史曲線圖、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警畫面,從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3 結(jié)論：

      基于安控RTU與西門子S7-200 PLC的下位機(jī)與Espider人機(jī)界面的上位機(jī)形成的天然氣管道過程控制系統(tǒng),經(jīng)運(yùn)行驗(yàn)證是一個(gè)安全可靠的系統(tǒng),調(diào)節(jié)后流量的波動(dòng)范圍在+ 5%～ - 5%mm范圍內(nèi),在經(jīng)過一次流量調(diào)節(jié)后,能夠在經(jīng)過三次運(yùn)算輸出內(nèi)實(shí)現(xiàn)平衡，符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。同時(shí)，該系統(tǒng)作為一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以支持學(xué)生尤其是研究生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究，并且其組成結(jié)構(gòu)、控制方法和硬軟件系統(tǒng)可直接應(yīng)用于實(shí)際的天然氣及流體等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

備注：本課題由西南交通大學(xué)SRTP(大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：090207）資助

 參考文獻(xiàn)

[1] Super E40系列RTU使用手冊(cè)

[2]ESet配置手冊(cè)(V5.2.2)

[3] OpenPCS編程手冊(cè)_5.2.2

[4]王洪猛.基于PLC 的過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用

[5]廖常初.PLC編程及應(yīng)用（第二版）[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005