摘 要：本文設(shè)計了一種基于安控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)平臺的結(jié)構(gòu)、功能以及上位機組態(tài)軟件的設(shè)計。本過程控制系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計方法，系統(tǒng)具有擴展功能，便于組建多站點遠程測控系統(tǒng)。具有一定的實用性，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。

0 引言

      天然氣及其傳輸是國家的經(jīng)濟命脈工業(yè)之一，其傳輸和調(diào)壓等功能的可靠實現(xiàn)關(guān)系國計民生。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，對天然氣門站、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（遠程終端單元）是自動化系統(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，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)驗設(shè)計的新型RTU產(chǎn)品，它可實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場信號的采集和對現(xiàn)場設(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)計了基于安控RTU的下位機與E-spider的工業(yè)組態(tài)軟件的天然氣管道過程控制系統(tǒng)。實現(xiàn)對天然氣和流體調(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)計與實現(xiàn)

1.1系統(tǒng)概述

      該系統(tǒng)要實現(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、現(xiàn)場工作部分及控制部分組成。其中網(wǎng)絡(luò)級采用Ethernet網(wǎng)絡(luò)將工控機與下位機聯(lián)系起來，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的集中管理。現(xiàn)場控制部分由管道平臺、水箱、溫度變送器、差壓變送器、電磁流量計、壓力變送器、電動球閥組成。監(jiān)控部分由安控SUPERE40 RTU，西門子S7-200及E-spider工業(yè)組態(tài)軟件所在的工控機組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

      系統(tǒng)可以實現(xiàn)由前置機和工控機根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際情況而進行自主控制，在正常的工況下上位機組態(tài)軟件可以根據(jù)管道平臺中的溫度、流量以設(shè)置實際需要的天然氣管道流量通過安控SUPER E40 RTU對其進行分析計算得出合理的球閥開度值與西門子S7-200PLC進行自由口通訊最終使球閥實時動作并達到預(yù)期效果。

       另外，系統(tǒng)還配置了緊急情況報警功能，當現(xiàn)場下位機安控SUPER E40 RTU接收到的溫度、流量以及電動球閥兩側(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)處于危險狀態(tài)則系統(tǒng)分別在工業(yè)現(xiàn)場與工控機所在的控制室內(nèi)發(fā)出報警信號，并由下位機對球閥和水泵發(fā)出中斷信號使之停止工作，或由工控機通過E-spider工業(yè)組態(tài)軟件直接中斷前置機程序自主發(fā)出停止工作命令，以進行下一步的檢查工作，有利于系統(tǒng)的安全保護。

1.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

      采用工業(yè)PC作為上位機，利用E-spider工業(yè)組態(tài)軟件通過Ethernet與安控SUPER E40 RTU下位機通訊，實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。下位機由電源模塊、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、電動球閥、以及溫度和壓力變送器送過來的4～20mA的電流信號，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)場工作部分中的DP1151差壓變送器、BT2007電磁流量計、壓力變送器、差壓變送器及溫度變送器,把流量等信號轉(zhuǎn)換成4 - 20mA 電流信號送往安控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)動球閥達到相應(yīng)的球閥開度，

2 過程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

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

2.1 Infoteam Openpcs梯形圖程序設(shè)計

      前置機軟件設(shè)計是在監(jiān)控級上利用SUPER E40 RTU系列編程軟件Infoteam Openpcs完成對下位機程序的編制與調(diào)試,然后把調(diào)試好的程序下載到RTU中。下位機軟件主要實現(xiàn)RTU與組態(tài)軟件以及西門子S7-200 PLC的通訊、上位機對現(xiàn)場流量的控制、故障報警、診斷等子程序其軟件設(shè)計的程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

2.2 Espider組態(tài)軟件設(shè)計

      上位機軟件設(shè)計采用Espider工業(yè)組態(tài)軟件,自帶大量的I/ O 設(shè)備驅(qū)動程序,用戶可以方便地構(gòu)建實時的監(jiān)控系統(tǒng)。為了使過程控制系統(tǒng)實驗平臺有一個良好的人機交互環(huán)境,在Espider中開發(fā)了過程流程畫面、監(jiān)控畫面、實時調(diào)節(jié)曲線、歷史曲線圖、數(shù)據(jù)報表、報警畫面,從而可實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(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的下位機與Espider人機界面的上位機形成的天然氣管道過程控制系統(tǒng),經(jīng)運行驗證是一個安全可靠的系統(tǒng),調(diào)節(jié)后流量的波動范圍在+ 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)過三次運算輸出內(nèi)實現(xiàn)平衡，符合工業(yè)現(xiàn)場的實際需求。同時，該系統(tǒng)作為一個模擬實驗平臺可以支持學生尤其是研究生的科學實驗和研究，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)用于實際的天然氣及流體等工業(yè)現(xiàn)場。

備注：本課題由西南交通大學SRTP(大學生科研訓練計劃)項目（項目編號：090207）資助

 參考文獻

[1] Super E40系列RTU使用手冊

[2]ESet配置手冊(V5.2.2)

[3] OpenPCS編程手冊_5.2.2

[4]王洪猛.基于PLC 的過程控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J] 自動化技術(shù)與應(yīng)用

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