城市LNG气化站SCADA系统的设计与实现

城市LNG气化站SCADA系统的设计与实现邹波深圳市燃气集团股份有限公司天然气工程建设分公司广东.深圳518000摘要:液化天然气站具有大量的温度、压力、调节阀、液位控制，结构复杂，系统运行方式灵活多变，由于液化天然气固有的特性和潜在的危险性，对液化天然气站监控系统提出了很高的要求。目前，自动化监控系统已成为液化天然气站安全可靠运行的一一种不可缺少的重要手段。本文笔者以某LNG气化站为背景，通过对天然气管网SCADA系统的研究，研制了一套具有 模块化及可扩展性的气化站站控系统。关键词: LNG 气化站; SCADA 系统; PLC; 监控软件;现场仪表;通信系统中图分类号: TQ546文献标识码: A文 章编号:在LNG气化站的建设项目中，站内自动监控系统是-一个重要组成部分,合理设计站内监控系统,不仅能保证整个工艺系统正常工作、安全运行，同时还可以改善劳动条件、提高劳动生产效率。液化天然气站或天然气管网的监控系统简称SCADA系统，即Supervi sory ControlAnd Data Acquisition (数据采集与监控)系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统,是用于现场检测和自动化管理技术。它对现场运行的设备进行监视和控制，实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。以该技术建立的系统能够采集现场的数据并通过网络传输到调度控制中心，由控制中心根据预先设定的程序远程控制设备。诸多天然气企业都采用SCADA系统进行远程数据采集、现场监测和自动化管理。2000 年以后，LNG 站的SCADA系统有2种趋势:1、大型LNG站和天然气管线使用跨国公司的大型SCADA系统2003年3月投产的长崎SaibuGas有限公司使用横河STARDOM系统2006年投产的中国第一个LNG项目一广东LNG工程,使用Honeywell的ExperionTM PKS系统,合同金额600万美元; 2007年，Honeywell为英国GRAIN LNG项目ExperionPKS过程控制和安全系统;2009年投产的福建LNG项目,采用ABB公司的800xADCS软件和SCADAVantage软件分别作为LNG接收终端的软件平台和天然气输气管线SCADA系统的软件平台。2、小型LNG站使用监控软件组合PLC的方式国内小型LNG站应用最多的是SIEMENS公司的S7-300PLC和WinCC监控软件，PLC 技术已经很成熟,西门子、施耐德、罗克韦尔等欧美公司的PLC均得到广泛采用，监控软件呈现多样化的趋势，美国iFix、澳大利亚Citect 等软件继续得到广泛使用，国产监控软件组态王、力控也得到越来越多客户的信任。下文笔者以某LNG气化站为背景，通过对天然气管网SCADA系统的研究,研制了- -套具有模块化及可扩展性的气化站站控系统。一、项目背景某LNG站占地80亩、投资2.2亿元，建有8个150立方米的低温储罐,总储气量1200立方米，供气能力为12000立方米/时，供气压力为0. 4MPa. LNG站可暂时作为城区天然气的过渡气源,将来作为城市天然气管网的调峰和应急气源。多气源的好处是管网可靠性和稳定性，带来的问题是不同气源热质差异大，如何让保证下游客户使用的天然气热质稳定,这是该液化天然气站将来一定 要解决的问题，显然，仅仅依靠人工凭经验操作不行，还必须依靠自动控制系统。本LNG站采用SCADA系统进行远程数据采集、现场监测和自动化管理。SCADA系统主要由监控软件、PLC、 现场仪表、通信系统及计量系统组成，如图1所示。C Internet领C04100湖ε45船图1 SCADA系统配置图二、LNG站SCADA系统设计1、监控软件监控软件是指一-些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件是一种编程和组态的软件平台，利用组态软件提供的图形、趋势曲线、报警、数据库、报表等功能模块，用户可以不用编程，通过“搭积木”的方式构建自己的系统，特别适合自动化工程人员，不需要编程基础就可以快速为用户构建出界面美观、功能强大的软件系统。另外，组态软件还提供了脚本功能，如类C语言、类PASCAL语言，有的甚至支持VB Script。 为深层次用户提供了更加灵活和强大的功能。众所周知Windows 有很多安全漏洞，已知的黑客工具和病毒很多，业界普遍认同UNIX操作系统有更高的稳定性。然而能够在UNIX 环境下运行的监控软件极少，WinCC、 iFix、组态王等监控软件，均只能在Windows 环境下运行，ABB公司的AC800M 甚至只能在英文版Windows 2000 环境运行。通过比较分析后，该液化天然气站选取了SIEMENS公司的S7-300/400 PLC组合澳大利亚MOSAIC 监控软件的技术方案。澳大利亚LogicaCMG 公司的MOSAIC软件可以在UNIX环境下运行，也可以在Windows2000或XP下运行。澳大利亚LogicaCMG 公司的MOSAIC 监控软件有2点特别之处:①支持UNIX和WINDOWS操作系统平台;②监控系统服务器“N” 级备份技术;具有大型SCADA 系统的“远程多中心备份”和“远程数据实时同步”技术。2、PLC控制软件设计2.1 PLC硬件配置表1 PLC 硬件配置序号名称描述定货号电源模块PS 407 4A6ES7 407-0DA02-0AA02CPU模块CPU414-4 H6ES7 414-4HM 14-01B0模拟量输入模块AI8x12Bit6ES7 331-7KF02-0AB0模拟量输出模块AO4x12Bit6ES7 332-5HD01-0AB0数字量输入模块DI16xDC24V6ES7 321-1 BH02-0AA0数字量输出模块DO16xDC24V/0.5A6ES7 322-1BH01-0AA0ET200M通信模块IM 153-26ES7 153-2BA02-0XB0CP341通讯模块CP 341-RS422/4856ES7 341-1CH02-0AE0PS 3076ES7 307-1BA00-0AA0PLC控制器选用Siemens 公司S7-400/300 系列PLC。 CPU模块选用S7-400系列冗余CPU, 输入输出模块选用S7-300 模块。选用S7-400CPU 的目的是为了冗余，提高可靠性。选用S7-300I/0模块，而不选用S7-400 I/0 模块，主要是经济性考虑。2.2 PLC逻辑控制功能的实现(1)、LNG储罐液位联锁:当储罐液位高于18米时切断相应的进液阀。LT111_R是.1#储罐液位高度,Q0.0是1#储罐进液气动阀的电磁阀开输出，Q0.0需要保持输出，1#储罐进液气动阀保持开状态。|程序段4:标题:HS111/2为紧急切断按钮.在液位安全位置内可以操作阀门，阀门必须为常闭阀门，在液位高于正常液位时关闭阀门0.0Q0.0“HS111/2*]M1.2M1.0“SV1 11。CMP<=RH)- HDB1. DBD46011液位(2) t)1液位(2“模拟量转换数据块”。LT111_ R-IN11.800000e+003 -IN2图2 LNG 储罐高液位联锁(2)、LNG储罐低液位联锁和LNG 储罐压力联锁:当储罐液位低于1米时切断相应的出液阀，当储罐压力低于0. 1MPa时切断相应的出液阀。LT111 _R是1#储罐液位高度，Q1.0 是1#储罐出液气动阀的电磁阀开输出, Q1. 0需要保持输出，1#储罐进液气动阀保持开状态。程序段20: 标题:注释: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(浮点数)换数据块“.换数据块”.T111 R-IN1PT111 R-IN1 :1. 00000e+1. 00000e-002- IN2001-IN2图3 LNG 储罐低液位联锁和LNG储罐压力联锁.(3)、气化器后天然气温度联锁:当气化器出口天然气温度低于- 10°C时切断气化器入口气动阀。为了减少误动作，气化器出口安装了2个温度变送器，只有2个温度变送器检测的温度都低于-10°C时，才切断气化器入口气动阀。2.3PLC报警功能的实现(1)当储罐液位高于17米时，液位超高报警，当储罐液位低于2米时，液位低报警。程序段5:液位高报注释:CMP=RT1mDO1. DBD4D011液位(2) t1德培的钱换救据块”，111I R-I1. 7000N2CMP<=RDI1_DD460换数据块”。LT1111 R-I2. 000e“0002 -IN2图4液位报警(2)当储罐压力高于0. 73MPa时，压力超高报警;当储罐压力低于0. 2MPa时，压力低报警。PT121是2#储罐的BOG 压力，Q4.0、Q4.5 是工艺报警输出，.I5.0是报警复位。程序段23: 压力高报旺释:r20CMP>=RSD)-#MVL02压力安送程点量转换数据供”。7. 30000i-N2CMPs=R送9楼点鳌转换数据块”2. 000001 -IN2程序段88:标题:工艺输出报警CMP<>DMD5 -n94.5HS) H1.119.2程序段89:标题:注释:15.0Q4.5"ACK1”"ALM1-s”4(B}- H程序段90:标题;庄释:Q4.0CMP-D(R)- HMD20-IN1LAO-IN图5液位报警及报警复位3、现场仪表该LNG站使用了温度变送器、压力变送器、差压变送器，监控各种工艺参数。温度变送器检测储罐区集液槽温度检测、储罐下部基础地面温度检测、气化器出口总管天然气温度检测、出气化站天然气温度检测。压力变送器用于LNG储罐压力检测、气化器后天然气压力检测、LNG灌装线压力检测、出站天然气压力检测、氮气压力检测;差压变送器用于检测LNG储罐液位。4、通信系统该LNG站SCADA系统内部通讯包括:①PLC 与MOX602的通讯，，②流量计修正仪与SCADA系统的通讯，③流量计算机与SCADA系统的通讯,④可燃气体探测器与SCADA系统的通讯。SCADA系统与公司调度中心的通讯采用主备通信方式，其中主通信方式租借盈通公司光纤网络，备用通信方式为中国移动公司的GPRS。SCADA系统内部各设备间的通讯，以MOX602 为核心，实现MOSAIC 监控软件和PLC、流量计算机、可燃气体报警器间的通讯。5、计量系统90年代中后期则掀起了超声波流量计热潮，涡轮、孔板、超声波这三种流量计各有优劣，具体比较见表2。表2三种天然气流量计的比较孔板流量计超声波流量计涡轮流量计量程比3:1100:120:1压力范围0~ 400bar4bar~ 150 bar0~ 100bar压损25%~50%无较小精度2%0.5%1%直管段要求上游14D下游6D上游5D下游3D上游2D下游无要求其它管道中有杂质，计量负|管道中有杂质, 不影响计管道中有 杂质，流量计偏差，会卡住价格便宜贵众所周知，天然气用量有峰谷差，白天和晚上的用气量差别大，孔板流量计量程比小，即最大流量和最小流量的比小，不能很好的适应峰谷差。2000年后，随着超声波流量计技术的成熟，超声波流量计在天然气计量中得到了广泛应用，但天然气压力小于1MPa时，超声波流量计计量效果不理想，对几种天然气流量计进行了分析比较后，选择了该站的天然气贸易交接流量计。.三、系统使用效果该液化天然气站监控系统经过2个多月的现场调试后，顺利投入了试运行，至今已稳定运行8个月，从运行效果看， 系统有强大的数据采集、数据存储的功能、可靠的连锁控制功能、较好的安全性和扩展性。1、监控软件的运 行界面.监控软件可显示设备状态、报警、事件及其它与设备相关的信息，图6是明城LNG站工艺流程图，操作员可在此界面查看罐区各种参数，特别是储罐液位使用棒图显示，直观明了。如有参数达到报警值，显示会变成红色，便于操作员识别。' 。C.NCGT焰+t cQQe@8A100% XIMOUNGGY明城LNG站工艺流程图络业院一电敏四站工艺成控拍828 F12425 面a■F121420吉周田4en单求电人口酒院酒正锅赠汽市城812137，视宿鹰区丰做压部日载出快用力017临口: 5口2餐口世山打开始酒日计算型I O快津方式到就工 ➊Dete巴座013:31图6图7是天然气流量计标况体积流量历史曲线，通过曲线，可以直观看到一段时间内的流量情况，显示时间段可以由操作人员自己设定。从曲线可以看到流量计刚启用时流量直接跳跃到7513m',这是操作规程不允许的，操作规程要求流量计慢开慢关，以免对流量计冲击过大,可见历史曲线也是故障分析的有效手段。➊趋为显示由线1a问区趋势术大明医新」凸引新|昌打印曲找书增加式增加其它与去除显示室.造项厂 实时必检周期(网已置文件由积1类型时垂直轴 选中的水平轴速中的中跟:显示10-9-441:40 10101112010-04酒提大日时间中元式:5768-1923.40圆形|列表一明电心森费计面机t0ms椒见你的气量]5854:072801kCC 10CC100020002000000Q200DE0C00E0CO00XQ2C012060 12030开始e O构胞方式 创J。光Dektop图7流量计标况体积流量历史曲线2、系统可靠性与安全性分析2.1监控软件的安全性分析本系统在设计上充分考虑了可靠性和安全性的问题，监控工作站即使死机也不至于影响系统的安全性, PLC可以完成逻辑控制功能。对于操作人员的管理上，本系统采用给先定义角色，再给每一-个角 色分配权限的办法，每个角色-一个密码，只有确实具有该权限或更高权限的用户才可以使用。2.2连锁保护的可靠性与安全性分析1)气化器出口温度超低连锁可靠性与安全性分析当气化器出口天然气温度低于- 10C时，要求自动切断气化器入口进液阀，防止液化天然气进入天然气的碳钢管道，引起管道脆裂。为了防止误动作，在气化器出口设置了2个温度变送器，只有2个温度变送器的温度都低于-10°C时，才切断气化器入口进液阀。曾有一个温度变送器接线松脱，但气化器入口进液气动阀没有误动作。2)出站压力超高连锁可靠性与安全性分析当天然气出站压力高于0. 7MPa时，要求自动切断天然气出站气动阀，防止高压天然气损坏下游天然气设备，下游设备能承受的压力才0. 3MPa。为了防止误动作，在出站管线设置了2个压力变送器，只有2个压力变送器的压力变送器都高于0. 7MPa时，才切断天然气出站气动阀。2.3防雷设备的可靠性分析在系统调试期间，曾有电视机、办公电脑和通讯设备遭雷击，但SCADA系统没有一个设备因雷击损坏。SCADA系统每个回路均采用了P+F 公司的防雷设备，现场和仪表柜均有防雷保护,现场仪表外壳就近接地,仪表柜内防雷设备接地线与接地母牌可靠连接，所有接地电阻< 1欧姆，有效保护了SCADA 系统。3、系统扩展性分析明城LNG站SCADA系统已考虑二期工程的需求,将来完全可以增加更多的PLC输入输出模块满足汽车天然气母站、天然气门站需要。1) PLC 扩展性分析PLC使用S7-414H 型CPU 结合S7-300 输入输出模块的方式，S7-400 PLC是西门子公司的高端产品，最多可以扩展多大300 个模块。2)监控软件扩展性分析MOSAIC监控软件支持监控系统服务器冗余热备，将来可以配置2台使用UNIX操作系统的服务器和磁盘矩阵，满足明城站大量数据存储和长时间稳定运行的需要。MOSAIC监控软件具有与SQL SERVER, SYBASE，ORACLE 等商业数据库的接口，给第三方软件的使用留下了广阔的空间。四、结束语SCADA系统在不断完善，不断发展，当今，SCADA 系统发展趋势主要是SCADA系统与其他系统的广泛集成, SCADA系统如何与其它非实时系统的连接将成为SCADA 研究的重要课题。本文的LNG站SCADA系统由MOSAIC监控软件、S7-300/400 PLC、MOX602 通讯控制器构成。该LNG站SCADA系统投运以来，实现了参数的直观显示，历史曲线自动生成、报警列表自动生成、控制及时高效，数据更新速度快，计量准确。