PLC在天然气输送管道工程中的应用
陕京输气管道采用了SCADA系统实现陕西到北京天然气输送的远程监视、控制、数据采集、管道工艺优化和决策，是迄今为止我国陆上控制天然气管道距离最长，自动化水平最高，功能齐全等自动化系统。该系统由德国PLE管道工程公司、德国CEGELECAEG系统自动化公司，四川石油管理局勘探设计研究院、北京华油有限责任公司等共同完成。天津诺迪亚可编程控有限公司作为德国CEGELECAEG的合作伙伴，直接参与了SCADA系统中PLC部分的由工程投标，系统设计，程序编制，安装调试和维修服务的全部工作，为工程的顺利完成作出了重要的贡献。
一、系统概况
陕京SCADA系统在北京设置一总控制调度室，下设四个输气管理处终端监视，沿管线设置RTU站，系统构成。PLC系统作为SCADA系统的智能RTU及现场控制设备，在整个SCADA系统中占有重要地地位。陕京管道全线共设有自动控制站（ACS）20座，PLC系统在站中负责采集现场控制信号，对各种阀门进行操作和调节；接收来自流量计算机所产生的流量数据进行整理和存储，生成相应得趋势曲线和生产报告；接收气体分析仪的数据来动态调整流量计算机中的参数等等。
各站的PLC负担的另一个重要功能是向北京调度中心提供现场的状态数据及全部的流量数据，并接收来自调度中心的控制指令，以实现全线的远程监控。远程通信方式为通信卫星（VSAT）和公用电话网（PSTN），其中卫星通信为主路由，公用电话网为备用路由。
二、系统配置
陕京输气管道SCADA系统选用的是Modicon90年代QuantumPLC产品。在20座自动控制站（ACS）中分为两类：A类：有人值守的计量站，包括靖边首站、北京末站、琉璃河分输站和永清分输站。由于这四个站规模较大，并且是流量数据的来源，为保证系统的高可靠性，计量站PLC都配置了双机热备系统和冗余的通信路由，另外配置了工业计算机人机接口（HMI）和相应的报警。PLC主机选用140CPU21304，内存为756KB，扫描速率为0.3ms每K字。上位监控软件为FactoryLink。B类：无人值守的9座站及7座清管站，由于这些站规模较小，且主要作为北京调度中心遥控设备，因此在站内不设PLC人机接口，也不作热备，但是通信路由仍然是冗余配置。PLC主机选用140CPU11302，内存为256KB，扫描速率为1ms每K字。
三、通信系统
ModiconPLC具有强大的通信功能，充分支持局域控制网络和远程广域通信网络。
1、局域控制网络在靖边站、琉璃河站、北京末站、永清站都采用了ModbusPlus(MB+)网络。
MB＋是一个高性能的工业通讯网，它可以使计算机，PLC或其它数据源经双绞线电缆在工业现场的环境下实现对等通讯，MB＋的数据传送速率是1MBPS。MB＋采用的是令牌通信策略，具有高可靠性和大的吞吐率。MB＋支持网络的状态监测，可以由PLC监视网络的运行状况，在故障时可产生即时报警，此外，MB＋支持例外读写和非清求读写等高级通信功能。
在MB＋网络中配置了BM85多路复合网桥，将MB＋网络协议转换为标准的RS232C接口协议，以集成广域网通信。
2、广域通信
在各现场站到北京调度中心的通信网络中，采用的是Modbus协议。Modbus协议已成为事实上的工业标准，采用RS232C的串行通信方式，能利用一切现有的远程通信方式如卫星、无线电、电话线路等。
SCADA系统中远程通信的主路由为美国休斯公司的卫星通信系统，从BM85的一个RS232C接口可与休斯公司的卫星收发设备相连，Modbus数据包经卫星收发设备打成X.25的数据包以加强通信的纠错能力。北京调度中心的热备通信前端处理机（FEP）负责请求和接收各现场站的数据，进入SCADA系统数据库。
由于Modbus集成在ModbusPlus网络中，前端机支持同时打开八条通道与现场站进行通信。在SCADA系统中20座现场站分成了8组，其中四座计算机站分别为单独的组，以支持大的通信数据和保证实时性，其他无人操作站分配4组，运用轮循方式进行数据请求。
SCADA系统的备用路由是PSTN公用电话网。BM85通过调制解调器与电话网相联，本项目采用的是拨号方式与各站联通。当卫星通道发生故障时，备用路由即开始启用。由于整个系统设计了四条拨号线，所以FEP仍是采用轮循方式对各站进行访问，加上拨号、应答及挂断的时间，速度要比VSAT通信要慢得的多。
VSAT通道和PSTN通道故障可由通信超时信号（Timeout）来监测，超时的时间数值及通信请求的重发次数可以在BM85配置表中预先设置。
3、系统的同步
为保持SCADA系统各部分数据的一致性，保持整个系统的同步非常重要，特别是在整个管道上的9座阴极保护防腐装置，要求各站工作状态同步变化，以测试断电状态时的保护电位。
首先在北京调度中心设置了GPS时钟作为全系统的标准时间，并要求各PLC站硬件时钟误差不超过1秒。系统时钟同步是由前端机向各现场站发送时钟校核来实现的。时钟校核方式为：
当有一新RTU联接上网；
30分钟对各站校核一次；
RTU重新启动时必须校核；
中断的通信获得恢复时也应该校核；
在实际应用中，对PLC编程时还采用了程序段调度的方法，使时钟同步程序优先执行，以使PLC能即时获得由中控室下载的系统时钟。
四、站控制系统
1、双机热备
为保证各计量站系统的高可靠性，计量站PLC都采用双机热备的配置。ModiconQuantumPLC具有先进的热备系统，组态简单，操作方便。通过两套配置完全相同的PLC主机，电源和热备处理模块，形成主备形式。在正常状态下，主机负责处理程序运行，进行I/O服务，更新备用机的状态及数据，备用机则监视主机的运行状态。当主机发生故障时，备用机马上进行切换。变成主机接替故障机的处理工作。切换时间不超过PLC的一个扫描周期，在陕京项目中，各站PLC运行扫描周期不超过50ms。
2、逻辑控制
PLC控制程序主要进行管道的优先级选择及阀门操作。在北京末站中有四条分离器通道，随后是四条计量通道，每条计量通道设置一台流量计算机。为保证气体平稳及安全的通过，需要根据气量大小和通道工作状态选择不同的通道组合，程序中采取了联锁、排序及矩阵等算法实现以上功能。
站上电动阀控制方式分为三种。
远程方式：由北京调度中心实现远程操作，如全线各站的关闭和干线上RTU阀室的气液联动阀的关断，但北京调度中心不能进行远程开启控制。
本地方式：由PLC系统的HMI来控制，北京调度中心不能对阀门进行操作。如果当站控HMI发生故障时间超过30秒，本地方式行动切换成远程方式。
设备维护方式：当阀处于维护方式时，调度中心及PLC系统均不能控制，由维护人员到现场对阀进行手动操作。
阀门控制信号有开到位，关到位，运行，故障，过扭矩，超时，开信号，关信号，维护位，站本地／远程切换等。站上有些调节阀需进行PID操作，PID操作由PLC程序中的PID功能完成，为完成手动／自动的无扰切换，还增加了相关的判断和位置程序。为PID的操作面板。
在发生严重事故时，PLC带有紧急关断功能（ESD），以使事故损失最小。
3、PLC的状态
在PLC程序中还加入了PLC的状态监测，如主机运行I/O模块及各I/O的故障信息，通信状态。所有的状态信息都在PLC的HMI及北京调度中心得到显示，当某一I/O模块发生故障时，在相应的人机接口画面上将有红色报警及有关信息。
4、HMI
作为PLC系统的一部分，安装在工业计算机中的上位监控软件已经得到广泛的应用。在陕京项目中，采用的是美国USDATA公司的FactoryLink软件。
FactoryLink运行在WINDOWS操作下，分辨率为1280×1024，并全部汉化。FactoryLink能动态显示管道和设备的当前状态，显示温度、压力、流量等数据和趋势，报警信息和PLC各部分的工作状态，处理火灾报警信号等等。通过FactoryLink可对现场的电动阀进行操作，选择工作状态，进行PID调节等。FactoryLink还对流量数据进行处理，形成现场的工作报表。FactoryLink从PLC中取得流量数据，建立一个本地关系数据库，数据库支持历史数据趋势的显示及历史数据的查询，另外形成历史数据报表。数据报表分为实时报表和历史报表，实时报表可由操作员随时打印，历史报表定义为每天自动打印一次，操作员也可以随时打印过去一天的数据。在站中设计存储一周的全部数据。
5、系统的接地和保护
在陕京PLC系统设计中，对接地系统作为简化处理。系统的保护地及屏蔽地合为一个地，整个站设一个接地极，形成单端接地，这对PLC来说是允许的。各PLC模块的输入输出都外加保险熔断丝来加以保护，以防止超高浪流通电压或不匹配电压损坏模块。对于外接的通信线路，如电话线入口接入了雷电保护器，以防止恶劣天气中闪电所产生的高电压进入系统。
五、结语
经过约18个月的紧张工作和献身精神，陕京SCADA系统完成了设计、编程和安装调试，于1997年9月投入运行，现在已处于系统维护阶段。在与多家国外公司的合作中，国内工程师获得了很多宝贵的先进技术和工程管理思想，也为国内建设其他管道自动化系统提供了成功的范例和经验。这必将大大推动自控技术和工程管理的发展。
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