基于plc的天然气集气站检测控制系统的研究与设计.pdf

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1、第1 2 期 一 5 3一 基于P L C 的天然气集气站检测控制系统的研究 与设计 李涛 ( 中国石油管道公司北京输油气分公司，北京 1 0 2 4 8 8 ) 摘要天然气将成为我国今后一种重要的能源资源。本文针对天然气集输系统中集气站生产数据管理存在的一些问题， 研究并设计了基于P L C 的集气站检测控制系统。该系统使用孔板流量计实现对天然气流量的实时计量，在系统的需求上规划 了硬件结构，并利用组态软件 实现上位机监控 该系统实现了对集气站的集中控制，可满足生产管理的需求。 关键词 集气站 ；P L C ；孔板流量计；检测控制 系统 能源的开发与供应是保证我 国经济快速发展 的坚实保障。

2、随着社会对生态环境的重视，天然 气 的开发及利用逐步增加 。集气站主要完成对各 个气井传输过来 的天然气进行节流 、计量、分离 然后集 中输入集气管道 ，是天然气集输系统的重 要环节 。由于集气站 需要处理 的信息庞杂 ，对环 境 、安全要求较高 ，急需科学合理的检测控制系 统 】 。而今 己建 的站控系统设计采用 不同的技术 方案，各系统工作流程不 同，难 以实现信息 的交 换 ，且整个 系统数字化水平较低 ，很 多数据掌握 在 不同的技术人 员手里 ，难 以实现统一管理 。本 文 以提升集气站数字化管理水平为 目的 ，研究并 设计了基于P L C的集气站检测控制系统。 1 系统概述 集气站

3、检测控制系统 以 自动化及工业控制技 术为基础 ，采用P L C 为控制核心，利用 自动化仪表 如变送器 、流量计对现场 设备运行状况进行数据 采集并存储 ，最终通过组态 画面清 晰地展现在工 作人 员面前 ，通过对现场采集 的数据进行处理 ， 经过P L C 进行运算，通过运算结果发出相应的动作 指令2 】 ，可以实现阀门的远程控制，同时可设置设 备 的报警参数及天然气 的成分参数，实现 自动化 生产 ，保 障设备及工作人员的人身安全 ，降低工 作量 ，提高整个集气站的工作 效率。系统结构如 图 l所示。 图1 集气站控制结构图 作者简介：李涛 ( 1 9 7 7 一)，男，黑龙江大庆人，专

4、科，助理工程师。研究方向为仪表自动化控制。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m一 技术交流 石 油 和 化工 设 备 2 0 l 5 年第 1 8 卷 2天然气流量计量技术 天然气 的流量检测是集气站系统 中的重 中之 重 ，本系统 的天然气流量计 量采 用孔板流量计 。 该仪表精度高 ，可达到3 5 ，同时仪表 本身配 置温度 、压力的测量 ，本身的结构支持不 同的孔 径，适用范围广3 】 。 孔板流量计 的工作原理是通过气体流过孔板 时产生 的压差来计算流量 。天然气经过节流装置 时在孔板 出产 生收缩 ，流速变大 ，静压力减小 ， 在板孔的前后产生压力差 ，流

5、速越快 ，压力差越 大，利用压力差可计算流量 的大小 。孔板结构如 图2 所示 。 图2 孔板流量计结构图 气体在流 过孔板 前后 时，流速与压 力发生 了 变化，由位置1 、2 能量平衡得 Z 十盟 +旦 兰Z、十P _ L- 十 + ( 1 ) 2 g Z 2g 式中：z 、Z 2 为 1 、2 位置高度 ，P l , P 为1 2 处 压强，v ， v 为1 、2 处的流速 ， 入为气体密度 ，a l , a 为 1 、2 处的修正参数，h 是由摩擦力造成的压力损 耗 。通过公式( 1 ) 推导出气体流量公式： 一f， 9 = k 4 2 g 、 ( 2 ) V 以 式中：K为校正系数，

6、An 为孔面积。 在基于P L C的集气站检测控制系统中，通过孔 板流量计对天然气的流量进 行采集 时，为了降低 误差 ，尽可能提高测量 的精准度 ，采集 时利用积 分 的理念 ，进行流量累计 的方法 ，把单位 时间内 的瞬时流量 乘 以单位 时间，得 出单位最小流量 ， 然后进行 累计 ，得 出总流量 ，该方法得 出的流量 值精准度 胄【 。原理图如图3 所示 。 采样时间有利用中断定时采样 和利用 计时器 采样两种 ，设计采用计时器计时采样 ， 由于每 次 的采样 都包括 一些P L C 扫描周期 ，所 以每 次采样 都会有一定误差 ，累计采样 的次数越 多，误差越 大 ，理论上采样次数越

7、多，采集 结果越精确 ，但 实 际达不到 ，在实际生产对 比中得 出采样周期为 1 0 0 ms 时最精确，因此采样时间选择为1 0 0 ms 。 孵弼 图3 系统采样方式 3 基于P L C 的集气站检测控制系统设计 该系统在框架结构上分为现场设备层 、过程 控制层 以及 管理层三种 。现场设备层主要 由检测 用的现代化仪表构成 ，通过对现场 的检测 ，将检 测结果以模拟量的方式传送NP L C 模块，该系统常 用 的仪表有压力变送器 、温度传感器和液位变送 器。过程控制层主要是以P L C 为核心的控制模块， 包括P L C 模块、模拟量输入输出模块及数字量输入 输 出模块 ，该结构层的设

8、备 主要是完成接 受现场 设备层传输的数据，并进行 处理运算 ，再 发出相 应 的动作指令，完成对现场 生产 的控制 。管理应 用层主要指远程控制 的上位机 ，工作人员可 以通 过上位机了解 现场 生产情况 ，同时可 以通过上位 机对现场进行控制，达到对现场的监控与管理 。 3 1 硬 件组 成 根据硬件 的结构 ，主要包括现场设备与远程 终端设备。现场设备主要 由流量计 ，电磁 阀等一 些数据采集模块和响应P L C 动作 的开关和阀门。远 程设备主要包括P L C和上位机等。核心硬件表如表 1 所示 。 3 2系统软件组成 本系统 的软件设计包括P L C内部运行 的控制 程序和上位机通过

9、组态软件编写的监控软件 。P L C 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第1 2 期 李涛 基于P L C的天然气集气站检测控制系统的研究与设计 一 5 5一 表1 模糊控制结构表 内部程序 主要完 成数据采集 、数据处理及 自动控 制 ，上位机监控 软件主要实现对现场运行 的监管 和控制。 在对P L C 进行编程时要根据现场生产需求，将 控 制系统功能进 行划分 ，如所 需要采集 的信 息的 分 类，需要进行 处理的数据及发 出各种各样 的指 令 ，在编程之前 都需要规划清 楚，按其功能提炼 成块 ，这样就可 以将整个系统模块化 ，然后针对 一个个模块进行编程

10、，本系统的功能规划如 图4 所 示 。 利用 组态软 件对 上位机进 行编程 可 以实现对 集气站工艺参数和采集 的数据进行实时显示 ，并 ” Da t a Ac q DB” DBX 61 0 5 M l 6 5 M o o b DBD 73 2 ” Pa ” DBD 7 3 6 “ d 2 0 KB” DBD 7 4 0 p L C 柱 乐绒 j ，J 能 褴块 数 。燃舔 敷 模块 门控 i j 槛 缺 =：= 礁j =c 媲 臻擞块 ： 然气流谚 锨摸块 塑 塑 堡 i 图4 功能模块划分 记录存档，同时工作人 员可通过监控画面下达一 些指令 ，并对运行 中各种故障及时作 出报 警，提

11、高生产作业 的安全性 ，保证现场设备安全可靠运 行。本集气站 的监控软件设计框图如图5 所示。 图5 监控软件结构图 3 3具体软件编程如下： ( 1 ) 主程序设计 在s t e p 7 软件 中，添加0B1 组织块 ，编写主程 序，主要完成系统 的初始化 ，对系统的参数进行 设置 ，然后根据系 统设定 的逻辑结构 ，逐步地调 用各个功能模块 ，如数据采集模块 ，阀门的控制 方 式模块等 。P L C上 电开始运 行，首先执行主程 序 。初始化模块的程序如下。 ， ， 打 开 DB9数 据 块 ， ， 获 取上 位 机的 当地 大 气 P a ， 并赋给 MD3 2 ， ， 获取上位机的标况下的孔板内径 d ，并赋给 MD4 4 ， ， 获取上位机的标况下的测量管 内径 D，并赋给 MD4 8 致 A 即 L T L T L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m