基于PLC的天然气调压站的智能监控系统设计.docx
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基于PLC的天然气调压站的智能监控系统设计
基于PLC的天然气调压站的监控系统设计
摘要
管道燃气供给以其方便、经济，平安等优势取得普遍应用，正慢慢取代瓶装供气。
燃气具有易燃、易爆的特点，为了保证燃气供给的平安并实现最正确调度，必需及时把握系统运行状态，了解压力、流量、温度等数据。
本天然气调压站智能监控正是基于以上需求的基础上研制而成的。
、本文第一对调压站智能操纵系统进行分析，确信系统的功能目标和性能要求，并提出调压站智能操纵系统整体方案设计框架，本天然气站智能监控系统以CPU224XP操纵核心，以传感器（压差传感器、温度传感器，压力传感器等）用来做检测元件，以电磁阀为执行机构．CPU不仅要分析处置判定从EM231送过来的模拟量转化数字信号，还要负责与流量计和上位机的通信，实现对参数的操纵和报警指示和操纵相关电磁阀的动作，从而实现调压站的智能监控．
关键词：
天然气调压站，PLC，通信，智能监控，Modbus协议
ABSTRACTThesupplyofconduitgasspreadswidelybecauseofitsadvantagessuchas：
convenience，economy,andsafetyetc,Itgraduallyreplacesthebottlepackinggas．Gasisflammableandexplosive．Inordertoensurethesafetyofgassupplyandrealizethebestadjustment，wemustmasterthestatusofthesystemanddatassuchaspressure，flux，temperatureintime，sothedevelpomentofthesystemisbasedonthe224XPisusedascontrollingcoreofthesystemandthesensorsasmeasuringcomponentandtheelectromagneticvalvesandtherelaiesasexecutiveunit．CPUnotonlyneedtodealwithanalogsignalfromEM231，butalsoisresponsibletocommunicatewithflowmeterandmastercomputertocompletethewholecontrolmission，thusitrealizethepurposeofparameterscontrolling，warninginstructionandcontrollingtheactionofrelatedelectromagnetismvalve.firstly,thethesisanalysethesignificanceoftheintelligentsupervisionofthegasstation．Confirmssystemfunctiongoalsandperformanceparameters,andthenputsforwardthedesigningoverallframeanddividingintofunctionmodules．
KeyWords：
Gasstationforpressureadjustment；PLC；Communication；MonitoringSystem；ModbusProtocol
第1章绪论
可编程操纵器的产生与概念
作为通用工业操纵运算机，30年来，可编程操纵器从无到有，实现了工业操纵领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑操纵到数字操纵的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单操纵到胜任运动操纵、进程操纵、及集散操纵等各类任务的跨越。
今天的可编程操纵器正在成为工业操纵领域的主流操纵设备，活着界各地发挥着愈来愈大的作用。
1．1．1可编程操纵器的产生背景
在可编程操纵器显现以前，继电器操纵在工业操纵领域占主导地位，由此组成的操纵系统都是按预先设定好的时刻或条件顺序地工作，假设要改变操纵的顺序就必需改变操纵系统的硬件接线，因此，其通用性和灵活性较差。
20世纪的六十年代，运算机技术开始应用于工业操纵领域，由于价钱高、输入输出电路不匹配、编程难度大和难于适应恶劣工业环境等缘故，未能在工业操纵领域取得推行.1968年，美国最大的汽车制造商GM为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻觅一种比继电器更靠得住，功能更齐全，响应速度更快的新型工业操纵器，并从用户角度提出了新一代操纵器应具有的十大条件，当即引发了开发烧潮。
1969年，美国数字设备公司（DEc公司）研制出了第一台可编程操纵器PDP_14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了中意的成效，可编程操纵器自此诞生。
可编程操纵器自问世以来，进展极为迅速．1971年，日本开始生产可编程操纵器。
1973年，欧洲开始生产可编程操纵器。
到此刻，世界各国的一些闻名的电气工厂几乎都在生产可编程操纵器装置。
可编程操纵器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为今世电控装置的主导。
1．1．2可编程操纵器的概念
可编程操纵器，简称PLc（ProgrammablelogicController），是指以运算机技术为基础的新型工业操纵装置。
在1987年国际电工委员会公布的PLC标准草案中对PLC做了如下概念：
。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置．它采纳能够编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，操纵各类类型的机械或生产进程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业操纵系统形成一个整体，易于扩展其功能的原那么而设计。
一从可编程操纵器进展历史可知，可编程操纵器功能不断转变，其名称演变经历了如下进程：
初期产品名称为“ProgrammableLogicController一（可编程逻辑操纵器），简称PLC，要紧替代传统的继电接触操纵系统。
随着微处置器技术的进展，可编程操纵器的功能也不断地增加，因此可编程逻辑操纵器（PLC）不能描述其多功能的特点。
1980年，美国电气制造商协会（NEMA）给他一个新的名称“ProgrammableController一，简称PC。
1982年，国际电工委员会（IEC）专门为可编程操纵器下了严格概念。
但是Pc这一简写名称在国内早已成为个人运算机（PersonalComputer）的代名词，为了幸免造成名词术语混乱，因此国内仍沿用初期的简写名称PLC表示可编程操纵器，但此PLC并非意味只具有逻辑功能。
可编程操纵器的进展历程和进展前景
1．2．1可编程操纵器的进展历程
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEc）研制的。
限于那时的元器件条件及运算机进展水平，初期的PLC要紧由分立元件和中小规模集成电路组成，能够完成简单的逻辑操纵及按时、计数功能。
20世纪70年代初显现了微处置器．人们专门快将其引入可编程操纵器，使PLC增加了运算、数据传送及处置等功能，完成了真正具有运算机特点的工业操纵装置．为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员利用，可编程操纵器采纳和继电器电路图类似的梯形图作为要紧编程语言，并将参加运算及处置的运算机存储元件都以继电器命名。
现在的PLC为微机技术和继电器常规操纵概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程操纵器进入有效化进展时期，运算机技术已全面引入可编程操纵器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更靠得住的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程操纵器在先进工业国家中已取得普遍应用。
那个时期可编程操纵器进展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
那个时期的另一个特点是世界上生产可编程操纵器的国家日趋增多，产量日趋上升。
这标志着可编程操纵器已步入成熟时期．20世纪末期，可编程操纵器的进展特点是加倍适应于现代工业的需要。
从操纵规模上来讲，那个时期进展了大型机和超小型机；从操纵能力上来讲，诞生了各类各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的操纵场合；从产品的配套能力来讲，生产了各类人机界面单元、通信单元，使应用可编程操纵器的工业操纵设备的配套加倍容易。
目前，可编程操纵器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都取得了长足的进展。
1．2．2可编程操纵器的以后进展方向
随着新技术、新器件的不断显现，专门时微处置器、单片机、半导体存储器等技术的飞速进展和迅速融合，使得PLC功能加倍齐全，适用范围加倍普遍，利用加倍方便，具有更高的性能价钱比。
以后的PLC将有以下几个进展趋势：
1、向大型、高性能化方向进展
PLC的输入／输出点不断上升，可达到8192点，乃至高达10000点以上，这种产品知足钢铁工业、石油、化工等大型生产自动操纵的需要。
它们采纳有高速运算能力的高性能16位和32位微处置器，而且常常采纳多处置器结构，并吸收以持续量处置为主的集散操纵系统的优势，热备冗余系统更高速、靠得住，进一步增强科学计算、数据处置能力和联网能力。
2、向方便灵活、小型化进展
为知足工业生产进程对操纵系统小型化和减少体积、降低本钱的需要，PLC厂家几乎都开发了结构简单、利用方便灵活的小型、卫星PLC，这是20世纪80年代中后期进展最快的一类产品，据有关统计数字说明，小型PLC约占PLC市场的1／4．而另一方面，小型PLC的功能不断增加，如增加了数值运算、模拟量处置、与上位机或操作站联网通信的功能。
小型化的PLC作为机电一体化的大体组成要素和原始设备制造商的重要设备，将是一个重要的进展方向。
3、网络结构更开放、通信功能更完善
随着通信网络技术、现场总线技术和互联网技术的飞速进展，PtJc的冗余网络、局域网络技术日趋成熟，并向统一、通用的开放网络进展，不同品牌的PLC互操作性将大大提高。
从操纵层、操作层到治理层，实现全方位的多层次、散布的自动化网络管控一体化，成为真正的进程操纵解决方案。
4、编程组态更方便灵活
除提供传统的梯形图编程环境外，大多数PLC都提供语句表、顺序功能图和更友好、方便和高效的图形化组态软件。
随着基于Pc开放结构的操纵系统的显现和成熟，传统的硬件PLC也将吸收其技术，向利用软件技术将标准的工业运算机转换成全功能的PLC进程操纵器的软PLC方向进展。
1．3可编程操纵器的大体特点及应用
连年来，可编程操纵器（以下简称PLC）从其产生到此刻，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑操纵到数字操纵的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单操纵到胜任运动操纵、进程操纵及集散操纵等各类任务的跨越。
今天的PLC在处置模拟量、数字运算、人机接1：
3和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业操纵领域的主流操纵设备，在各行各业发挥着愈来愈大的作用。
1．3．1可编程控制器的特
一、靠得住性高，抗干扰能力强
高靠得住性是电气操纵设备的关键性能。
PLC由于采纳现代大规模集成电路技术，采纳严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的靠得住性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无端障时刻高达30万小时。
一些利用冗余CPO的PLC的平均无端障工作时刻那么更长。
从PLC的机外电路来讲，利用PLC组成操纵系统，和一样规模的继电接触器系统相较，电气接线及开关接点已减少到数百乃至数千分之一，故障也就大大降低。
另外，PLC带有硬件故障自我检测功能，显现故障时可及时发出警报信息．在应用软件中，应用者还能够编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC之外的电路及设备也取得故障自诊断爱惜。
如此，整个系统具有极高的靠得住性也就不奇怪了。
2、配套齐全，功能完善，适用性强
PLC进展到今天，已经形成了大、中、小各类规模的系列化产品。
能够用于各类规模的工业操纵场合。
除逻辑处置功能之外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各类数字操纵领域。
最近几年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置操纵、温度操纵、CNC等各类工业操纵中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的进展，利用PLC组成各类操纵系统变得超级容易。
3、易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业操纵运算机，是而向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员同意。
梯形图语言‘的图形符号’i表达方式和继fU器电路图相当接近，只用PLC的少量JI：
关量逻辑操纵指令就叮以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂运算机原理和汇编语言的人利用运算机从事工业操纵打开了方便之门。
4、系统的设计、建造工作量小，保护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了操纵设备外部的接线，使操纵系统设计及建造的周期大为缩短，同时保护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备通过改变程序改变生产进程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5、体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于lOOmm，重量小于1509，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想操纵设备。
1．3．2可编程操纵器在工业操纵系统中的应用
可编程操纵系统指以可编程操纵器为核心单元的操纵系统，一样由操纵器（PLC）、编程器、信号输入部件、输出执行部件等组成，可编程操纵系统可在不改变系统硬件接线的情形下，通过改变PLC的用户程序来改变被控对象的运行方式，大大地提高了操纵系统的灵活性。
目前，PLC在国内外已普遍应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，利用情形大致可归纳为如下几类：
1、开关量的逻辑操纵
这是PLC最大体、最普遍的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑操纵、顺序操纵，既可用于单台设备的操纵，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量操纵
在工业生产进程当中，有许多持续转变的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程操纵器处置模拟量，必需实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A／D转换及D／A转换。
PLC厂家都生产配套的A／D和D／A转换模块，使可编程操纵器用于模拟量操纵。
3、运动操纵
PLC能够用于圆周运动或直线运动的操纵。
从操纵机构配置来讲，初期直接用于开关量I／O模块连接位置传感器和执行机构，此刻一样利用专用的运动操纵模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置操纵模块。
世界上各要紧PLC厂家的产品几乎都有运动操纵功能，普遍用于各类机械、机床、机械人、电梯等场合。
4、进程操纵
进程操纵是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环操纵。
作为工业操纵运算机，PLC能编制各类各样的操纵算法程序，完成闭环操纵。
PID调剂是一样闭环操纵系统顶用得较多的调剂方式．大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处置一样是运行专用的PID子程序。
进程操纵在冶金、化工、热处置、锅炉操纵等场合有超级普遍的应用。
5、数据处置
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，能够完成数据的搜集、分析及处置。
这些数据能够与存储在存储器中的参考值比较，完成必然的操纵操作，也能够利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处置一样用于大型操纵系统，如无人操纵的柔性制造系统；也可用于进程操纵系统，如造纸、冶金、食物工业中的一些大型操纵系统。
系统的设计正是基于PLC的第四种应用。
1．4课题背景
天然气是一种优质的清洁能源，在能源结构中的战略地位早已确立。
其利用领域极为普遍，诸如化学工业原料、工业燃料、商业及民用燃料、汽车燃料、集中供热与发电等，是要紧的一次性消耗能源之一．我国“西气东输"打算的制定与实旄，足见国家对天然气利用的重视，我国尽管起步较晚，但进展势头强劲。
1．4．1天然气城市输配系统的组成
城市输配系统是指从接收长输管道供气的门站开始至用户用具止的整个系统，它包括门站、储气装置、调压装置、输配管道、计量装置等部份，其中储气、调压与计量装置可单独设置或归并设置，也可设在门站内．门站是天然气进入城市的门户，具有计量、过滤、调压与加臭等功能，有时兼有储气功能。
储气装置有储气罐、输气管道管制储气等。
输配管道也可按气功能分类，即分为分派干管、庭院管与室内管。
分派干管与庭院管为室外管。
目前，室内管的立管与水平管也有安装在建筑物外墙上的。
输配系统的压力级制是由系统中管道设计压力品级命名的，一样有高中低压系统、高中压系统、中低压系统与单级中压系统等。
1．4．2天然气城市输配系统压力级制的确信
确信输配系统压力级制时，应考虑以下因素：
气源；城市现状与进展计划、储气方法、大型用户与特殊用户状况。
关于大中型城市，由于用气量多、面广，为平安供气，在城市周边设置高压或次高压环线或半环线经多个调压站向城市供气，该高压或次高压管线往往兼作储气，即具有输、储气双重功能。
当天然气压力大于2．OMpa时，因储罐最高运行压力一样为1．6Mpa，采纳管道输气较储罐储气经济，除长输管道结尾可储气外，也可设置高压管道或管制储气。
由于四级地域地下燃气管道压力不宜大于1．6Mpa。
高压管道一样设置在中心城区边缘。
关于要求供气压力较高的用户可由高压或次高压管道直接供气．城区输配系统一样为单级中压。
该系统幸免了中、低压管道并行敷设、减少低压管长度而取得了较好的经济性。
单个调压器的供气户数较少，燃具前压力由更好的稳固性。
因此，单级中压系统成为城区天然气出赔系统的首选．综上所述，城市天然气输配系统结合管道储气或储罐储气可采纳的压力级制一样为高中压与单级中压。
1．4．3门站
门站接收长输管道上分输站或米站的供气，对天然气进行过滤、计量、调压、检测与加臭等，并宜设置自动化操纵系统，也可设置储气装置。
门站出口可直接连接城市中压管网：
当尝试另设储配站或高中压调压器时，天然气在门站通过滤、计量与检测后供入高压或次高压管道。
当站内需耗用天然气发电或用作其他用途时，可另设置专线供给。
门站站址应符合城市计划要求，并结合长输管道位置确信；同时考虑少占农田，节约用地，与周围建筑物和构筑物由符合设计标准要求的平安间距，和适宜的地形、工程地质。
门站总平面分为生产区（计量、调压、储气、加臭等）与辅助区（变配电、消防泵房、消防水池、办公搂等）。
1．4．4国内外研究现状
国外对天然气输配管网监视系统的建设的日趋完善，有了一整套成熟的技术和设备，结果说明性能靠得住、稳固，具有相当的有效价值，对调压站的平安生产和设备保护起到了专门大的作用，可是价钱太高，难以推行利用。
由于缺乏相关的设备，国内的大多数天然气公司的调压站在工作进程中缺乏相应的状态监测和操纵方法，在显现异样和故障情形时不能及时有效的停气和检修，从而给企业带来专门大的浪费和损失乃至会酿成事故。
因此，如何将现代化的状态监测技术与调压站这一传统的工程领域有机的结合起来，带动调压站站向智能化、机电一体化方向进展，提高调压站工作时的平安性、靠得住性，是当前天然气行业普遍面临的问题之一．这一急需要求咱们在这方面自行尽力，研究开发适合本行业的状态监测与故障诊断系统。
第2章天然气调压站监控系统整体设计
2．1监控系统设计方案考虑
监控系统设计方案的好坏决定了操纵系统的成败。
因此，深切进行详细的系统分析十分必要。
在充分调研的基础上，进行操纵系统整体方案的详细设计，包括操纵系统的结构方式、系统处置器和通信要紧设备选择，和靠得住性配置等。
2．1．1操纵方式的选择
应用PLJC组成的操纵系统有多种不同的操纵方案可供选择。
一样的，系统的操纵方式按操纵器和被控对象的关系来划分，有集中操纵和分散操纵两种操纵方案，而依照处置器和I／O的位簧关系，有本地操纵．远程操纵和混合操纵3中操纵方案。
因此，操纵系统的大体结构方式能够有六种，即集中本地操纵。
集中远程操纵、集中混合操纵和分散本地操纵、分散远程操纵和分散混合操纵。
本系统采取的是集中本地操纵的操纵方式。
2．1．2整体设计的要紧内容
整体设计的要紧内容包括以下几点：
（1）本系统依照用户的要求和被控对象的操纵范围、操纵规模、系统是不是冗余等要求进行了综合考虑，同时，充分考虑系统的性能价钱比等因素，确信操纵系统整体方案，采纳集中本地操纵。
（2）在确信了操纵系统方案以后，明确各组成部份的大体功能，包括硬件的要紧设备，如处置器、工作站、操纵网络通信设备和软件及其数量。
（3）对整体方案进行了可行性可靠得住性的论证，以确保操纵方案能知足用户的全数要求，并具有必然的先进性。
2．1．3几点应考虑的事项
操纵系统不管规模大小，其目的都是为了实现被控对象的工艺生产监视和操纵，提高生产效率、产品质量、系统平安性和靠得住性和降低劳动强度等。
因此，在设计PLC操纵系统时，着重考虑以下几点事项：
（1）所选用的PLC知足被控对象的操纵要求，技术成熟，通用性好，靠得住性高。
（2）在知足操纵要求的前提下，系统本身平安靠得住。
（3）考虑到工艺发生转变时系统的余量和扩展能力。
（4）所设计的操纵系统简练，有建高的性价比，操作利用和安装方便。
（5）设计的系统有必然的先进性。
2．2监控系统的要紧功能
管道燃气供给以其方便、经济，平安等优势取得普遍应用，正慢慢取代瓶装供气。
燃气具有易燃、易爆的特点，为了保证燃气供给的平安并实现最正确调度，必需及时把握系统运行状态，了解压力、流量、温度等数据。
天然气管网监控系统是一个大型的集中治理，统一调度，分散操纵的运算机网络监控系统。
系统一样由调度中心运算机治理系统，门站、区域调压站及数据通信网络等组成。
其中门站和调压站的要紧功能有：
依照消耗量来调整供给量以知足长期需求；对管网进行负载平稳操纵；许诺远程压力调剂；向调度中心上传数据。
随着运算机技术的应用，由微机及智能化器件组成的燃气自动监测系统成为燃气实现自动化生产供给不可缺少的工具。
智能操纵系统是利用远程压力传感器搜集压力、流量计搜集的流量信号，通过PLC系统的输出操纵减压阀、增压阀和泄压阀，以达到燃气稳固供给的目的。
2．2．1调压系统简介
调压系统由工作调压器，监控凋压器，切断阀，放散阀，相应的管道阀门组成，共有2路调压路，一用一备。
调压系统功能为调剂调压计量站出口压力，为下游用户提供压力稳固的气源，并与限流、调流系统，计量系统一路，限定下游用户的用气流量及在用户达到预定的用气量以后切断气源。
每条调压回路具有相同的配置，有一台独立的切断阀，一台监控调压器，一台工作调压器及进出口隔间阀组成。
正常工况下，工作调压器调剂天然气调压站出口压力，当工作调压器失效，监控调压器将投入运行操纵管线压力，若是监控调压器也失效，下游压力继续升高，当压力达到切断阀设定点时切断阀切断。
现在备用路工作调压器将投入运行，来操纵天然气调压站的出口压力。
调压系统主若是通过对各个调压器的压力设定的不同来达到自动切换的目的，假设主回路工作调压器压力设定在0．4MPa，那么监控调压器的压力设定要略高于主调压器为0．44MPa，而备用调压回路的工作调压器压力设定点应略低于主调压回路工作调压器的压力设定点，为0．36MPa，一样备用调压回路的监控调压器的压力设定点应略高于其工作调压器的压力设
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