基于Citect和冗余PLC的煤層氣集輸控制系統(tǒng)

朱光燦

（山西銘石煤層氣利用股份有限公司，山西 晉城 048006）

0 引言

早期煤層氣長(zhǎng)距離輸送由于下游用戶需求量較小，對(duì)場(chǎng)站的輸送能力要求不高，因此場(chǎng)站采用常規(guī)儀表檢測(cè)并且就地控制。隨著下游電廠裝機(jī)容量的增大，對(duì)集氣站煤層氣輸送的壓力及濃度要求不斷提高，從而對(duì)與之相匹配的煤層氣集輸控制系統(tǒng)要求也變得越來越高，煤層氣集輸控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為集成了現(xiàn)場(chǎng)總線、可編程控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種先進(jìn)控制技術(shù)的SCADA自動(dòng)化監(jiān)控管理系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，可以有效地保證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，降低了控制系統(tǒng)的故障率。

1 煤層氣集輸控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

煤層氣集輸是指將煤炭礦井下抽采的低濃度煤層氣進(jìn)行集中儲(chǔ)存、混氣、壓縮、脫水和計(jì)量的一整套煤層氣輸配工藝流程。銘石公司高莊集氣站煤層氣集輸工藝流程主要分為氣柜儲(chǔ)存流程、混氣流程、加壓流程、脫水流程和計(jì)量流程5部分。整個(gè)工藝流程是將礦井低濃度煤層氣進(jìn)行集中儲(chǔ)存，根據(jù)濃度需要進(jìn)行配風(fēng)混氣，然后進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，對(duì)壓縮后氣體進(jìn)行脫水處理，最后通過計(jì)量系統(tǒng)對(duì)外輸氣體體積進(jìn)行測(cè)量，其工藝流程如圖1所示。

該煤層氣集輸控制系統(tǒng)整體采用三層結(jié)構(gòu)（控制層、網(wǎng)絡(luò)層和上位監(jiān)控層）的經(jīng)典模式，控制層采用基于Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線及工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，主要包括工藝流程各部分控制器S7－200系列PLC、主控制器S7－400H冗余PLC、ET200M 分布式I/O模塊、冗余以太網(wǎng)通訊模塊及現(xiàn)場(chǎng)總線；網(wǎng)絡(luò)層主要采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各受控設(shè)備控制器之間的數(shù)據(jù)交換；上位監(jiān)控層基于Citect組態(tài)軟件的主從服務(wù)器對(duì)各受控設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)控。煤層氣集輸控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖1 煤層氣集輸工藝流程圖

圖2 煤層氣集輸系統(tǒng)控制系統(tǒng)框架

2 煤層氣集輸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)控制層的設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)控制層由2個(gè)控制器為冗余的S7－400H PLC的主站和9個(gè)控制器為S7－200PLC的從站構(gòu)成。其中9個(gè)從站分別為7臺(tái)燃?xì)鈮嚎s機(jī)控制系統(tǒng)及2臺(tái)脫水控制系統(tǒng)。主控PLC均采用西門子CPU226CN，并配置了CP243－1以太網(wǎng)模塊與其他站進(jìn)行通信。2個(gè)主站負(fù)責(zé)其余設(shè)備的控制，配置了西門子S7－400系列冗余PLC與西門子ET 200分布式I/O結(jié)合的方案，模塊化、智能化的分布式I/O設(shè)備使系統(tǒng)的擴(kuò)展性得到了提高，同時(shí)高傳輸速率的Profibus－DP總線保證了控制器與I/O系統(tǒng)的高效通訊。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)

由于各控制器均配置了以太網(wǎng)模塊或以太網(wǎng)端口，因此網(wǎng)絡(luò)層主要是通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各部分控制系統(tǒng)及上位監(jiān)控的通訊，上位監(jiān)控Citect組態(tài)軟件可以通過IP尋址定位到各控制PLC，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

Citect與西門子PLC之間的通訊需要先安裝西門子以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)psdirect驅(qū)動(dòng)，然后安裝Siemense industry Ethernet軟件，最后對(duì)該軟件進(jìn)行系統(tǒng)配置。在配置Siemense industry Ethernet軟件時(shí)，先選擇TCPIP通訊協(xié)議，然后在PLC Device List中點(diǎn)擊Add按鈕添加要連接的PLC，在Device Name中給各控制PLC命名，此處的命名應(yīng)該與后面設(shè)計(jì)Citect時(shí)定義的設(shè)備名稱相同，否則連接的PLC就無法與Citect軟件進(jìn)行通訊；在PLC Type里選擇S7－400，并配置雙CPU冗余。Siemense industry Ethernet軟件配置如圖3所示。

圖3 Siemense industry Ethernet軟件配置

2.3 上位監(jiān)控層的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的上位監(jiān)控系統(tǒng)是采用Citect V6.10開發(fā)的，Citect組態(tài)軟件建立的工程由建立通訊、創(chuàng)建變量標(biāo)簽（Variable Tags）、繪制畫面、添加控制、報(bào)警和事件處理、安全機(jī)制、Cicode語言組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)煤層氣集輸系統(tǒng)各工藝部位的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本系統(tǒng)上位監(jiān)控層配置了2臺(tái)工控機(jī)，分別為Citect Server和Citect Client。其中Citect Server主要負(fù)責(zé)采集工藝過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，而Citect Client則主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)流量信號(hào)、組態(tài)報(bào)警、趨勢(shì)、報(bào)表等任務(wù)。

3 冗余設(shè)計(jì)

冗余控制根據(jù)冗余實(shí)現(xiàn)的方法可以分為軟件冗余和硬件冗余。軟件冗余初步投資較小，通過軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫、儲(chǔ)存以及故障時(shí)的自動(dòng)切換，其系統(tǒng)維護(hù)比較復(fù)雜，只能由專門的設(shè)計(jì)人員完成，因此只適用于生產(chǎn)工藝流程要求不高的場(chǎng)合。而硬件冗余設(shè)計(jì)之初就需要配置兩套完全一樣的系統(tǒng)，因此前期投入較大。硬件冗余系統(tǒng)一般配置一套主、備用控制器，備用控制器閑時(shí)從主控制器中復(fù)制全部程序及系統(tǒng)數(shù)據(jù)備用，當(dāng)系統(tǒng)異常時(shí)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無間隙切換。這種冗余方式系統(tǒng)維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，性能可靠，適合生產(chǎn)工藝要求高、反應(yīng)速度快的危險(xiǎn)工業(yè)場(chǎng)合。簽于煤層氣場(chǎng)站的實(shí)際情況，因此本煤層氣集輸控制系統(tǒng)選擇硬件冗余的控制方案。

3.1 硬件配置

要實(shí)現(xiàn)硬件冗余，需要配置2個(gè)安裝機(jī)架UR2－H（9槽ALU）機(jī)架，2個(gè)電源模塊PS 407 10A，2個(gè)容錯(cuò)CPU414－4H，2根光 纜；ET200M 分布式I/O 設(shè) 備配置2個(gè)IM153－2，3個(gè)數(shù)字量輸入模塊，2個(gè)數(shù)字量輸出模塊，3個(gè)模擬量輸入模塊，1個(gè)模擬量輸出模塊，2根PROFIBUS屏蔽電纜及相應(yīng)的DP連接器。

3.2 硬件組態(tài)

硬件組態(tài)使用STEP7軟件中的HW－Config功能，同時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)各硬件組成部分進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置。煤層氣集輸系統(tǒng)硬件組態(tài)圖如圖4所示。

圖4 煤層氣集輸系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

對(duì)中央處理單元只需對(duì)CPU0（機(jī)架0上的CPU）設(shè)置CPU參數(shù)，所設(shè)定的數(shù)值將自動(dòng)分配給CPU1（機(jī)架1上的CPU）。需要設(shè)置的參數(shù)主要有掃描循環(huán)監(jiān)視時(shí)間、過程輸入輸出映象，出現(xiàn)I/O訪問錯(cuò)誤時(shí)調(diào)用OB85，還需要設(shè)置診斷緩沖區(qū)中的報(bào)文數(shù)量，模塊的監(jiān)控時(shí)間以及CPU的自檢周期。特別需要注意的是在每次修改硬件配置或退出HW Config之前一定要對(duì)硬件組態(tài)進(jìn)行編譯。

3.3 通訊組態(tài)

首先，主、備控制器之間需要進(jìn)行同步光纜連接，保證冗余PLC之間同步通訊的正常進(jìn)行；其次，在冗余PLC和冗余的ET200M分布式I/O通訊模塊之間配置雙Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)，Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)總線采用雙線電纜傳輸，傳輸速率可以從9.6kb/s到12Mb/s，實(shí)現(xiàn)主站與從站間的數(shù)據(jù)傳遞，冗余的Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)配置使得中央處理單元程序同時(shí)監(jiān)控兩套通訊模塊的狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量，起到限定當(dāng)前工作通訊網(wǎng)絡(luò)和后備通訊網(wǎng)絡(luò)的目的；最后，在各部分控制器S7－200系列PLC、主控制器S7－400H冗余PLC以及上位監(jiān)控服務(wù)器之間通過配置專用的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控層與管理層的無縫連接。冗余連接網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

4 結(jié)論

采用基于Citect軟件平臺(tái)開發(fā)的煤層氣集輸控制系統(tǒng)，給操作人員提供了友好的操作界面。實(shí)際運(yùn)行證明，該控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次分明，而且故障率較低，具有較高的系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，能夠完全滿足場(chǎng)站集中監(jiān)控的需求。

圖5 冗余連接網(wǎng)絡(luò)圖

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