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系统的硏究,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 Supervisory 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203年3月投产的长崎 Saibu gas有限公司使用横河 STARD0M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的方式中国煤化工CNMHG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iix、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,研制了一套具有模块化及可扩展性的气化站站控系统。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、PC、现场仪表、通信系统及计量系统组成,如图1所示。中国煤化工CNMHGINternetE:57”二:A地42: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岀界面美观、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UNX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mY中国煤化工ABCNMHG公司的AC800M甚至只能在英文版 Windows2000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S7-300/400PLC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UNX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2.1PLC硬件配置表1PLC硬件配置序号名称描述定货号1电源模块PS 4074A6ES7407-0DA02-0AA02CPU模块CPU414-4H6ES74144HM14-0lB03模拟量输入模块Al8x 12Bit6ES733l-7KF02-0AB04模拟量输出模块AO4x12Bit6ES7332-5HD01-0AB05数字量输入模块DI16xDC24V6ES7321-1BH02-0AA06数字量输出模块DO16xDC24V/0.5A6ES7 322-IBHO1-OAAO7ET20M通信模块IM153-26ES7153-2BA02-0XB08CP341通讯模块CP341-RS4224856ES7341-1CH02-0AE09电源模块s3076ES7307-1BA00-0AA0PLC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,输入输岀模块选用Sη-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S7-400I/0模块,主要是经济性考虑2.2PLC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。LT11]R是l#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中国煤化工需要保持输出,1#储罐进液气动阀保持开状态。CNMHG程序段4:标题s11!2为紧急切断按钮.在液位安全位内可以操作门,阀门必须为常闭閥门,在液位高于正常液位时关闭阀门10.0Q0.0Hs111/2M1.0CMP S=Rs111DR1 DRD4601液位(?)E模拟量转换数据块LT111RIN11.80000oe3-I2图2LNG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。LT111R是l#储罐液位髙度,Q1.0是1#储罐岀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LIHs112/2CMP >ERDB1 DBD460DBI DBDS701液位(?)1液位(?送浮点数)模拟壘转模拟堂转换数据块换数据块LT111_RIN1T111_RIN11.0000000021N200112图3LNG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℃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℃时,才切断气化器入口气动阀2.3PLC报警功能的实现中国煤化工CNMHG(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DR1- DBD46O003CMP <=RLT111 RINI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。PT!21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:压力高报中国煤化工CNMHG程序段88:标题工艺输出报Q4.0CMP≤>D息M1M5-I1Q4.5ALM1-sL#O -IN2.1程序段89:标题I5.0程序段90:标题Q4.0CMP=DALN1-f20-1N1L#0 -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系统与公司调度中中国煤化工篇方CNMHG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MX602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100:120:1压力范围0~400bar4bar --150 bar0~100ba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,会卡住价格便宜贵便宣众所周知,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IMPa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。、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站工芝流程图,操作员可在此界面査看罐区各种参数,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HH中国煤化工彙作CNMHG员识别。x当±Q吸兵x|K明城LNG站工艺流程图结带来一果植出结工艺重四田橡公影02和人口盟度R厘区气2比要计限篇是力D.17·出二图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。中国煤化工CNMHG趋势显不曲线1区趋势区x天区新孙新打印」曲线持加加其它与去除显示Q·悲项」厂实时检周斯秒)间置文件由拱1类型时间垂直轴选中的水平中的跟随大大日时肉克5378国LN魔计骗机N口F511294201094414020103112010941274720201043194色面图形列表明1量计机口m引标兄图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-10℃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℃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YHS中国煤化工防CNMHG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,S7-400PLC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、S7-300/400PLC、MX602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。中国煤化工CNMHG