岳良武*

（中國石油塔里木油田分公司基建工程處）

基于S7—400的冗余自動化控制系統(tǒng)在裝車站中的應用

岳良武*

（中國石油塔里木油田分公司基建工程處）

本文介紹了基于S7—400的冗余可編程控制器（PLC）在裝車站自動化控制系統(tǒng)中的應用。通過建立南、北站的PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了各自站內的溫度、壓力、流量、液位、消防控制等儀表信號的采集、顯示、報警、聯(lián)鎖、控制等功能，系統(tǒng)的電源、控制器、網(wǎng)絡交換機和計算機都相互冗余并自動切換，達到了油田逐步弱化南站功能、集中北站控制的運行思路要求。新的控制系統(tǒng)使裝車站的儲運控制更加安全、可靠，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備的集中控制和信息資源共享，促進了裝車站過程控制和信息管理的現(xiàn)代化。

PLC；冗余；自動化控制；裝車站；工藝設計；集成；性能

新疆某油田裝車站作為集凝析油、液化氣收、存、銷為一體的綜合性裝車站庫，是我國西部較大的一個凝析油儲運站庫，也是油田凝析油火車外運的總出口。為使石油產品的儲運相對穩(wěn)定、安全，在該站建立自動化控制系統(tǒng)尤為重要。針對裝車站南站與北站的實際相距距離、儀表功能以及數(shù)據(jù)通訊等特點，自動化控制系統(tǒng)設計選用SIMATIC全集成自動化技術，分為南站改造和北站擴建兩個部分，即南站凝析油、液化氣工藝監(jiān)控和消防控制；北站輕烴、液化氣、凝析油工藝監(jiān)控和消防控制。

1 原工藝系統(tǒng)及存在問題

1.1 原工藝系統(tǒng)

裝車站原來只有裝車南站，建有凝析油儲罐4座、液化氣儲罐2座及與之配套的消防設施等。主要工藝分為3部分：凝析油系統(tǒng)、液化氣系統(tǒng)和消防系統(tǒng)。主要自動化設備有電動閥、電動泵、液位計、溫度計、流量計、壓力計、可燃氣體報警探測器等，均分布在這3個工藝系統(tǒng)中。

原有的自控系統(tǒng)采用常規(guī)儀表控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用盤裝儀表完成消防系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制功能，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集、顯示、報警等功能。

1.2 存在問題

裝車站原有儲存品種為凝析油、液化氣，沒有輕烴儲運設施。無論是儲存規(guī)模還是儲存品種，均不能滿足新建的兩個主力凝析氣田開發(fā)后的要求。2號穩(wěn)定輕烴在市場上處于供不應求狀態(tài)，由于該裝車站沒有2號穩(wěn)定輕烴儲存設施，2號穩(wěn)定輕烴和凝析油混合后按凝析油價格銷售。根據(jù)目前的定價原則，輕烴銷售價格不低于原油價格的1.1倍計算，原有運行狀況給油田的生產效益造成了巨大的經濟損失。

原有的控制系統(tǒng)除消防系統(tǒng)基本實現(xiàn)邏輯控制、液化氣氣出口和液出口實現(xiàn)緊急控制功能外，其他凝析油和液化氣進站、轉儲、裝車、卸車等工藝環(huán)節(jié)均未實現(xiàn)自動化控制，只能進行集中監(jiān)測。

2 工藝系統(tǒng)改造

為滿足油田目前已投入開發(fā)的凝析氣田的產量和后期將要開發(fā)的凝析氣田的預測產量的要求，滿足油品儲運的要求，裝車站的改擴建項目選在原站址北側，擴建2座20 000m3凝析油儲罐、2座10 000m3輕烴儲罐、8座2 000m3液化氣儲罐、凝析油裝車棧橋及相關設施。根據(jù)工藝區(qū)域劃分，原有裝車站稱為南站區(qū)，原站址北側擴建部分稱為北站區(qū)，兩站主要工藝設施相對獨立，站間要求實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，尤其實現(xiàn)北站區(qū)系統(tǒng)對南站區(qū)系統(tǒng)的遠程控制。因此，北站區(qū)需新建控制系統(tǒng)，同時對南站區(qū)控制系統(tǒng)進行改造。

3 控制系統(tǒng)設計及結構

3.1 控制系統(tǒng)設計

建立南、北站的PLC控制系統(tǒng)，完成各自站內的溫度、壓力、流量、液位、消防控制等儀表信號的采集、顯示、報警、聯(lián)鎖、控制等功能；北站PLC系統(tǒng)通過雙光纖接收南站PLC系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)，同時通過光纖傳輸控制信號，對南站區(qū)系統(tǒng)進行遠程控制。

北站PLC系統(tǒng)同時接收上游新建的兩個作業(yè)區(qū)（1站、2站）通過通訊光纖傳來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息資源共享，為計算機信息管理和生產調度、計劃、管理及經營決策提供實時信息，做到生產管理自動化。

3.2 控制系統(tǒng)結構

南、北站彼此獨立，但又相互聯(lián)系。各站由PLC冗余CPU組成，站間通過通訊模塊經工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊；各站內部采用總線進行組網(wǎng)，采集模塊與工業(yè)儀表進行數(shù)據(jù)交換。采用開放的高速通訊網(wǎng)絡，模塊化結構設計，即插即用卡件、自動識別系統(tǒng)硬件，操作維護不必停車，系統(tǒng)實現(xiàn)真正的在線擴展。具有設備自診斷功能，能夠分析模塊等設備的故障，一旦任何硬件出現(xiàn)故障，畫面即顯示報警，同時，工業(yè)微機作為人機界面完成自動化控制系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。其系統(tǒng)結構見圖1。

圖1 裝車站PLC控制系統(tǒng)結構示意

4 控制系統(tǒng)集成

控制系統(tǒng)采用全集成自動化產品，由S7—400系列的CPU414—4H及PROFIBUS—DP通信模塊、擴展I/O模塊等構成數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，通過PROFIBUS總線集成系統(tǒng)。系統(tǒng)分南北兩個站區(qū)，控制中心設在北站區(qū)，在北站區(qū)實現(xiàn)對南北兩站的系統(tǒng)控制。

4.1 南站區(qū)PLC系統(tǒng)

在已建儀表值班間設置一套PLC系統(tǒng)。由PLC系統(tǒng)取代常規(guī)儀表控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。站內原有溫度、壓力、流量、液位、消防控制等儀表信號由原有的傳輸?shù)絻x表盤、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)改為傳送到PLC系統(tǒng)。通過PLC完成被測參數(shù)的采集、顯示、報警、聯(lián)鎖等功能，PLC系統(tǒng)與凝析油循環(huán)加熱爐等橇裝設備通過RS—485接口、MODBUS RTU通訊協(xié)議或其他協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。南站區(qū)PLC系統(tǒng)同時將信號通過雙路通訊光纜上傳至北站區(qū)。

4.2 北站區(qū)PLC系統(tǒng)

在北站區(qū)新建中控室，設置一套PLC系統(tǒng)，下設一個分布式遠程I/O站，設置在遠程I/O室，遠程I/O站通過現(xiàn)場通訊總線，將現(xiàn)場信號傳輸?shù)街锌厥遥ㄏ嗑?00m）的PLC系統(tǒng)中央處理器，同時，將中央處理器發(fā)送的控制信號送至現(xiàn)場。

5 控制系統(tǒng)功能

改造后的系統(tǒng)的電源、控制器、網(wǎng)絡交換機和計算機都具有冗余設計，相互冗余并自動切換。系統(tǒng)根據(jù)裝車站的工藝特點，按工藝流程分類圖形化設計，具有友好的人機界面，方便直觀、易學易用。各種模塊之間可進行廣泛組合用于擴展，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。數(shù)據(jù)傳輸率可達12Mbit/s。通過開放的、標準化的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來連接部件，采用點對點協(xié)議的、具有MODBUS通訊接口的智能設備進行通訊和數(shù)據(jù)采集。具有PLC模塊故障診斷功能，能夠對CPU的電池故障以及I/O模塊的熱插拔進行故障判斷，系統(tǒng)以畫面圖元閃爍的形式通知工程技術人員和系統(tǒng)維護人員，便于迅速查找出故障所在位置，并解決問題。測量具有穩(wěn)定、精確、傳輸距離遠的優(yōu)點。

6 運行效果

工藝改擴建充分利用已有設施，通過改造，在南站區(qū)實現(xiàn)2號穩(wěn)定輕烴和液化氣的裝車功能，保留了原南站區(qū)的其他輔助功能；在北站區(qū)，新建凝析油、2號穩(wěn)定輕烴、液化氣儲罐及凝析油裝車設施和配套設施，實現(xiàn)北站區(qū)的凝析油的裝車功能。達到了凝析油為180×104t/a、液化氣為25×104t/a、2號穩(wěn)定輕烴為35×104t/a的儲運規(guī)模，滿足了油田凝析油、液化氣、輕烴對裝車站的儲運能力的要求，實現(xiàn)了這3種產品的分儲分輸?shù)纳a管理要求。

新的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了凝析油、輕烴、液化氣主要工藝系統(tǒng)中進站流程、裝車流程、返輸流程、循環(huán)加熱流程、倒罐流程、密閉裝車放空流程等重要工藝流程及主要配套流程（包括消防、火炬等）中關鍵控制環(huán)節(jié)的自動控制功能，保障了裝車站區(qū)各主要工藝流程系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行。

對南站的控制系統(tǒng)進行完善，實現(xiàn)了南站對其主要工藝流程的控制功能，實現(xiàn)了北站區(qū)對南站區(qū)所有控制信號的遠程控制，滿足了油田逐步弱化南站功能、集中北站控制的運行思路。接受、顯示上游重要站場的相關生產數(shù)據(jù)，實現(xiàn)上、下游信息資源共享。系統(tǒng)具有良好的可擴展性，在隨后進行的裝車站進站閥組的擴建項目中，僅增加了幾個I/O模塊就平穩(wěn)實現(xiàn)了系統(tǒng)的在線擴展。

通過S7—400的冗余自動化控制系統(tǒng)的應用，裝車站自動化控制系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了其方案設計功能，在生產運行中使裝車站輕烴、凝析油、液化氣的儲運控制更加安全、可靠。同時，系統(tǒng)的設計采用當前先進的技術和設備，具有一定的先進性、可擴展性。實際運行證明該系統(tǒng)效果良好，促進了裝車站過程控制和信息管理的現(xiàn)代化。

[1] 邱公偉.可編程控制器網(wǎng)絡通信及應用[M].北京:清華大學出版社,2000.

[2] 毛雪珍,顏文俊.S7—200系列PLC與WinCC通信實現(xiàn)研究[J].工業(yè)控制計算機,2005,18(2): 36-37.

TE978

A

1004-2970（2011）05-0042-03

岳良武. 基于S7—400的冗余自動化控制系統(tǒng)在裝車站中的應用. 石油規(guī)劃設計，2011，22（5）：42～44

* 岳良武，男，工程師。1998年畢業(yè)于江漢石油學院電子儀器及測量技術專業(yè)，獲工學學士學位。現(xiàn)在中國石油塔里木油田分公司基建工程處，長期從事油氣田地面建設工作。地址：新疆庫爾勒塔指基建工程處， 841000。E-mail：yuelw-tlm@petrochina.com.cn

2010-09-27

谷風樺