天然气门站计量监控系统总体设计

[摘 要]门站计量监控系统对于保障天然气门站的安全运营起到了至关重要的作用，而门站计量监控系统功能的设计需要根据工业流程分析出计量控制的需求。本文在介绍典型门站工艺流程的基础上，分析了系统的计量控制需求，给出了天然气门站计量监控系统的总体设计以及硬件选型方案。

[关键词]门站计量，监控系统，总体设计

中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0077-02

1 门站工艺流程介绍

天然气门站具有过滤、储气、控制和计量等功能，主要负责为城市天然气管网提供气源，保障城市安全稳定供气[1]。天然气经由长输管线高压进入城市天然气门站，经由过滤器过滤掉较大液滴和固相颗粒杂质之后，进入及其管网，并对天然气计量之后进行加臭，随后通过调压系统将压力下调至0.4MPa～1.6MPa的压力之后，进入城市天然气管网为千家万户供气。根据门站的工艺流程分析可以确定门站主要需要监控的工艺设备有电动球阀、过滤器、流量计、调压器以及管道进出口端压力、温度和气体泄漏情况等参数，门站的工艺处理过程如图1所示[2]。

2 系统总体设计方案

2.1 功能需求分析

结合天然气门站工艺流程，可以得出天然气门站计量监控系统主要需要实现对入站和出站压力、温度、流量以及相关设备运行状态进行监控和计量。需要门站计量控制系统实现实时采集现场数据，并计量天然气流量，实现流量补偿功能；使用组态软件模拟门站包括天然气管道布局、电动球阀以及重要仪表位置的工艺流程；通过上位机监控系统可以监视门站现场电动球阀的运行状态并能控制球阀开闭；对门站以及各集气管道的进出口压力、压差和天然气泄漏浓度进行实时监测，当各个测量值超过门限值时进行声光报警；动态显示门站现场采集的各电气设备的生产数据，并提供实时数据曲线、历史数据曲线浏览功能；提供数据管理功能，包括实时数据、报警记录以及操作记录的归档，并提供查询统计接口；实现用户权限等级的管理机制，确保高权限用户的操作管理权以及低权限用户的浏览权；提供现场数据的远程浏览功能；利用OPC标准化接口驱动短消息报警模块发送短信到维护人员手机；留有对调度中心的数据上报接口，与调度中心的通信将在二期工程中由调度中心实现。

2.2 总体结构设计

天然气数据采集与监视控制系统主要由三个部分的组成：区域监控中心，无人值守站以及天然气门站。本论文作为第一期工程主要针对天然气门站进行软硬件升级苑，通过门站计量控制系统的实现，完成对现场设备进行数据采集，流量计量以及球阀控制。

门站计量监控系统采用的是上下位机协作工作模式。下位机由PLC315-2DP中央处理器模块、数字量输入输出模块、模拟量输入模块以及电源模块等硬件组成，负责实时采集现场数据、控制球阀、流量计量以及超限或故障报警；上位机采用WinCC组态软件模拟天然气门站的工艺流程，将下位机采集、处理的数据以及系统产生的报警信息和操作记录展现给工作人员，并能通过手机模块将报警信息及时发送到维修人员和工程师手机上，以便尽可能的缩短维护时间，同时需要将产生数据归档并提供控制球阀开闭的操作。门站计量控制系统的总体框架结构如图2所示。

由于工控现场的传感器和设备分布较为分散，在门站现场采用分布式I/O模块ET200M将采集到的信号汇总，然后再讲数据通过Profibus总线传输给PLC进行信号转换和处理。当PLC更新了数据后，会根据采集的压力、温度等数据计算天然气的瞬时流量和累积流量，然后通过工艺以太网将处理过的数据上传给门站监控室内的上位机监控系统。上位机监控系统完成对数据的和统计，并将数据定时传输给监控中心。同时远端客户可以通过浏览器远程访问门站计量监控系统，浏览门站设备的运行和计量情况。通过图2可以看出，天然气门站计量监控系统不仅需要完成对天然气流量的计量以及对现场采集数据的管理，还需要能够与监控中心或远端客户进行数据交互。

3 软硬件集成方案

3.1 软硬件平台选择

天然气门站计量监控系统分为上下位机两部分，主要分布在监控室和门站现场两个区域，其中监控室内包含了两台互为冗余的监控计算机以及PLC控制器；门站现场主要有电动球阀、各种工业测量仪表以及标准孔板等设备。

经过对现在工业领域市场上主流控制器的比较，本论文选用西门子公司生产的S7-300系列的PLC，其采用模块化结构，具备高速的指令运行速度，可实现浮点运算能计算较为复杂的算术运算，可按用户指定的刷新速度传送数据，可自动处理数据传送，可实现CPU智能化自诊断等优点，在工业自动化领域广泛应用[3]。对应于西门子公司的PLC作为控制器，上位机选用与S7-300系列全Q合的西门子的WinCC组态软件。该软件是一款面向监控与数据采集的组态软件，系统可靠性高。

为了提高监控系统的可靠性，上下位机均采用双机热备份冗余系统，同时为了配合PLC的冗余实现，将数据采集和输出模块交给分布式I/O模块ET200M进行管理。PLC组成软冗余系统作为控制系统的核心控制器，上位机监控系统采用双工控机通过工业交换机进行冗余，实现数据实时热备份，增强系统的可靠性和安全性，平台框架可参照图3。

3.2 软硬件设备配置

根据对计量控制系统平台选择的分析，确定了系统软硬件的框架平台，下位机采用PLC组成计量控制系统，大大加强了系统的集成度，与上位机之间采用以太网通讯方式，增强了数据的传输速度，满足了大数据量传输的需求，下面将对本计量监控系统软硬件选型进行详细介绍。

在门站计量控制系统中，监控室作为门站级的主控中心，监控室内工作人员通过上位机WinCC组态软件对整个站场实现监控。工业控制计算机配置CP1613工业以太网卡，计算机采用Windows XP SP3操作系统，并安装EXCEL 2007，WinCC V7.0 ASIA SPl和SIMATIC Manager STEP7（V5.5）。由于对孔板采用气体分段计量较为复杂，基于稳定性、可靠性、实用性的考虑，系统下位机的PLC采用西门子公司的S7-300系列，作为本系统的数据处理核心，主要完成数据采集、流量累计、现场控制等重要功能。其主要的软硬件配置如表1所示。

参考文献

[1]吴筱峰.城市天然气厂站中调压计量系统的设计[J]煤气与热力.2010（07）：21-24

[2] 张志同.天然气输配控制工程开发与研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文.2008，1

[3] S7-300 Programmable Controller Hardware and Installation M]， SIEMENS AG， 2002