西门子S7—300 PLC在LNG系统中的应用

【摘 要】介绍了LNG撬装站的原理及控制要求，并针对工艺要求设计了监测控制系统。系统选用西门子S7—300系列可编程控制器（PLC）作为现场控制主站，对系统的控制功能、系统的配置和软件编写进行了讨论。该系统具有良好的实用性和可靠性，已成功运用到实际生产中，LNG加气站过程控制系统的设计具有一定的参考意义。

【关键字】LNG站；ABB变频器；上位机监控；PT100

随着新能源的开发利用，液化天然气（LNG）以其高效清洁，价格较低，应用越来越广泛的当做新能源用作车用燃料，取代汽油。在重型卡车，公交大巴等交通运输上具有广泛前景。在LNG加气站快速发展同时，许多地方控制手段落后，使得许多新建的LNG加气站在经营管理，设备监控，安全生产等方面存在许多漏洞。

因此我们采用西门子PLC300作为加气站的控制核心，对现场仪表进行数据采集与控制。同时以计算机为基础，以组态王软件为平台建立的LNG站控系统作为上位机软件，二者配合，实现实时监视，数据采集与运算，设备控制，数据存储，参数的修改以及各类信号报警等各项功能。此站控系统可以及时准确的掌握LNG加气站运行状况，完成紧急情况下的报警与保护。实现了对LNG加气站设备的整体集中管理，提高了系统运行安全可靠性，优化了资源配置。

1.LNG站工作流程

1.1卸车流程：从LNG液化厂用低温运输槽车将LNG运至汽车加气站，通过加气站卸车接口、真空管道、卸车泵、阀门等将LNG灌注到加气站的低温贮罐中。

1.2调压流程：卸车后。用LNG低温泵将贮罐中的部分LNG输送到汽化器，汽化后通过气相管路返回贮罐，直到罐内压力达到设定的工作压力。

1.3加注流程：给车辆加气时，先将加注管路通过专用的LNG加液枪与汽车上的LNG贮罐相连接，控制贮罐内的压力将LNG输送到一种专业的低温潜液泵中，通过加气机来控制泵运转输送的流量，同时用LNG流量计计量出输送的液体，在控制面板上反映出质量和价格。

2.PLC控制系统设计

2.1整体方案设计

控制器采用西门子PLC300，另外加一块8路AD模块，用于各种温度压力信号的采集，触摸屏采用西门子TP277，显示气站运行各设备运行状态，各种参数，以及报警提示。

DELL工业控制计算机（IPC），采用Pentium Ⅳ处理器，3.40GHz主频，2G内存，500G硬盘，cp5611卡现场采用PT100作为温度传感器，罗斯蒙特3051压力变送器，天然气浓度报警探测器等

2.2在本系统中，上位机用组态王组态软件，下位机用STEP7V5.5编程实现，触摸屏用 wincc flexible2008组态，下面详细介绍这两部分的功能及组态。

2.3PLC编程

STEP7软件一般有多种编程方式，本文中采用的是梯形图和语句表相结合编程方式。

3.监控系统功能的实现

PLC上电运行后，受人工控制进入人工控制或自动控制状态，不断检测各点压力，温度，以及现场气体浓度，完成卸车，调压，加气等模式，在不同状态需要报警时，显示报警信号，并记录。

撬装站工作分为几种工作模式，在各方面条件达到后，才能完成一系列工作。

3.1预冷模式：管路在长时间液化天然气不流动，要重新工作时，需要管路预冷，方可工作。需要几个手动阀与几个电磁阀相互配合，使管路达到预定温度以下，一般—160℃以下。然后才能进行卸车或加气。

3.2调压模式：在卸车或加气前，管路压力不均衡，需要开关手动阀门，以及PLC控制下的几个电磁阀，达到压力要求，

3.3卸车模式：将槽车里的天然气液，装入储罐，需要预先预冷，开动低温泵，将槽车里的液抽入储罐，要求PLC开启相关电磁阀，开动泵，读取压力传感器，液位传感器的信号，槽车被抽完或达到储罐液位要求自动停泵。

3.4加注模式：向用户汽车加注液化天然气的过程。长时间不加气时，需要先预冷。加注枪插到汽车上，启动加注机，自动计量加气的过程。

以上过程，都由PLC自动控制。达到设定的各种参数值，保证生产顺利进行。

4.传感器的选型

压力传感器采用罗斯蒙特3051压力变送器，信号为4-20mA，测量范围0—2.5MPa，温度传感器为PT100，信号为4-20mA，测量范围-196—50度，液位传感器是一只压差传感器。信号都是采用4—20mA，都是2线制，因此尽可能接线简单，同时保证信号的稳定可靠，减少外来信号干扰。传感器信号线采用1.5平方mm的铜线，以减少信号的衰减。

5.控制柜的元器件选型

现场都是天然气危险区，因此除了采用防爆的传感器之外，控制柜输出要采用本安电路。本项目选用了上海辰竹仪表有限公司的安全栅，型号 GS8047-EX，因此测量信号到现场的都是本安信号，保证了现象的安全。

5.1触摸屏，采用TP277彩色屏，用于人机对话，控制整个系统的操作，完成各个生产过程，以及参数的设置，报警记录和报警提示。保障整个加气站的顺利工作。采用wincc 2008fexbile软件，根据现场需要，组态各种页面，控制各种变量。非常直观的显示各个电磁阀状态，以及各个压力，温度，液位，燃气浓度的当前值。

5.2上位机软件，采用亚控公司的组态王，组态各种页面，用于参数设置，数据的实时记录，报警的记录等，维护控制着整个系统的安全运行，及时的通知站上管理人员。

6.主要设备选型

本项目的主要工艺设备为LNG转运橇。LNG转运橇上布置1台容积为60m3的立式低温储罐、1台加气机、1台低温泵、1台卸车增压器和1台储罐增压器，其中低温泵采用进口设备。以上这些设备通过管道连接，在制造厂集中固定在一个橇块上。

6.1LNG储罐

隔热方式为夹层抽真空，填充粉末（珠光砂），常用于小型LNG储罐。真空粉末绝热储罐由于其生产技术与液氧、液氮等储罐基本一样，因而目前国内生产厂家的制造技术也很成熟，运行维护也相对方便、灵活，目前气化站使用较多。

6.2LNG低温泵

LNG低温泵均采用国外进口ACD泵。LNG低温泵的流量根据汽车加气站的设计规模及加气机的流量选定，本项目LNG低温泵的设计流量为0～300L/min。

6.3卸车增压器

卸车增压器是完成卸车的设备之一，选用空温式换热器，增压器借助于列管外的空气给热，使管内LNG升高温度并气化。空温式换热器使用空气作为热源，节约能源，运行费用低。本项目选用处理量为200m3/h的卸车增压器1台。

6.4加气机

加气机是给车载LNG气瓶加气和计量的设备，主要包括流量计和加气枪。流量计是计量设备，采用2只质量流量计，具有自动温度补偿功能。加气枪是给车载LNG气瓶加气的快装接头，本项目选用流量为0.15m3/min的加气枪。

6.5储罐增压器

储罐增压器是完成储罐升压升温的设备之一，选用空温式换热器，其设计参数计算及设备选型与卸车增压器相同。

7.结束语

在汽油，柴油价位高居不下，LNG橇装汽车加气站推广，推动LNG汽车的应用，为改善城市空气质量，促进城市经济和建设的可持续发展，为建设资源节约型、绿色环保社会作出积极贡献。