基于PLC的CNG气站联动报警控制系统应用研究

发布时间：2016-06-25 22:25

第 1 章  绪  论 

1.1  课题来源、背景及研究意义
为了进一步保护环境，合理利用有效的化石能源，我国正在积极推进将天然气作为城镇主要燃料，目前正在加速建设建设中的西气东输线路，将极大的推动中国快速步入规模化天然气应用大国行列。天然气作为一种新型的清洁能源，非常适用于各种领域，尤其在促进经济持续发展和能源消费结构调整等方面显现出越来越重要的作用。在最近几年里，因积极响应满足拉动内需的要求，所以汽车行业的迅速高效发展，并所取得了辉煌的成就。但是同时带来了两个重大的问题：环境的进一步污染和引起化石资源的短缺。因我国的石油资源并不是非常雄厚，其中每年依赖于进口的原油比重在总量中占相当大的比例，而汽车产生排放的污染物已经成为大城市空气的主要污染源头，其中雾霾就是一例。随着洁净能源行业的迅速发展和人们对生活质量要求的不断增长，以及环境保护意识也逐步增强。因此目前国内的 CNG 汽车迅速普及，与之配套的 CNG 加气站也得到了快速的发展。与此同时，国家发改委规定城市燃气为天然气优先利用领域，同时作为城市燃气的重要组成部分，城市车用压缩天然气(CNG)的利用将成为市政工程的重点扶持项目。而且对改善城市内交通结构配置，以及对缓解成品油供应紧张局面、降低化石燃料的使用比例起到至关重要的作用[1]。 常规的 CNG 加气站有母子站和标准站这两种型式。CNG 母站因出于安全因素的考虑，多建在城市的郊区，它的气源是来自于市政天然气的高压管网，标准的进站压力一般为 1-1.5Mpa，通过过滤计量后进入到干燥器进行下一步的脱水处理，经过干燥后的气体进入压缩机进行压缩，然后通过储气瓶槽车运输到目的地子站给 CNG 汽车加气，子站也兼有标准站的功能。CNG 子站通常将地址选在市内的郊区，以方便车辆加气，或者直接将气站建设在没有燃气管道敷设的乡镇工业园区，为当地工业园区的相关企业提供天燃气。母站通过应用压缩机然后进一步将天然气进行加压后进行储存，专用运输车然后将 25Mpa 的压缩天然气运往目标子站，到达子站后通过子站的基础设施给 CNG 汽车加气。标准站一般直接从城市的中压管道取气，这种方式比母子站的结构更为方便，但有时候会影响城市中压管道的压力，给周围居民用气造成影响。 
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1.2 CNG 加气站国内外研究现状
中国石化集团所属的江汉三机厂、重庆的气体压缩机厂、自贡高压容器厂和川中的 CNG 技术开发公司等国内一些机械厂商的机械产品，已经基本反映了我国 CNG 加气站的制造技术水平[2]。（1）加气站总体结构以分布来划分可以分为撬装式结构和开放式两种。中石化江汉三机厂的产品主要采用撬装式结构，国内其他厂家生产的机械产品基本上则都是属于开放式结构，气站的主要设备(比如脱硫设备、干燥设备)体积相对比较庞大，所以应采用水冷却和后置净化干燥处理的方式，因为管路复杂，所以对它的质量控制存在一定的困难。（2）国内的天然气压缩机配套设备与国外同行的产品相比，因各种原因，目前仍然存在较大的差距，市场上应用的压缩机国产设备，只有重庆气体压缩机厂和自贡高压容器厂这两家可以制造，而其他几个厂家仍然处于实验摸索这一阶段。（3）脱水干燥器主要还是采用后置高压处理。因设备拥有自身体积窄小，经处理干燥后的气水露点温度可达到均值-60℃以下，等其他干燥方式不具备的优点。因设备的压力值往往可高达 25MPa，所以对容器的过程制造工艺存在着较为苛刻的要求，而且干燥器的气水分离方式为水冷式，因此硬件需要配置一个很大的水池，对应冷却塔要求也较高，使得整个系统的构造比较复杂而且成本高昂。因国内不同区域天然气的气质构成不同，所以含硫量也不一样，因此脱硫装置的配置也不同。比如四川盆地出产的天然气最低含硫量为 0.02g/耐，最高则可达到491.59/m3。（4）因国内的标准气站联动控制一般都相对比较简单，即为常见的电器控制，但目前的发展趋势是正在向计算机控制系统转变。（5）目前国内绝大多数售气机厂家所制造生产的机械设备，自身的技术性能和精度均偏低，而且它们的稳定性和可靠性都比较差，所以故障、返修率都较高。 与之相对应的国外 CNG 加气站站控设备和系统控制技术的发展趋势，则是以美国安吉公司(ANGI)、加拿大 IMW 公司、意大利新比隆公司(NUOVOPIGNOE)和日本石川岛播莫公司等厂商的产品为代表。 
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第2章  CNG加气站工艺流程简介

依据《中华人民共和国国家标准汽车加油加气站设计与施工规范》与 CNG 加气站的管网控制工艺要求相结合，然后设计加气站的联动控制系统。目前国内外建成并使用的 CNG 加气站，一般都是由 6 个子系统组件而成，它们分别为气化、调压计量、净化干燥、气体压缩、储气和售气系统。这种子系统配置，由于我国幅员辽阔，所以对于不同海拔地区、不同外界环境条件的实际用户来说，所要求的设备配置是不同的，不过作为一个完整的加气站系统，这 6 个模块却是缺一不可的，细节则可以根据需求进行调整[5]。其结构图如图 2.1 所示。

2.1  气化区
CNG 加气站的气源来自于建在郊区的母站。母站的天然气以液态的形式通过槽车运输到子站，在子站的卸车区将液态天然气卸载到储罐中。储罐中的液态天然气只有经过气化，才能被压缩机压缩成指定压力的气态天然气工供应给 CNG 汽车。气化方法一般有两种：空温气化法和水浴气化法。空温气化器的工作原理是利用空气自然对流加热换热管中的低温液体，为的是使液体完全蒸发为气体，它是将空温式和加热式汽化功完美结合的一种高效节能换热设备。水浴气化器则是一种通过低温液态气体与热水交换后，然后使低温液态气体气化成为气态气体的一种小型设备。可以看出空温气化器和水浴气化器的主要目的是把液体天然气气化成气体天然气。 温度传感器检测从空温气化器送来的气体温度，并将检测信息送至控制器 PLC，控制器 PLC 根据相应的程序判断，如果温度大于 10℃，则打开直通阀，关闭水浴气化器阀，气体不需要进一步的气化；否则，关闭直通阀，打开水浴气化器阀。这样做的目的主要是为了节能。 
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2.2  调压计量区
调压计量这一区域当中，它的工作是由调压计量撬来完成，主要为了使通过输气管道传送来的天然气压力保持一致稳定，而且是为了满足压缩机对入口压力的要求，同时对将要输入气站的天然气气体进行进一步的计量统计。 市场中常用的撬块式调压计量装置，它的一般特征为进气汇管、出气汇管和调节汇管平行排列在矩形撬块上，是与矩形撬块横向平行的，调节汇管在前，出气汇管在中，进气汇管在后，并在进气汇管和调节管两端之间水平设有两条并联计量管，同时在每条计量管上逐序设有控制阀、过滤器、压力表、流量计和控制阀；在出气汇管上中部设有带 90°弯头的出气管，在进气汇管中侧部设有一个进气口；进气汇管和出气汇管上安装安全放气阀。通常是由矩形撬块、调节汇管、控制阀、计量管、流量计、调节阀、调节管、进气汇管、进气口、出气汇管、排污管和安全放气阀等这些组件组成的。
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第3章CNG加气站控制系统设计......11
3.1系统总体方案设计.........11
3.2系统总体结构图....14
3.3安全预警及管网联动控制......15
3.3.1站区各环节安全预警与联动措施...........15
3.3.2联动控制表..........19
3.4关于ZigBee的可燃气体泄漏无线检测定位技术......26
3.4.1ZigBee无线网络的特点与优势......26
3.4.2无线传感器网络的结点定位..........27
3.4.3数据的发送与接收........28
3.5可燃气体探测与火灾报警控制系统........26
3.5.1监测点布置..........26
3.5.2硬件简介.....27
3.5.3Modbus协议简介.........28
3.5.4PLC和可燃气体控制器基于Modbus协议的通信....29
3.6本章小结......33
第4章基于组态王的监控系统设计..........34
4.1组态王软件简介....34
4.2监控系统要求.......35
4.3监控系统组态.......35
4.4本章小结......41

第 4 章  基于组态王的监控系统设计

在分析清楚加气站管网联动控制的前提下，上述两章着重论述了加气站各个工艺环节监测点的模拟量监控子系统和安全预警与联动响应子系统，主要有管网联动参数的设置、通讯网路的搭建等。本章主要是以上述两章为基础，构造上位机监控平台，完成传组态王界面的设计，从而完成监控与管网控制系统联动的设计与实现。 

4.1  组态王软件简介

作为一种工业通用的上位机控制软件，组态王将现场操作、过程控制设计及工厂管理整合为一体，使内部大量的生产监控系统与应用融汇在一起，系统的实现了最优化管理。组态王支持兼容客户模式和 Internet 浏览器等技术，能依项目现场实际的网络规模大小，将项目中不同的站点根据需求设计成不同类型的服务器，同时可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。组态王不但适用小型设备的生产过程监控管理，而且还广泛应用于具有分布式网络结构的大型综合监控一体化系统[41]。组态王应用内嵌式的报表系统，功能强大，而且针对图形可进行动画连接、定义、修改等一系列操作;为系统通讯增加在线连接、故障诊断以及许多具有实际意义的辅助工具，使操作简单易行。组态王软件所构成的系统一般是由以下几部分构成：（1）工程管理器：工程管理器：新项目工程的创建同已存在的工程管理都是由工程管理器来实现的，它将会对已有的项目进行添加、搜索以及实现数据词典的导入和导出，以满足实际需要；（2）工程浏览器：作为工程设计与开发工具，工程浏览器是为了方便创建显示监控画面并设置相关参数、完成相应的动画连接、编辑命令语言并设定运行系统配置的组态工具。工程浏览器可以查看、配置工程的各个组成部分，可以通过调用画面开发系统和画面运行系统完成工程开发和调试；（3）运行系统：在系统的运行界面中，当采集设备把相应的通讯数据发送给系统后，系统会跟据工程浏览器所提供的动画设计来进一步实现动态画面，进而实现工程师与设备的人机交互。

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总结

本文主要是分析 CNG 加气站站控系统的要求，探讨了由现场变器、PLC、计算机组成的站控系统的功能；CNG 加气站现场的运行参数的收集以及基于设定报警值进行联动控制的设计。介绍了加气子站的组成部分、主要设施、工艺流程，并在管网的控制部分增加了联动控制，提高了安全系数。本文研究工作主要分为以下几个方面进行。 
1.介绍目前国内 CNG 加气站的发展以及它们的研究现状。 
2.针对加气站过程工艺的要求，，简要介绍了 CNG 气站主要的四个系统：脱硫脱水系统、压缩机系统、储气系统，以及加气系统。本文一方面对各个系统的主要作用和流程进行分析，研究的内容如 CNG 加气站智能监控系统总体构架，控制系统网络结构研究与设计；控制系统硬件结构的配置与优化，另一方面基于工艺要求，确定了正常运营中需要检测和控制的参数。通过对气站的工艺系统进行优化，从而对气站的应用方面提供有效的支持。 
3.根据气站要求和总体设计目标，介绍了 CNG 加气站控制系统和各系统总体方案设计，以及试验联动控制系统，设计了安全预警及管网联动控制，并且针对管线及试验工艺要求，介绍了站区各环节安全预警与联动措施、可燃气体探测与火灾报警控制系统；基于上述的硬件设计，介绍了以西门子 s7-300PLC 作为系统控制器，采用串行通讯模块 CP341 与外接设备通讯，分析阐述了基于组态王的监控系统软件，最后，针对试验网络构架，在对通信技术研究的基础上，介绍了 PLC和可燃气体控制器基于 Modbus 协议的通信以及基于 RS485 的网络拓扑结构，详细说明了采取的通信协议、数据传输的内容。 
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参考文献(略)

本文编号：61533