天然气输配站自动控制系统方案设计

1绪论
1.1天然气输配技术的发展
自国家提出西部大开发战略决策以来，西起塔里木东抵上海的“西气东输”天然气管道系统，以及西起四川川东北东抵上海的“川气东送”天然气管道工程，引起了国内外广泛的关注。

它们的相继建成极大的改善了我国的能源结构，有效的治理大气污染，同时带来了更为显著的经济效益。

我国有丰富的天然气资源，全国新一轮资源评价结果认为：目前，我国有超过47万亿m3天然气资源量，丰富的天然气资源为我国大规模地利用天然气提供了可能。

随着我国天然气事业的不断发展以及对环保事业的不断推进。

天然气将成为我国未来的主导能源，与之密切相关的天然气输配技术必将同时得到极大的发展。

天然气输配技术的发展一直是关系着国计民生的大事。

随着我国经济的迅速发展，以及城市化进程的不断推进，城市人口的增多带来了天然气用气量的猛增；加之国家对于环境保护的日益重视，加大了天然气在能源结构中的比重。

近年来国家和政府都对天然气的发展加大了投资力度，从国外引进并自己消化吸收创新了一系列先进的设备和先进的工艺技术。

这些先进的工艺技术无疑对控制系统的升级提出了更高的要求，但是由于历史和现实的种种原因，我国天然气控制系统到目前为止的总体发展水平和国际上的先进水平还有不小的差距，发展也不均衡。

特别是一些旧的监控系统在目前的网络时代、计算机时代所暴露出来的问题更多，濒临淘汰。

所以在吸收国外先进经验和充分了解工艺过程的基础上研制和开发性价比更高的天然气输配站计算机自动控制系统产品已是一个迫切的问题。

1.2天然气输配技术现状
目前天然气输配站的站控系统大多采用二次仪表系统，主要的功能如下：现场的压力、液位、温度通过现场各种变送器将信号传至表盘上的无纸记录仪显示、记录，报警信号由闪光报警仪发出声光报警。

如有情况发生，可通过设在现场及表盘上的紧急切断按钮手动对每个切断阀分别实现控制室和气化站现场的两地快速切换控制；为了便于事故状态时能够同时切断所有的快速切断阀，还设计了一个盘装总控制按钮和一个现场总控制按钮，以分别实现在控制室和现场对所有
的切断阀的同步快速切断控制。

技术更为先进的天然气输配站已经运用了SCADA系统。

SCADA系统，即数据采集和监视控制系统。

它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

1.3设计的目的及意义
针对以上提到的天然气输配站的现状，其现有技术已经开始显现其不足之处。

迫切需要更加先进的技术取而代之。

罗克韦尔自动化是一家工业自动化跨国公司，其业务范围覆盖工业自动化的许多领域。

自二十世纪八十年代中期进入中国市场以来，罗克韦尔自动化一直致力于帮助各种行业的客户实现生产现场与企业信息的集成。

拥有A-B （Allen-Bradley）等知名品牌。

罗克韦尔自动化可为多种多样的制造加工企业提供工业自动化解决方案，包括：交通、电力、水/废水处理、石油天然气、冶金、橡胶和塑料、汽车、制药、纺织、食品及基础设施等。

罗克韦尔已经针对全球的许多工业领域开发出一个巨大的应用知识库。

本设计题目根据天然气输配站的现状，本着安全可靠，简单实用的原则，在提出的方案设计中，力求以发挥罗克韦尔自动化开放的现场总线网络Netlinx体系为基础，人机界面交互软件RSView32为核心，以数据库技术提供控制策略，计算机和网络技术提供实现方法，采用控制器、驱动、网络构架及工控软件产品。

为某天然气输配站提供一个多级的、开放的、模块化的、实时多任务集散型的控制系统和具备数据采集监控分析功能的SCADA子系统，满足天然气输配站局部生产流程对自动控制系统的要求。

2 方案选择
2.1方案比较
自动控制的目标是通过自动检测仪表测得的参数，经过控制计算机的分析处理后，为满足生产的要求得出有效的控制方案，并发送控制信号，使现场控制器调节各设备装置，达到控制要求。

对于传统的二次仪表系统有明显的缺点，二次仪表系统的控制线路复杂，要实现简单的单回路控制，需要在各种二次仪表之间来回接线，达到信号的输入输出来实现回路控制，这样仪表盘内的布线非常复杂，如果出现线路或者仪表故障，查起来很麻烦。

对于现在的SCADA系统，虽然相对传统的二次仪表系统有了长足的改进。

但是相对于天然气输配技术发展的要求来说，还是有很大的提升空间。

比如，降低对传输介质的依赖性，减少控制系统中各层网络之间访问的局限性等。

而基于NetLinx的罗克韦尔自动控制方案具有设备层，控制层，以太层三层网络结构。

而设备网具有了二次仪表的功能，而控制网和以太网则是对整个控制网络的优化与完善。

2.2 方案论证
Netlinx是罗克韦尔自动化推出的一种开放式网络体系，它不是单一的网络结构，而是一种不依赖于网络介质的网络体系。

Netlinx将网络服务、通用协议和开放式软件接口有机结合,它保证了控制数据高效传输，并实现了信息从底层的设备网到上层信息网络的无缝流动。

Netlinx与其他工业控制网络相比，具有突出的优点。

它采用由Net和Linx （开放式接口）组成的结构，能更有效的实现系统组态、数据采集和控制。

Net 是基于生产者/消费者的通信模型，定义了一系列超级服务协议：它支持多播式、事件触发、周期性触发等发送机制；它完全独立于网络介质，可在不同的网络介质中组态。

控制层/设备层利用现场总线技术把现场设备的信息作为整个企业信息网的基础，提高了控制系统的信息处理能力和运行可靠性，方便了用户对系统的组态、管理和维护。

这种开放的现场总线网络集成了多种网络服务，采用通用的网络协议和开放的软件接口，保证了无缝的信息和控制数据流传输，可以方便
地与Intranet、Internet连接起来，使得本来就很强大的网络功能更加强大。

图2.1所示罗克韦尔的NetLinx三层网络。

图2.1
因此综上所述，本设计选取罗克韦尔的NetLinx三层网络自动控制方案。

3 方案设计与硬件选型
3.1 方案设计
3.1.1 某天然气输配站
某天然气输配站基本情况如图3.1所示
图3.1 某天然气输配站生产流程图
球形天然气储罐的压力在0.8MPa～1.6MPa，温度在10℃以下。

球罐体积5000 m3左右。

离心式压缩机前段管道压力在1.2MPa左右，离心式压缩机压缩比在4左右。

管道温度在30℃左右，流量在2000 m3/min，管径为426mm，管壁厚7mm。

3.1.2 生产流程
天然气进口处设有手动阀门，以防紧急情况下在电动阀门失去功能的时候手动关停。

关闭电磁阀①，天然气进入离心式压缩机组，对天然气进行加压。

当天然气从上游管道进入压缩机组时，首先进入除尘器（图中未标出），去除天然气在管道输送中混入的杂质，防止对离心式压缩机的叶轮造成损害。

电磁阀①的作用在于当压缩机组故障时，可以使管道继续输送天然气，不至于对生产造成重大损失。

FT流量变送器的作用在于检测天然气流量。

并且当检测出离心式压缩机的出口容积流量Q1小于固定极限流量Q2（即防喘振最小流量）时，开启电磁阀③增大回流量，防止喘振的发生。

当离心式压缩机正常工作以后，关闭电磁阀③，从压缩机组出来的天然气经过流量计计量。

电磁阀③的作用还包括当压缩机组故障检修时，保证天然气继续输送的功能。

其中储气罐的功能是为了保证天然气的供应平衡，起调峰的作用。

当下游天然气用量处于低峰时，可以往储气罐注入天然气；当下游用气高峰到来时，上游管道的输气能力无法满足要求的时候，可以开启储气罐，以提高输配站的天然气供气量。

所有的电磁阀门都配备了手动阀门，以预防故障发生时能正常生产及维修。

流量变送器，温度变送器，压力变送器检测的参数值以标准电信号的形式传送给I/O模块，通过I/O模块传送至控制器，控制器根据设定的程序算法进行分析计算，并得出控制方案。

这些控制方案包括：各电磁阀的相互协调开启与关闭，变频器调节压缩机转速，故障时发生报警及采取紧急措施等。

整个生产流程图上显示1个储气罐温度检测点与1个压力检测点，离心式压缩机组段的1个流量检测点，天然气管道上的2个温度检测点和2个压力检测点。

3.1.3 控制方案
此天然气输配站自动控制系统方案采用罗克韦尔NetLinx三层网络架构。

如图3.2为图3.1天然气输配站生产流程的控制方案原理框图。