基于S7—400的冗余自动化控制系统在装车站中的应用

岳良武*

（中国石油塔里木油田分公司基建工程处）

基于S7—400的冗余自动化控制系统在装车站中的应用

岳良武*

（中国石油塔里木油田分公司基建工程处）

本文介绍了基于S7—400的冗余可编程控制器（PLC）在装车站自动化控制系统中的应用。通过建立南、北站的PLC控制系统，实现了各自站内的温度、压力、流量、液位、消防控制等仪表信号的采集、显示、报警、联锁、控制等功能，系统的电源、控制器、网络交换机和计算机都相互冗余并自动切换，达到了油田逐步弱化南站功能、集中北站控制的运行思路要求。新的控制系统使装车站的储运控制更加安全、可靠，实现了对现场设备的集中控制和信息资源共享，促进了装车站过程控制和信息管理的现代化。

PLC；冗余；自动化控制；装车站；工艺设计；集成；性能

新疆某油田装车站作为集凝析油、液化气收、存、销为一体的综合性装车站库，是我国西部较大的一个凝析油储运站库，也是油田凝析油火车外运的总出口。为使石油产品的储运相对稳定、安全，在该站建立自动化控制系统尤为重要。针对装车站南站与北站的实际相距距离、仪表功能以及数据通讯等特点，自动化控制系统设计选用SIMATIC全集成自动化技术，分为南站改造和北站扩建两个部分，即南站凝析油、液化气工艺监控和消防控制；北站轻烃、液化气、凝析油工艺监控和消防控制。

1 原工艺系统及存在问题

1.1 原工艺系统

装车站原来只有装车南站，建有凝析油储罐4座、液化气储罐2座及与之配套的消防设施等。主要工艺分为3部分：凝析油系统、液化气系统和消防系统。主要自动化设备有电动阀、电动泵、液位计、温度计、流量计、压力计、可燃气体报警探测器等，均分布在这3个工艺系统中。

原有的自控系统采用常规仪表控制系统及数据采集系统，用盘装仪表完成消防系统的联锁控制功能，数据采集系统完成数据的采集、显示、报警等功能。

1.2 存在问题

装车站原有储存品种为凝析油、液化气，没有轻烃储运设施。无论是储存规模还是储存品种，均不能满足新建的两个主力凝析气田开发后的要求。2号稳定轻烃在市场上处于供不应求状态，由于该装车站没有2号稳定轻烃储存设施，2号稳定轻烃和凝析油混合后按凝析油价格销售。根据目前的定价原则，轻烃销售价格不低于原油价格的1.1倍计算，原有运行状况给油田的生产效益造成了巨大的经济损失。

原有的控制系统除消防系统基本实现逻辑控制、液化气气出口和液出口实现紧急控制功能外，其他凝析油和液化气进站、转储、装车、卸车等工艺环节均未实现自动化控制，只能进行集中监测。

2 工艺系统改造

为满足油田目前已投入开发的凝析气田的产量和后期将要开发的凝析气田的预测产量的要求，满足油品储运的要求，装车站的改扩建项目选在原站址北侧，扩建2座20 000m3凝析油储罐、2座10 000m3轻烃储罐、8座2 000m3液化气储罐、凝析油装车栈桥及相关设施。根据工艺区域划分，原有装车站称为南站区，原站址北侧扩建部分称为北站区，两站主要工艺设施相对独立，站间要求实现数据通信，尤其实现北站区系统对南站区系统的远程控制。因此，北站区需新建控制系统，同时对南站区控制系统进行改造。

3 控制系统设计及结构

3.1 控制系统设计

建立南、北站的PLC控制系统，完成各自站内的温度、压力、流量、液位、消防控制等仪表信号的采集、显示、报警、联锁、控制等功能；北站PLC系统通过双光纤接收南站PLC系统传来的数据，同时通过光纤传输控制信号，对南站区系统进行远程控制。

北站PLC系统同时接收上游新建的两个作业区（1站、2站）通过通讯光纤传来的数据，实现信息资源共享，为计算机信息管理和生产调度、计划、管理及经营决策提供实时信息，做到生产管理自动化。

3.2 控制系统结构

南、北站彼此独立，但又相互联系。各站由PLC冗余CPU组成，站间通过通讯模块经工业以太网进行通讯；各站内部采用总线进行组网，采集模块与工业仪表进行数据交换。采用开放的高速通讯网络，模块化结构设计，即插即用卡件、自动识别系统硬件，操作维护不必停车，系统实现真正的在线扩展。具有设备自诊断功能，能够分析模块等设备的故障，一旦任何硬件出现故障，画面即显示报警，同时，工业微机作为人机界面完成自动化控制系统的监视和控制。其系统结构见图1。

图1 装车站PLC控制系统结构示意

4 控制系统集成

控制系统采用全集成自动化产品，由S7—400系列的CPU414—4H及PROFIBUS—DP通信模块、扩展I/O模块等构成数据采集子系统，通过PROFIBUS总线集成系统。系统分南北两个站区，控制中心设在北站区，在北站区实现对南北两站的系统控制。

4.1 南站区PLC系统

在已建仪表值班间设置一套PLC系统。由PLC系统取代常规仪表控制系统、数据采集系统。站内原有温度、压力、流量、液位、消防控制等仪表信号由原有的传输到仪表盘、数据采集系统改为传送到PLC系统。通过PLC完成被测参数的采集、显示、报警、联锁等功能，PLC系统与凝析油循环加热炉等橇装设备通过RS—485接口、MODBUS RTU通讯协议或其他协议传输数据。南站区PLC系统同时将信号通过双路通讯光缆上传至北站区。

4.2 北站区PLC系统

在北站区新建中控室，设置一套PLC系统，下设一个分布式远程I/O站，设置在远程I/O室，远程I/O站通过现场通讯总线，将现场信号传输到中控室（相距400m）的PLC系统中央处理器，同时，将中央处理器发送的控制信号送至现场。

5 控制系统功能

改造后的系统的电源、控制器、网络交换机和计算机都具有冗余设计，相互冗余并自动切换。系统根据装车站的工艺特点，按工艺流程分类图形化设计，具有友好的人机界面，方便直观、易学易用。各种模块之间可进行广泛组合用于扩展，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。数据传输率可达12Mbit/s。通过开放的、标准化的现场总线系统来连接部件，采用点对点协议的、具有MODBUS通讯接口的智能设备进行通讯和数据采集。具有PLC模块故障诊断功能，能够对CPU的电池故障以及I/O模块的热插拔进行故障判断，系统以画面图元闪烁的形式通知工程技术人员和系统维护人员，便于迅速查找出故障所在位置，并解决问题。测量具有稳定、精确、传输距离远的优点。

6 运行效果

工艺改扩建充分利用已有设施，通过改造，在南站区实现2号稳定轻烃和液化气的装车功能，保留了原南站区的其他辅助功能；在北站区，新建凝析油、2号稳定轻烃、液化气储罐及凝析油装车设施和配套设施，实现北站区的凝析油的装车功能。达到了凝析油为180×104t/a、液化气为25×104t/a、2号稳定轻烃为35×104t/a的储运规模，满足了油田凝析油、液化气、轻烃对装车站的储运能力的要求，实现了这3种产品的分储分输的生产管理要求。

新的控制系统实现了凝析油、轻烃、液化气主要工艺系统中进站流程、装车流程、返输流程、循环加热流程、倒罐流程、密闭装车放空流程等重要工艺流程及主要配套流程（包括消防、火炬等）中关键控制环节的自动控制功能，保障了装车站区各主要工艺流程系统的安全平稳运行。

对南站的控制系统进行完善，实现了南站对其主要工艺流程的控制功能，实现了北站区对南站区所有控制信号的远程控制，满足了油田逐步弱化南站功能、集中北站控制的运行思路。接受、显示上游重要站场的相关生产数据，实现上、下游信息资源共享。系统具有良好的可扩展性，在随后进行的装车站进站阀组的扩建项目中，仅增加了几个I/O模块就平稳实现了系统的在线扩展。

通过S7—400的冗余自动化控制系统的应用，装车站自动化控制系统成功地实现了其方案设计功能，在生产运行中使装车站轻烃、凝析油、液化气的储运控制更加安全、可靠。同时，系统的设计采用当前先进的技术和设备，具有一定的先进性、可扩展性。实际运行证明该系统效果良好，促进了装车站过程控制和信息管理的现代化。

[1] 邱公伟.可编程控制器网络通信及应用[M].北京:清华大学出版社,2000.

[2] 毛雪珍,颜文俊.S7—200系列PLC与WinCC通信实现研究[J].工业控制计算机,2005,18(2): 36-37.

TE978

A

1004-2970（2011）05-0042-03

岳良武. 基于S7—400的冗余自动化控制系统在装车站中的应用. 石油规划设计，2011，22（5）：42～44

* 岳良武，男，工程师。1998年毕业于江汉石油学院电子仪器及测量技术专业，获工学学士学位。现在中国石油塔里木油田分公司基建工程处，长期从事油气田地面建设工作。地址：新疆库尔勒塔指基建工程处， 841000。E-mail：yuelw-tlm@petrochina.com.cn

2010-09-27

谷风桦