基于Citect和冗余PLC的煤层气集输控制系统

朱光灿

（山西铭石煤层气利用股份有限公司，山西 晋城 048006）

0 引言

早期煤层气长距离输送由于下游用户需求量较小，对场站的输送能力要求不高，因此场站采用常规仪表检测并且就地控制。随着下游电厂装机容量的增大，对集气站煤层气输送的压力及浓度要求不断提高，从而对与之相匹配的煤层气集输控制系统要求也变得越来越高，煤层气集输控制系统逐渐发展成为集成了现场总线、可编程控制技术和网络技术等多种先进控制技术的SCADA自动化监控管理系统，同时对系统进行了冗余设计，可以有效地保证系统的可靠性及稳定性，降低了控制系统的故障率。

1 煤层气集输控制系统总体结构框架

煤层气集输是指将煤炭矿井下抽采的低浓度煤层气进行集中储存、混气、压缩、脱水和计量的一整套煤层气输配工艺流程。铭石公司高庄集气站煤层气集输工艺流程主要分为气柜储存流程、混气流程、加压流程、脱水流程和计量流程5部分。整个工艺流程是将矿井低浓度煤层气进行集中储存，根据浓度需要进行配风混气，然后进入压缩机进行增压，对压缩后气体进行脱水处理，最后通过计量系统对外输气体体积进行测量，其工艺流程如图1所示。

该煤层气集输控制系统整体采用三层结构（控制层、网络层和上位监控层）的经典模式，控制层采用基于Profibus－DP现场总线及工业以太网实现，主要包括工艺流程各部分控制器S7－200系列PLC、主控制器S7－400H冗余PLC、ET200M 分布式I/O模块、冗余以太网通讯模块及现场总线；网络层主要采用工业以太网实现各受控设备控制器之间的数据交换；上位监控层基于Citect组态软件的主从服务器对各受控设备的状态进行集中监控。煤层气集输控制系统总体结构框架如图2所示。

图1 煤层气集输工艺流程图

图2 煤层气集输系统控制系统框架

2 煤层气集输控制系统的设计

2.1 现场控制层的设计

现场控制层由2个控制器为冗余的S7－400H PLC的主站和9个控制器为S7－200PLC的从站构成。其中9个从站分别为7台燃气压缩机控制系统及2台脱水控制系统。主控PLC均采用西门子CPU226CN，并配置了CP243－1以太网模块与其他站进行通信。2个主站负责其余设备的控制，配置了西门子S7－400系列冗余PLC与西门子ET 200分布式I/O结合的方案，模块化、智能化的分布式I/O设备使系统的扩展性得到了提高，同时高传输速率的Profibus－DP总线保证了控制器与I/O系统的高效通讯。

2.2 网络层的设计

由于各控制器均配置了以太网模块或以太网端口，因此网络层主要是通过工业以太网实现各部分控制系统及上位监控的通讯，上位监控Citect组态软件可以通过IP寻址定位到各控制PLC，实现现场数据的实时监控。

Citect与西门子PLC之间的通讯需要先安装西门子以太网驱动psdirect驱动，然后安装Siemense industry Ethernet软件，最后对该软件进行系统配置。在配置Siemense industry Ethernet软件时，先选择TCPIP通讯协议，然后在PLC Device List中点击Add按钮添加要连接的PLC，在Device Name中给各控制PLC命名，此处的命名应该与后面设计Citect时定义的设备名称相同，否则连接的PLC就无法与Citect软件进行通讯；在PLC Type里选择S7－400，并配置双CPU冗余。Siemense industry Ethernet软件配置如图3所示。

图3 Siemense industry Ethernet软件配置

2.3 上位监控层的设计

本设计的上位监控系统是采用Citect V6.10开发的，Citect组态软件建立的工程由建立通讯、创建变量标签（Variable Tags）、绘制画面、添加控制、报警和事件处理、安全机制、Cicode语言组成，可实现对整个煤层气集输系统各工艺部位的运行情况进行实时监控。

本系统上位监控层配置了2台工控机，分别为Citect Server和Citect Client。其中Citect Server主要负责采集工艺过程中的实时监控数据，而Citect Client则主要负责采集现场流量信号、组态报警、趋势、报表等任务。

3 冗余设计

冗余控制根据冗余实现的方法可以分为软件冗余和硬件冗余。软件冗余初步投资较小，通过软件设计进行数据读写、储存以及故障时的自动切换，其系统维护比较复杂，只能由专门的设计人员完成，因此只适用于生产工艺流程要求不高的场合。而硬件冗余设计之初就需要配置两套完全一样的系统，因此前期投入较大。硬件冗余系统一般配置一套主、备用控制器，备用控制器闲时从主控制器中复制全部程序及系统数据备用，当系统异常时，自动实现无间隙切换。这种冗余方式系统维护相对简单，性能可靠，适合生产工艺要求高、反应速度快的危险工业场合。签于煤层气场站的实际情况，因此本煤层气集输控制系统选择硬件冗余的控制方案。

3.1 硬件配置

要实现硬件冗余，需要配置2个安装机架UR2－H（9槽ALU）机架，2个电源模块PS 407 10A，2个容错CPU414－4H，2根光 缆；ET200M 分布式I/O 设 备配置2个IM153－2，3个数字量输入模块，2个数字量输出模块，3个模拟量输入模块，1个模拟量输出模块，2根PROFIBUS屏蔽电缆及相应的DP连接器。

3.2 硬件组态

硬件组态使用STEP7软件中的HW－Config功能，同时需要对系统各硬件组成部分进行相应的参数配置。煤层气集输系统硬件组态图如图4所示。

图4 煤层气集输系统硬件组态图

对中央处理单元只需对CPU0（机架0上的CPU）设置CPU参数，所设定的数值将自动分配给CPU1（机架1上的CPU）。需要设置的参数主要有扫描循环监视时间、过程输入输出映象，出现I/O访问错误时调用OB85，还需要设置诊断缓冲区中的报文数量，模块的监控时间以及CPU的自检周期。特别需要注意的是在每次修改硬件配置或退出HW Config之前一定要对硬件组态进行编译。

3.3 通讯组态

首先，主、备控制器之间需要进行同步光缆连接，保证冗余PLC之间同步通讯的正常进行；其次，在冗余PLC和冗余的ET200M分布式I/O通讯模块之间配置双Profibus－DP网络，Profibus－DP现场总线采用双线电缆传输，传输速率可以从9.6kb/s到12Mb/s，实现主站与从站间的数据传递，冗余的Profibus－DP网络配置使得中央处理单元程序同时监控两套通讯模块的状态及网络通讯质量，起到限定当前工作通讯网络和后备通讯网络的目的；最后，在各部分控制器S7－200系列PLC、主控制器S7－400H冗余PLC以及上位监控服务器之间通过配置专用的工业以太网交换机，进而实现上位监控层与管理层的无缝连接。冗余连接网络如图5所示。

4 结论

采用基于Citect软件平台开发的煤层气集输控制系统，给操作人员提供了友好的操作界面。实际运行证明，该控制系统网络层次分明，而且故障率较低，具有较高的系统可靠性和稳定性，能够完全满足场站集中监控的需求。

图5 冗余连接网络图

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