基于PLC的煤层气无人值守集气站控制系统

陈光益，周杨飞（中石油煤层气有限责任公司忻州分公司，山西 忻州 036699）

基于PLC的煤层气无人值守集气站控制系统

陈光益，周杨飞（中石油煤层气有限责任公司忻州分公司，山西 忻州 036699）

随着煤层气气田数字化水平的不断提高和低成本开发的需要，集气站逐步向无人值守方向发展，本文以中石油煤层气保4无人值守集气站的实际建设为实例，从硬件系统、软件系统两方面描述了无人值守集气站的结构和工作过程；自2015年5月该无人值守站投产运行以来，经过长时间的完善,目前无人值守站系统运行效果良好。自该系统运行以来，作业区监控室得以实现24h不间断实时监控集气站生产运行情况，遇到紧急情况可以在第一时间发现，并且进行远程控制和指挥。最大程度为集气站安全平稳运行提供保障，同时降低了员工的生产劳动强度改善人员生活环境。

煤层气；无人值守；实时监控；数据远传；站控系统；

1 集气站工艺及生产信息

全橇装无人值守保4集气站位于山西省忻州地区保德县韩家川乡豆塔村。该站将保德区块煤层气集输管网来气分离、增压、脱水后外输。设计煤层气处理能力为50×104Nm3/d，进站气压力0.02～0.25MPa，经过处理后外输，外输压力0.8～1.20MPa，气质满足《天然气》中规定的二类气的气质要求，水露点满足管输要求。工艺原理如图1所示。

图1 集气站工艺框图

2 站控PLC系统

PLC控制系统选用UWinPAS500集散控制系统，具有可靠性高、系统开放、功能强大、维护简便的特点。系统固件平均无故障时间（MTBF）见表1，平均故障修复时间（MTTR）为30分钟。控制系统的控制器、电源、通讯网络均为1:1冗余配置。

表1 系统固件平均无故障时间

2.1 PLC采集的信号

保4集气站采用全橇装化生产装置，各生产单元具备独立的控制器，实现了站内生产流程的分布式控制与集中管理。

系统共设计有16台工艺装置需要与站控系统进行数据通信：5台螺杆压缩机、3台螺杆压缩机变频器、1台恒温露点控制橇、4台外输流量计算机、1座散放管、1台UPS、1台EPS数据。各个装置的数据通信采用国际标准MODBUS通讯协议，通过485通信线缆实现。另外，站内生产现场的1台进站分离橇、2台过滤分离橇、2台外输橇及部分仪表数据和设备需要由站控DCS系统直接采集和控制。

系统一共采集8个AI、2个AO、32个DI、56个DO、16路RS485信号。

2.2 系统功能

站控系统上位机采用UWinPAS500 DCS画面组态软件设计开发完成，主要完成的功能有：

流程数据实时监测：通过主工艺流程界面及各工艺橇流程界面，可以实现对站内各数据采集点的实时监测。

运行状态实时监测：通过主工艺流程界面对各阀门的开关到位及故障状态、可燃气体报警状态等进行实时监测。

远程控制：DCS平台对各电动机构的控制具备“自动”和“手动”两种方式。自动方式下，由采集到的现场生产数值联动控制电动执行机构进行相应的启停或开关动作。手动方式下，由操作员点击人机界面的按钮实现对电动执行机构的启停或开关操作。站控平台可手动控制压缩机启停机、恒温露点撬启停机、外冷撬启停机，放散管开关。另外站控平台可全厂系统联锁、ESD联锁控制压缩机停机、恒温露点撬停机、外冷撬停机、进出站阀门关闭、放空阀门开启。

报警功能：DCS平台可以对采集到的超出正常范围的数值进行实时报警提示，并生成报警记录以便查询。对现场ESD紧急状况进行声光联动报警。

报表及曲线生成：DCS平台可以依据实时数据和历史数据生成生产运行报表及曲线，并可实现报表的导出和打印功能。

2.3 系统结构

保4集气站自动化系统整体采用分布式结构，由工艺橇有各自的控制器，而后通过485通讯线缆基于MODBUS-RTU协议与中控室DCS进行生产数据的交互。中控室DCS与站控PC通过百兆工业以太网交换机基于TCP/IP协议进行通信。系统整体结构如图2所示。

图2 系统整体结构

2.4 系统硬件

该系统包括类现场设备层、数据处理层、监控操作层。

（1）现场设备层

现场设备主要是压力表、温度表、液位计、电动阀门、以及流量计算机、恒温露点橇、压缩机、放散管等第三方设备自带控制系统通过RS485接口、MODBUS RTU协议将相关数据传送至站控计算机；

（2）控制和数据处理层

过程控制层的核心设备为PLC。本站PLC系统由CPU模块、AO模块AI模块、DI模块和DO模块构成。

（3）监控操作层

监控操作层功能主要依靠工控机和监控终端设备实现。

2.5 系统软件集成情况

站控系统软件选用UWinTech控制工程应用软件，该软件是应用于UWinPAS500集散控制系统的软件包。UWinPAS500集散控制系统的软件体系包括工程师站组态软件、操作员站实时监控软件及现场控制站实时控制软件三大部分，三部分软件分别运行在不同层次的硬件平台上，并通过控制网络、系统网络进行通讯，彼此互为配合、互为协调，交换各种数据及管理控制信息，完成整个集散控制系统的各种功能。

3 站控PLC系统运行

3.1 站内工艺生产集中监测

通过站控PC集中显示集气站内压力、温度、液位、流量、设备运行等工艺参数信息，包括实现对集气站现场的参数设置高低限，并对参数超越界限时进行报警，按照集气站工艺生产的需要自动生成各种报表等功能。

3.2 电动阀门的操纵

站控平台对电动阀的控制具备“手动”、“自动”两种方式。自动方式下，由采集到的现场生产数据值或ESD联动控制电动执行机构进行相应的起停或开关动作。手动方式下，由操作人员点击人机界面的按钮实现对机构的起停或开关操作。为保证生产安全还增设放空降压的安全阀。

3.3 压缩机的控制

设备自带PLC控制系统，按照无人值守的技术要求进行配置，作用是完成对工艺气的增压。站控平台对压缩机的控制具有“连锁控制”、“人工”两种方式。自动方式下，由采集到的现场生产数据值联动控制压缩机的停机动作。手动方式下，由操作人员点击人机界面的按钮实现对压缩机的启停及能量调节操作。

3.4 恒温露点橇的控制

设备自带PLC控制系统，按照无人值守的技术要求进行配置，作用是对螺杆压缩机增压后的煤层气进行脱水以满足管输要求，工艺为外制冷低温脱水。站控平台对压缩机的控制具有“连锁控制”、“人工”两种方式。自动方式下，由采集到的现场生产数据值联动控制恒温露点橇的停机动作。手动方式下，由操作人员点击人机界面的按钮实现对恒温露点橇的启停操作。

3.5 放散管控制

设备PLC控制系统。当放散管检测到气体流量信号时将自动启动点火装置。

3.6 基于OPC的数据集成

UWinTech 工业控制应用软件能够全面支持OPC标准的组态上位机软件。保4集气站以UWinTech3.0开发的监控系统为OPC服务器，以分公司调度中心采用其他方式开发的监控系统为OPC用户端，通过编写规范的接口函数，实现客户端访问对应的服务器，最终实现集气站与分公司的数据集成。

4 总结

本文介绍了PLC在保4无人值守集气站的实际应用，选择性能优越的核心控制器实现集气站的控制要求。该系统不仅可以应用于集气站，还可应用于化工、制药、油田、石化、钢铁、能源、建材、轻工、造纸、环保等行业。不论何种自控系统，它的核心基本理念都是相似相通的。无人值守集气站的实现改变了原有管理模式，提高了员工的素质和工作水平。减小了一线员工的劳动强度，提高了劳动效率，最大限度地保证了一线值班员工的人身安全，优化生产过程，提高了操作效率，减少了油气生产的人工操作成本，具有良好的应用前景。

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The Control System of Unattended Coalbed Gas Gathering Station Based on PLC

Due to the continuous improvement of digital coal seam gas feld and the requirements for low cost exploitation, gas gathering stations are gradually developing towards unattended. In this article, we take as example the practical construction of the unattended gas gathering station in oil gas Bao 4, to describe the structure and working process of unattended stations from both hardware and software system aspects. The unmanned station systems provide protection for the safe and stable operation of the gas gathering station, reduce the labor intensity of the workers and also improve their living environment.

Coal gas; Unattended; Real-time monitoring; Data transmission; Station control system

陈光益（1989-），男，汉族，四川泸州人，助理工程师，学士学位，主要研究方向为测控技术与仪器。

B

1003-0492(2016)12-0086-02

TP273

周杨飞（1987-），男，汉族，江西九江人，助理工程师，主要研究方向为油气储运技术。