基于PLC的CNG气站联动报警控制系统研究

强明辉，胡实

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州　730050）

基于PLC的CNG气站联动报警控制系统研究

强明辉，胡实

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州730050）

为了满足CNG加气站安全的需求，本文通过对CNG气站的4个分支系统：脱硫脱水系统、压缩机系统、储气系统，以及加气系统可燃气体泄露的检测；结合现场运行参数的收集，设计了基于西门子S7-300PLC的加气站管网控制系统和可燃气体报警控制系统，设定了报警值并在管网控制部分进行联动控制，通过可燃气体检测报警最终实现了CNG加气站的安全预警、和测量，达成系统集成；最终通过实验验证可将安全系数提高20%，从而对气站的应用方面提供有效的支持。

PLC；联动控制；工艺流程；火灾报警探测

为保护环境，合理利用能源，中国积极推进城镇燃料天然气化工作，建成了西气东输管线、陕京管线、涩-宁-兰管线、及建设中的/西气东输二线，将推动中国进入规模化天然气应用的新时期。天然气作为清洁能源，在民用、工业领域，及促进经济持续发展和能源消费结构调整等方面凸显出重要作用。CNG加气站含CNG加气母站、标准站和子站。标准站设备多，流程复杂，本设计以标准站为控制对象。

图1　工艺系统结构框图Fig.1　Process system structure diagram

1　CNG加气站的工艺流程

CNG加气站控制系统分压缩机控制系统、加气机收费管理系统、工艺管道控制系统、可燃气体报警控制系统，4套系统相互结合以实现加气站安全运营平稳加气。在加气站的管网控制部分，各系统可以单独控制，然后根据工艺要求，对各个控制进行必要的联动，以达到对管网的联动控制［1］。整个加气站的系统结构框图如图1所示。

2　气站现场工艺及部分联动控制

系统由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故障响应子系统两部分组成。系统结构可以分为两层，工作站和工程师站的上位机作为监控层，PLC和现场仪表构成现场控制层。可燃气体控制器控制负责加气站20路天然气浓度的检测［2］。火灾报警控制器与6路隔爆型火焰探测器连接，监控站区内火灾的发生。当监控区出现明火时，立即将报警信息传递给PLC，同时开启喷淋泵和消火栓泵对燃烧区灭火。可燃气体控制器和火灾报警控制器均通过Modbus总线协议与PLC通讯。现场的温度、压力、流量、液位等模拟量通过分布式I/O模块采集到PLC中［3］。

2.1站区各环节安全预警与联动措施

CNG加气站是高危场所，管网压力过大、储罐液位太高、压缩机出口处流量过大以及发生气体泄漏、站区发生火灾都会引发严重的安全事故。因此，必须对加气站各个测点的参量进行准确的测量，当其超出上下限时必须报警提示，并且对与该参数相关的阀门、消防装置进行操作，以期在最短时间内恢复故障，避免危险情况发生。下面，针对站区几个重要工艺环节，研究其安全预警方法和管网联动控制策略［4］。

图2　控制系统结构框图Fig.2　Block diagram of control system

进气储气罐：进气储气罐为加气站提供原始的气源。由于储气罐的气体没有经过进一步的压缩，储气罐所能承受1MPa，为了保证储气罐安全和供气的连续性，必须对储气罐的的压力和液位进行检测控制，当储气罐的压力超过1MPa时就打开外放阀，通过外放管降低储气罐的压力。

图3　储气罐控制流程Fig.3　Gas tank control process

空温气化器和水浴气化器：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。温度控制是气化的关键。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，以确保气化气体温度不致太低而在管道结冰。这样做的目的主要是为了节能。控制流程如图4所示。

图4　空温气化器控制流程Fig.4　The air temperature of gasifier control process

压缩机系统：压缩机是加气站的核心部分，控制系统需将压缩机的入口压力、出口压力，使压缩机工作在最佳状态。压缩机出口压力和流量控制部分的流程图如图5所示。

图5　压缩机控制流程Fig.5　Compressor control process

2.2可燃气体探测与火灾报警探测系统结构

可燃气体探测和火灾报警控制系统是整个控制系统中的两个独立子系统。如前文所述，可燃气体探测控制系统主要实现天然气的浓度的探测，如果浓度高于报警值，则会引起报警，同时会引起联动装置动作，以尽快消除危险情况；火灾报警控制系统主要检测加气站区出现的火焰，如若在检测区出现明火，控制器会立马报警，并启动消火栓泵、喷淋泵等一系列联动装置。按照站区的实际情况，共分布20个可燃气体探测器，6个火焰探测器。可燃气体控制器和火灾报警控制器是智能控制器，都通过Modbus总线协议与PLC通讯［5］。结构图如图6所示。

图6　可燃气体与火灾报警器系统结构图Fig.6　Combustible gas and fire alarm system structure diagram

可燃气体浓度检测：当可燃气体探测器感知到气体浓度过高时，会将检测信息传递给可燃气体控制器，该控制器又会把故障信息通过Modbus协议传递给PLC。当天然气浓度达到20%时，需要声光报警，并打开风机；当浓度超过40%时，触发危险情况声光报警，还要关闭所有的截止阀，开风机，停压缩机［6］。控制流程如图7所示。

图7　可燃气体检测控制流程Fig.7　Combustible gas detection and control process

火焰探测：在储气罐、压缩机、售气机、储气瓶组附近都有装有火焰探测器，一旦出现明火，火焰探测就会把这一信号传递给火灾报警控制器。火灾报警控制器又会将故障信息传递给PLC，同时启动灭火装置，例如启动喷淋泵和消火栓泵。PLC会触发危险情况声光报警，并关闭所有的压缩机、截止阀。控制流程如图8所示。

图8　火焰探测控制流程Fig.8　Flame detection control process

3　结束语

目前及今后的一段时间内，我国CNG发展供给的对象主要是较易统一管理的公交车和出租车，所以市场前景很广阔，然而CNG加气站安全事故也时有发生，而现场自动化的提高即达到了提高工作效率的目的，同时又为生产安全提供了保障。PLC的突出特点是现场抗干扰能力强，工作性能稳定，产品使用周期长。该系统的成功应用，不仅能减轻现场操作人员的劳动强度，保存实时数据，减少事故隐患，而且使加气站在计算机管理现代化和自动化方面提高到一个新的水平。

［1］宋晓丽，张剑鹏.CNG加气站站控系统设计 ［J］.煤气与热力，2013（11）：42-45.

［2］朱清澄，黄海波.CNG加气站几个安全技术问题［J］.西华大学学报，2006（1）：50-52.

［3］牛虎勋.CNG加气站仪表自控系统设计总结 ［J］.石油化工自动化，2009（4）：33-36.

［4］黄睿.LNG、L-CNG加气合建站重大危险源辨识与评价［D］.成都：西南石油大学，2012.

［5］蒋海瑞，刘立山.基于PLC的CNG加气站数据处理与联动控制［J］.电子测试，2013（19）：19-21.

［6］邓红宇.CNG加气站若干安全技术问题探讨［J］.科技传播，2014（9）：23-25.

Research of CNG station linkage alarm control system based on PLC

QIANG Ming-hui，HU Shi
（College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

In order to meet the requirements of CNG station security，this article through to the CNG station of four branch systems：desulfurization dehydration system，compressor，gas storage system，and the gas system of combustible gas leak detection；In combination with field operation parameters of collection，designed based on Siemens S7-300 PLC stations network control system and combustible gas alarm control system，set the alarm value and carries on the linkage control in network control part，through the combustible gas detection alarm finally realized the CNG stations safety early warning，and measurement，a system integration；Finally through experimental verification safety factor can be increased by 20%，which provides effective support for the application of station.

PLC；linkage control；technological process；fire alarm detection

TP273

A

1674－6236（2016）03-0091-03

2015-03-19稿件编号：201503270

强明辉（1960—），男，陕西扶风人，教授，高级工程师。研究方向：过程控制，检测技术。