摘 要：本文設計了一種基于安控SUPER E40 RTU及E-spider工業組態軟件的天然氣門站過程控制系統。介紹了過程控制系統平臺的結構、功能以及上位機組態軟件的設計。本過程控制系統采用了模塊化的設計方法，系統具有擴展功能，便于組建多站點遠程測控系統。具有一定的實用性，適用于環境惡劣的工業現場。

0 引言

      天然氣及其傳輸是國家的經濟命脈工業之一，其傳輸和調壓等功能的可靠實現關系國計民生。隨著自動化技術的發展，對天然氣門站、調壓站和輸配管網的監控已是該行業不可或缺的一部分。其中，RTU（遠程終端單元）是自動化系統中的重要設備。其通訊距離較長，適用于各種環境惡劣的工業現場，使其在天然氣調度等行業中得到了廣泛使用。Super E40系列RTU是安控公司集多年的開發、工程經驗設計的新型RTU產品，它可實現對工業現場信號的采集和對現場設備的控制。與常用的可編程控制器PLC相比，具有更優良的通訊能力^[1]。本文設計了基于安控RTU的下位機與E-spider的工業組態軟件的天然氣管道過程控制系統。實現對天然氣和流體調壓站及管道的過程監視與控制。

 1過程控制系統硬件設計與實現

1.1系統概述

      該系統要實現數據采集、數據監視、參量控制、曲線顯示和報警等監控系統的常用功能。系統采用基于PLC模塊技術，可用于天然氣和流體調壓站及管道的安全監控等。

      本系統由網絡級、現場工作部分及控制部分組成。其中網絡級采用Ethernet網絡將工控機與下位機聯系起來，實現對工業現場的集中管理。現場控制部分由管道平臺、水箱、溫度變送器、差壓變送器、電磁流量計、壓力變送器、電動球閥組成。監控部分由安控SUPERE40 RTU，西門子S7-200及E-spider工業組態軟件所在的工控機組成。系統框圖如圖1所示。

1.2 系統設計

      系統可以實現由前置機和工控機根據工業現場的實際情況而進行自主控制，在正常的工況下上位機組態軟件可以根據管道平臺中的溫度、流量以設置實際需要的天然氣管道流量通過安控SUPER E40 RTU對其進行分析計算得出合理的球閥開度值與西門子S7-200PLC進行自由口通訊最終使球閥實時動作并達到預期效果。

       另外，系統還配置了緊急情況報警功能，當現場下位機安控SUPER E40 RTU接收到的溫度、流量以及電動球閥兩側的差壓值出現異常，或者超越正常工作范圍，說明系統已經處于危險狀態則系統分別在工業現場與工控機所在的控制室內發出報警信號，并由下位機對球閥和水泵發出中斷信號使之停止工作，或由工控機通過E-spider工業組態軟件直接中斷前置機程序自主發出停止工作命令，以進行下一步的檢查工作，有利于系統的安全保護。

1.3 系統實現

      采用工業PC作為上位機，利用E-spider工業組態軟件通過Ethernet與安控SUPER E40 RTU下位機通訊，實現對現場的控制。下位機由電源模塊、CPU模塊A32-M1、模擬量輸入模塊AC101、通訊連接模塊A32-L3、數字量輸出模塊AC112、脈沖量輸入模塊AC141以及S7-200的模擬量輸出接口組成。

      AC101模擬量輸入模塊：接受DP1151差壓變送器、BT2007電磁流量計、電動球閥、以及溫度和壓力變送器送過來的4～20mA的電流信號，并將其轉化為10000-50000的數字量。其通道地址由插卡位置決定。本系統中AC101模擬量輸入模塊的模塊地址2 ,對應的OpenPCS直接變量地址為%512.0～%2558.0；其他模塊的參數表1。

表1 模塊參數表

      現場工作部分中的DP1151差壓變送器、BT2007電磁流量計、壓力變送器、差壓變送器及溫度變送器,把流量等信號轉換成4 - 20mA 電流信號送往安控RTU的AC101模塊。利用西門子S7-200特有的自由端口通訊模式與安控RTU通訊，安控將采集到的模擬量經過數據轉換發送到西門子S7-200PLC中，西門子通過模擬量輸出端口輸出電流，驅動球閥達到相應的球閥開度，

2 過程控制系統軟件設計與實現

      軟件設計主要由針對于安控SUPER E40 RTU的Infoteam Openpcs梯形圖程序設計、針對S7-200PLC的step 7的ST文本化語言的設計以及上位機E-spider工業組態軟件的設計。

2.1 Infoteam Openpcs梯形圖程序設計

      前置機軟件設計是在監控級上利用SUPER E40 RTU系列編程軟件Infoteam Openpcs完成對下位機程序的編制與調試,然后把調試好的程序下載到RTU中。下位機軟件主要實現RTU與組態軟件以及西門子S7-200 PLC的通訊、上位機對現場流量的控制、故障報警、診斷等子程序其軟件設計的程序流程圖如圖2所示。

圖2 系統程序流程圖

2.2 Espider組態軟件設計

      上位機軟件設計采用Espider工業組態軟件,自帶大量的I/ O 設備驅動程序,用戶可以方便地構建實時的監控系統。為了使過程控制系統實驗平臺有一個良好的人機交互環境,在Espider中開發了過程流程畫面、監控畫面、實時調節曲線、歷史曲線圖、數據報表、報警畫面,從而可實現對現場的實時監控。監控系統框圖如圖3所示。

3 結論：

      基于安控RTU與西門子S7-200 PLC的下位機與Espider人機界面的上位機形成的天然氣管道過程控制系統,經運行驗證是一個安全可靠的系統,調節后流量的波動范圍在+ 5%～ - 5%mm范圍內,在經過一次流量調節后,能夠在經過三次運算輸出內實現平衡，符合工業現場的實際需求。同時，該系統作為一個模擬實驗平臺可以支持學生尤其是研究生的科學實驗和研究，并且其組成結構、控制方法和硬軟件系統可直接應用于實際的天然氣及流體等工業現場。

備注：本課題由西南交通大學SRTP(大學生科研訓練計劃)項目（項目編號：090207）資助

 參考文獻

[1] Super E40系列RTU使用手冊

[2]ESet配置手冊(V5.2.2)

[3] OpenPCS編程手冊_5.2.2

[4]王洪猛.基于PLC 的過程控制系統設計與實現[J] 自動化技術與應用

[5]廖常初.PLC編程及應用（第二版）[M]北京：機械工業出版社，2005