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ControlLogix系统在涩宁兰天然气管道和兰成渝成品油管道中的应用

2013-05-27 19:08      点击:

ControlLogix系统在涩宁兰天然气管道和兰成渝成品油管道中的应用

罗克韦尔自动化公司的产品在中国管道的自动控制中,应用十分广泛,其良好的质量以及信誉保障,已经在中国管道业中得到广 泛赞誉。在中国西部大开发的两项重点工程涩宁兰天然气管道和兰成渝成品油管道中,全部选用RockWell公司的ControlLogix系统作为核心控 制系统来进行管道的所有功能的控制。

一、涩宁兰天然气管道工程:

涩 宁兰天然气管道工程是指涩北—西宁—兰州天然气输气管道工程,起于涩北一号气田集气总站旁,沿线经过青海省格尔木市、大小柴旦地区、德令哈市、乌兰县、共 和县、湟源县、贵德县、湟中县、平安县、乐都县、民和县;甘肃省永靖县、兰州市,终止于兰州市西固区。管道全长950km,管径φ660mm。管道设计最 高操作压力为6.4MPa。最大输气能力20亿立方米/每年。管道全线共设输气站场11座,分别为涩北首站、羊肠子沟清管站、德令哈分输站、乌兰清管站、 大水桥清管站、湖东清管站、西宁分输站、民和分输站和兰州末站,以及兰铝、兰炭两个输气门站。除清管站均为无人值守站外,其它站均为有人值守站,设置站控 系统。控制中心设在廊坊和兰州,分别设置中心的控制系统。

本工程地处青藏高原,沿线气候恶劣、环境艰苦,为确保该管道安全、平稳、高效、经济地运行,自动控制系统采用监控和数据 采集系统(以下简称SCADA系统),对管道全线的运行情况进行集中监视和生产运营管理。涩宁兰工程SCADA系统的中心部分为计算机数据采集、处理系 统,通过VSAT(主通讯信道)和Modem拨号(备用通讯信道)实现与PLC通讯,将过程变量实时采集到中心的实时数据库,以列表、趋势和动态控制流程 图的形式将工艺过程以直观、丰富的形式显示出来,并提供各种数据记录和分析工具,为操作员分析工艺运行情况、预测工艺运行趋势和诊断整条管道安全运行的隐 患作出直观分析。站控系统使用代表罗克韦尔自动化最新控制系统技术的ControlLogix系统作为核心控制器,采集管道的温度、压力、调节阀位和重要 的计量结果和参数等,并接受中心和站场的控制命令,对阀和流程进行控制。采用ControlLogix系统使控制系统实现了控制器、控制网络的热备冗余, 同时还通过通讯模板实现与其他系统的通讯。整个SCADA系统的配置祥见下图:


SCADA系统配置图

下面我们按照功能,详细介绍如下:

(一)、CPU的双机、双电源和双机架的冗余:

ControlLogix 的硬件直接支持CPU的双机冗余,而不用像以前那样还需要用户编程实现冗余切换。这样,用户只需要安装好硬件和连线,然后用软件简单组态一下,就可以实现 CPU的冗余热备。如右图所示,两个CPU分别放在机架A和机架B里面,同时挂在ControlNet网上,两块冗余模板间通过光缆连接。这样,在两块 CPU同步后,主CPU和备CPU之间通过冗余模板进行数据和程序的同步。当主CPU出现故障时,对现场的控制自动转到备用CPU,同时备CPU转为主 CPU。故障CPU则可以停电检修,而不会影响对现场设备的控制,检修完成后,更可以自动实现与当前主CPU的程序和数据的同步,大大提高了系统的可靠 性。经过时间的检验,涩宁兰工程SCADA系统的CPU冗余已经非常成功的得以使用。

 

(二)、利用通讯模板实现与其它设备的通讯:

涩宁兰全线的计量使用从在首站从气田集气站色谱分析仪采集的气体组分数据来提高计量精度。同时计量结果还要读入到CPU 中,这样就涉及到ControlLogix系统与其他设备通讯的问题。在涩北首站,CPU到气田集气站色谱分析仪的距离超过了100多米,我们采用RS- 485连线解决距离问题,利用通讯模板的一个应用口与气田的流量计算机通讯,采集气体组分和流量计量结果。其余三个站的计量是通过CPU同流量计算机间的 通讯实现,CPU将从中心得到的气田的组分数据写入到流量计算机中,流量计算机利用这些数据计算出流量,然后将结果送到CPU中。因为每一个站都有几路计 量回路,所以CPU要循环采集各个流量计算机的值。我们把通讯模板的应用口与流量计算机的通讯口连接成RS-485网,使用MODBUS协议进行通讯。通 讯模板循环采集流量计算机的数据并通过高性能的、无源多主线背板将数据送到CPU中。见下图:

 

(三)、PID控制:

在涩北首站设置一台压力调节阀,起着根据全线输量的大小,调节整条管道压力的重要作用。我们在PLC程序中利用 RSLogix 5000编程软件所提供的PID指令,并结合多年的工程作经验成功的实现了对调节阀的控制。与其他软件PID指令相比,RSLogix 5000提供的PID指令,可以自动实现手/自动切换,并可以设置调节死区和模板通道出现错误时的预给定值等,开发时可以给用户带来很大的便利。在我们现 场调试后,调节阀可以很好的发挥调节全线输量的作用。

(四)、远程系统维护:

在 中心和各站场分别设路由器,中心和站场通过路由器和卫星进行通讯。这样不仅可以在中心采集各个站的数据和实现控制功能,也可以利用RSLogix 5000编程软件和非常好用的RockWell RSLinx通讯软件上载或下载各个站CPU中的程序。这就是说,工程师在控制中心就可以进行全线系统的一些维护。

(五)、工程中的所有模板支持带电热插拔:

在工程中应用的所有模板都支持带电插拔,保证在运行中对某一块模板进行维护时不会影响到系统其他的部分。这给系统的调试和系统的维护带来很大的便利。

二、兰成渝成品油输油管道:

兰成渝成品油管道起始于甘肃省兰州市兰州炼油厂附近,经四川省成都市到达重庆市。兰州-成都-重庆输油管道全长1247km,设计年均输量为500×104t(最大可达580×104t), 输送油品主要为#90汽油、#93汽油和#0柴油(随市场需求情况还可以输送航煤、LPG和其它石油产品)。管道沿途大小站场共有31个。由于成品油管道 的特殊性和地势地形的特殊性,控制逻辑相当复杂。同时由于管道全线采用自动控制,所以对自动控制系统的可靠性、稳定性有十分严格的要求。根据以往的工程应 用,以及考虑到今后的发展情况,我们选用了ControlLogix系统。在系统中,最新的Logix 5555处理器、SLC 5/05和PanelView图形终端共同完成了重庆、成都和兰州等所有泵站和分输站场的自动控制。 兰成渝成品油管道同样充分利用了ControlLogix系统的CPU冗余、ControlNet网络介质冗余、大容量I/O点等特性。

另外他还有自己的独到应用之处:

(一)、CPU的任务分配:

ControlLogix系统看起来像一个可编程控制器,但它不限于次。 ControlLogix结构体系是一个技术先进的控制平台,它集成了多个控制功能:顺序控制、运动控制、传动及过程控制等;在任何尺寸大小上都是模块化 的,用户可以根据具体应用来选择合适的内存量、控制器个数和网络类型;ControlLogix的这种柔性结构允许用户在同一个机架内使用多个控制器、网 络和I/O模块。这样用户便可以在多个控制器间合理分配资源和划分应用任务。 在兰成渝管道各个站的配置中,合理的利用了这个特性,将非常重要的ESD功能分给一个专门的CPU;其他常规的控制功能则由冗余的CPU执行。而在重庆站 由于油罐较多,消防变得尤为重要,但重庆I/O点多,主CPU的任务较重,所以消防的任务就交给了另外一组冗余的CPU。这样通过任务分配,既充分利用了 整个系统的资源,又提高了系统的可靠性。

 

(二)、多个CPU之间的信息共享:

在同一个系统中有那么多的CPU共存,它们之间的通讯也就变得十分必要。因为,当一个CPU处理它的任务时,其它的 CPU有可能需要进行一些相关的处理任务。比如当ESD命令发出后,ESD的处理CPU进行一些紧急关闭电动阀和停泵的操作,而此时在主CPU中则要进行 关闭相关泵进、出口电动阀的操作。这样,就要求ESD的CPU将ESD命令信息发送到主CPU中。这些都可以通过ControlLogix的生产者/客户 的技术得以轻松实现。用户只需要在相关的CPU中组态基于生产者/客户技术的标签,就可以实现ControlLogix CPU间的通讯。

在重庆和成都站,计量撬座的电动阀有单独的控制器SLC来控制,并且所有的状态点只送到了SLC中。但在主CPU中由于 分输等控制逻辑需要采集计量撬座的电动阀的状态 和控制电动阀门的开关,于是要求ControlLogix的CPU和挂在以太网上的SLC进行通讯。由于ControlLogix系统可以很轻易的于 SLC、PLC集成到一块,通讯就变得十分简单,只需在程序中使用MSG信息指令即可以实现。
结构示意图如下所示:

 

(三)、PanelView作为备用控制MMI,增加大型泵站的控制可靠性:

管 道的兰州、成都和重庆站都是大型的泵站,有数量众多的大型变频泵、阀门需要控制。虽然已经在该三个站设置冗余的MMI系统,但考虑到这三个站的站控系统的 稳定运行直接关系到大型设备的安全和全线输油的正常运行,决定在这些站设置工作稳定性要比计算机高很多的PanelView作为计算机的备用MMI,以在 站控计算机出现故障时,仍然可以使用PanelView对全站的生产运行进行监控。PanelView直接挂接在ControlNet网上,通过控制网同 ControlLogix的CPU通讯。PanelView同样提供形象的动态流程图显示,并提供设备、流程的控制面板和该流程的动态流程图的组合显示, 使操作员对于流程操作的过程进度和结果了然于胸,极大的方便了操作员对过程的操作。

另外,在ControlLogix的CPU中,去掉了以前的文件存储的存储方式,改用变量存储方式,这样不仅可以使处理 器的处理能力提高,还可以使用户可以很轻易的将PLC数据库和MMI软件的数据库统一,减少开发的重复性工作,并使最终用户的维护更简单易行。我们在工程 开发中,PanelView的数据库完全是由RSLogix 5000软件中的数据库导入而建,这对于如重庆站这种I/O点数高达4000多点的大型系统而言,节约的时间非常可观。


PanelView提供的动态流程图

目前,两个工程均已经正常运行两年 以上,总体来说ControlLogix系统在这两个重大工程中的应用是非常成功的。除了上述一些特性的应用,Logix 处理器和各种模板都可以提供丰富的自诊断信息,使得系统对于硬件的错误可以有更灵活、更快速的应对手段,来提高系统对意外事件的处理能力,进一步来提高系 统的智能程度。灵活、简单的可扩展性,更可以满足日后的系统扩容,而不必为扩容时旧系统的去留大伤脑筋。

在应用中我们感受到:ControlLogix以其合理的设计理念赢得了中国管道业的关注;更会以其成功的实践检验得到用户的肯定和信赖。