基于PLC的天然气调压站的智能监控系统研制.docx
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基于PLC的天然气调压站的智能监控系统研制
学号
密级________________
基于PLC的天然气调压站的监控系统设计
学院名称：
专业名称：
学生姓名：
指导教师：
二○一五年四月
DesignofPLC-basedGasPressureRegulatingStationMonitorandControlSystem
College：
Subject：
Directedby：
Name：
April2015
郑重声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名：
日期：
摘要
管道燃气供应以其方便、经济，安全等优点得到广泛应用，正逐步取代瓶装供气。
燃气具有易燃、易爆的特点，为了保证燃气供应的安全并实现最佳调度，必须及时掌握系统运行状态，了解压力、流量、温度等数据。
本天然气调压站智能监控正是基于以上需求的基础上研制而成的。
、本文首先对调压站智能控制系统进行分析，确定系统的功能目标和性能要求，并提出调压站智能控制系统总体方案设计框架，本天然气站智能监控系统以CPU224XP控制核心，以传感器（压差传感器、温度传感器，压力传感器等）用来做检测元件，以电磁阀为执行机构．CPU不仅要分析处理判断从EM231送过来的模拟量转化数字信号，还要负责与流量计以及上位机的通信，实现对参数的控制和报警指示以及控制相关电磁阀的动作，从而实现调压站的智能监控．
关键词：
天然气调压站，PLC，通信，智能监控，Modbus协议
ABSTRACTThesupplyofconduitgasspreadswidelybecauseofitsadvantagessuchas：
convenience，economy,andsafetyetc,Itgraduallyreplacesthebottlepackinggas．Gasisflammableandexplosive．Inordertoensurethesafetyofgassupplyandrealizethebestadjustment，wemustmasterthestatusofthesystemanddatassuchaspressure，flux，temperatureintime，sothedevelpomentofthesystemisbasedontheneed.CPU224XPisusedascontrollingcoreofthesystemandthesensorsasmeasuringcomponentandtheelectromagneticvalvesandtherelaiesasexecutiveunit．CPUnotonlyneedtodealwithanalogsignalfromEM231，butalsoisresponsibletocommunicatewithflowmeterandmastercomputertocompletethewholecontrolmission，thusitrealizethepurposeofparameterscontrolling，warninginstructionandcontrollingtheactionofrelatedelectromagnetismvalve.firstly,thethesisanalysethesignificanceoftheintelligentsupervisionofthegasstation．Confirmssystemfunctiongoalsandperformanceparameters,andthenputsforwardthedesigningoverallframeanddividingintofunctionmodules．
KeyWords：
Gasstationforpressureadjustment；PLC；Communication；MonitoringSystem；ModbusProtocol
目录
第1章绪论1
1.1可编程控制器的产生与定义1
1．1．1可编程控制器的产生背景1
1．1．2可编程控制器的定义1
1.2可编程控制器的发展历程和发展前景2
1．2．1可编程控制器的发展历程2
1．2．2可编程控制器的未来发展方向3
1．3可编程控制器的基本特点及应用4
1．3．1可编程控制器的特4
1．3．2可编程控制器在工业控制系统中的应用5
1．4课题背景7
1．4．1天然气城市输配系统的构成7
1．4．2天然气城市输配系统压力级制的确定7
1．4．3门站8
1．4．4国内外研究现状8
第2章天然气调压站监控系统总体设计9
2．1监控系统设计方案考虑9
2．1．1控制方式的选择9
2．1．2总体设计的主要内容9
2．1．3几点应考虑的事项9
2．2监控系统的主要功能10
2．2．1调压系统简介10
2．2．2监控系统的主要功能11
第3章天然气调压站监控系统硬件设计13
3．1电气控制柜的设计13
3．2模拟量采集电路15
3．3信号转换与隔离15
3．4PLC控制电路16
3．5显示器电路17
3．6通信网络的设计18
3．6．1网络拓扑18
3．6．2传输介质18
3．6．3通信接口18
第4章天然气调压站监控系统软件设计20
4．1系统总体执行逻辑的设计21
4．2模拟量数据的处理24
4．3与流量计的通信25
第5章天然气调压站监控系统可靠性设计28
5．1环境条件的考虑28
5．2监控系统的硬件抗干扰设计28
5．3软件可靠性设计29
致谢31
参考文献32
第1章绪论
1.1可编程控制器的产生与定义
作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。
今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。
1．1．1可编程控制器的产生背景
在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制系统的硬件接线，因此，其通用性和灵活性较差。
20世纪的六十年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广.1968年，美国最大的汽车制造商GM为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。
1969年，美国数字设备公司（DEc公司）研制出了第一台可编程控制器PDP_14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。
可编程控制器自问世以来，发展极为迅速．1971年，日本开始生产可编程控制器。
1973年，欧洲开始生产可编程控制器。
到现在，世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程控制器装置。
可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电控装置的主导。
1．1．2可编程控制器的定义
可编程控制器，简称PLc（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置．它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
一从可编程控制器发展历史可知，可编程控制器功能不断变化，其名称演变经历了如下过程：
早期产品名称为“ProgrammableLogicController一（可编程逻辑控制器），简称PLC，主要替代传统的继电接触控制系统。
随着微处理器技术的发展，可编程控制器的功能也不断地增加，因而可编程逻辑控制器（PLC）不能描述其多功能的特点。
1980年，美国电气制造商协会（NEMA）给他一个新的名称“ProgrammableController一，简称PC。
1982年，国际电工委员会（IEC）专门为可编程控制器下了严格定义。
然而Pc这一简写名称在国内早已成为个人计算机（PersonalComputer）的代名词，为了避免造成名词术语混乱，因此国内仍沿用早期的简写名称PLC表示可编程控制器，但此PLC并不意味只具有逻辑功能。
1.2可编程控制器的发展历程和发展前景
1．2．1可编程控制器的发展历程
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEc）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器．人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置．为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段．20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
1．2．2可编程控制器的未来发展方向
随着新技术、新器件的不断出现，特别时微处理器、单片机、半导体存储器等技术的飞速发展和迅速融合，使得PLC功能更加齐全，适用范围更加广泛，使用更加方便，具有更高的性能价格比。
未来的PLC将有以下几个发展趋势：
1、向大型、高性能化方向发展
PLC的输入／输出点不断上升，可达到8192点，甚至高达10000点以上，这类产品满足钢铁工业、石油、化工等大型生产自动控制的需要。
它们采用有高速运算能力的高性能16位和32位微处理器，而且常常采用多处理器结构，并吸收以连续量处理为主的集散控制系统的优点，热备冗余系统更高速、可靠，进一步增强科学计算、数据处理能力和联网能力。
2、向方便灵活、小型化发展
为满足工业生产过程对控制系统小型化以及减少体积、降低成本的需要，PLC厂家几乎都开发了结构简单、使用方便灵活的小型、卫星PLC，这是20世纪80年代中后期发展最快的一类产品，据有关统计数字表明，小型PLC约占PLC市场的1／4．而另一方面，小型PLC的功能不断增加，如增加了数值运算、模拟量处理、与上位机或操作站联网通信的功能。
小型化的PLC作为机电一体化的基本构成要素和原始设备制造商的重要设备，将是一个重要的发展方向。
3、网络结构更开放、通信功能更完善
随着通信网络技术、现场总线技术和互联网技术的飞速发展，PtJc的冗余网络、局域网络技术日趋成熟，并向统一、通用的开放网络发展，不同品牌的PLC互操作性将大大提高。
从控制层、操作层到管理层，实现全方位的多层次、分布的自动化网络管控一体化，成为真正的过程控制解决方案。
4、编程组态更方便灵活
除提供传统的梯形图编程环境外，大多数PLC都提供语句表、顺序功能图以及更友好、方便和高效的图形化组态软件。
随着基于Pc开放结构的控制系统的出现和成熟，传统的硬件PLC也将吸收其技术，向利用软件技术将标准的工业计算机转换成全功能的PLC过程控制器的软PLC方向发展。
1．3可编程控制器的基本特点及应用
多年来，可编程控制器（以下简称PLC）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。
今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接1：
3和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。
1．3．1可编程控制器的特
1、可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPO的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息．在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2、配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3、易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是而向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言‘的图形符号’i表达方式和继fU器电路图相当接近，只用PLC的少量JI：
关量逻辑控制指令就叮以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5、体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于lOOmm，重量小于1509，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1．3．2可编程控制器在工业控制系统中的应用
可编程控制系统指以可编程控制器为核心单元的控制系统，一般由控制器（PLC）、编程器、信号输入部件、输出执行部件等组成，可编程控制系统可在不改变系统硬件接线的情况下，通过改变PLC的用户程序来改变被控对象的运行方式，大大地提高了控制系统的灵活性。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A／D转换及D／A转换。
PLC厂家都生产配套的A／D和D／A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I／O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法．大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
系统的设计正是基于PLC的第四种应用。
1．4课题背景
天然气是一种优质的清洁能源，在能源结构中的战略地位早已确立。
其利用领域极为广泛，诸如化学工业原料、工业燃料、商业及民用燃料、汽车燃料、集中供热与发电等，是主要的一次性消耗能源之一．我国“西气东输"计划的制定与实旄，足见国家对天然气利用的重视，我国虽然起步较晚，但发展势头强劲。
1．4．1天然气城市输配系统的构成
城市输配系统是指从接收长输管道供气的门站开始至用户用具止的整个系统，它包括门站、储气装置、调压装置、输配管道、计量装置等部分，其中储气、调压与计量装置可单独设置或合并设置，也可设在门站内．门站是天然气进入城市的门户，具有计量、过滤、调压与加臭等功能，有时兼有储气功能。
储气装置有储气罐、输气管道管束储气等。
输配管道也可按气功能分类，即分为分配干管、庭院管与室内管。
分配干管与庭院管为室外管。
目前，室内管的立管与水平管也有安装在建筑物外墙上的。
输配系统的压力级制是由系统中管道设计压力等级命名的，一般有高中低压系统、高中压系统、中低压系统与单级中压系统等。
1．4．2天然气城市输配系统压力级制的确定
确定输配系统压力级制时，应考虑下列因素：
气源；城市现状与发展规划、储气措施、大型用户与特殊用户状况。
对于大中型城市，由于用气量多、面广，为安全供气，在城市周边设置高压或次高压环线或半环线经多个调压站向城市供气，该高压或次高压管线往往兼作储气，即具有输、储气双重功能。
当天然气压力大于2．OMpa时，因储罐最高运行压力一般为1．6Mpa，采用管道输气较储罐储气经济，除长输管道末端可储气外，也可设置高压管道或管束储气。
由于四级地区地下燃气管道压力不宜大于1．6Mpa。
高压管道一般设置在中心城区边缘。
对于要求供气压力较高的用户可由高压或次高压管道直接供气．城区输配系统一般为单级中压。
该系统避免了中、低压管道并行敷设、减少低压管长度而获得了较好的经济性。
单个调压器的供气户数较少，燃具前压力由更好的稳定性。
因此，单级中压系统成为城区天然气出赔系统的首选．综上所述，城市天然气输配系统结合管道储气或储罐储气可采用的压力级制一般为高中压与单级中压。
1．4．3门站
门站接收长输管道上分输站或米站的供气，对天然气进行过滤、计量、调压、检测与加臭等，并宜设置自动化控制系统，也可设置储气装置。
门站出口可直接连接城市中压管网：
当尝试另设储配站或高中压调压器时，天然气在门站经过滤、计量与检测后供入高压或次高压管道。
当站内需耗用天然气发电或用作其他用途时，可另设置专线供应。
门站站址应符合城市规划要求，并结合长输管道位置确定；同时考虑少占农田，节约用地，与周围建筑物和构筑物由符合设计规范要求的安全间距，以及适宜的地形、工程地质。
门站总平面分为生产区（计量、调压、储气、加臭等）与辅助区（变配电、消防泵房、消防水池、办公搂等）。
1．4．4国内外研究现状
国外对天然气输配管网监视系统的建设的日趋完善，有了一整套成熟的技术和设备，结果表明性能可靠、稳定，具有相当的实用价值，对调压站的安全生产和设备维护起到了很大的作用，但是价格太高，难以推广使用。
由于缺乏相关的设备，国内的大多数天然气公司的调压站在工作过程中缺乏相应的状态监测和控制措施，在出现异常和故障情况时不能及时有效的停气和检修，从而给企业带来很大的浪费和损失甚至会酿成事故。
因而，如何将现代化的状态监测技术与调压站这一传统的工程领域有机的结合起来，带动调压站站向智能化、机电一体化方向发展，提高调压站工作时的安全性、可靠性，是当前天然气行业普遍面临的问题之一．这一急需要求我们在这方面自行努力，研究开发适合本行业的状态监测与故障诊断系统。
第2章天然气调压站监控系统总体设计
2．1监控系统设计方案考虑
监控系统设计方案的优劣决定了控制系统的成败。
因此，深入进行详细的系统分析十分必要。
在充分调研的基础上，进行控制系统总体方案的详细设计，包括控制系统的结构方式、系统处理器和通信主要设备选择，以及可靠性配置等。
2．1．1控制方式的选择
应用PLJC构成的控制系统有多种不同的控制方案可供选择。
一般的，系统的控制方式按控制器和被控对象的关系来划分，有集中控制和分散控制两种控制方案，而根据处理器和I／O的位簧关系，有本地控制．远程控制和混合控制3中控制方案。
所以，控制系统的基本结构方式可以有六种，即集中本地控制。
集中远程控制、集中混合控制和分散本地控制、分散远程控制和分散混合控制。
本系统采取的是集中本地控制的控制方式。
2．1．2总体设计的主要内容
总体设计的主要内容包括以下几点：
（1）本系统根据用户的要求和被控对象的控制范围、控制规模、系统是否冗余等要求进行了综合考虑，同时，充分考虑系统的性能价格比等因素，确定控制系统总体方案，采用集中本地控制。
（2）在确定了控制系统方案以后，明确各组成部分的基本功能，包括硬件的主要设备，如处理器、工作站、控制网络通信设
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