工业自动化技术方案标准.docx

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工业自动化技术方案标准

广西区钦州市天然气利用工程

PLC控制系统

技术方案

甲方：

中国燃气控股有限公司

乙方：

深圳市联诚自动化技术有限公司

一工程概述

1.1项目简介

中国燃气控股有限公司是一家在香港联交所上市的天然气专业运营服务商，主要在中国大陆从事投资、建设、运营、管理城市燃气管道基础设施，向居民、公建和工业用户输送天然气，建设及经营加油站和加气站，开发与应用石油、天然气相关技术。

中国燃气控股有限公司市值20多亿，主要由海峡经济科技合作中心、中国石油化工股份有限公司、中国工商银行等几大股东组成。

目前中国燃气控股有限公司在中国内地已有运营的子公司25个，投入建设和运营的燃气项目已超过50个，集团拥有员工2000多人。

项目地点：

广西区钦州市

工程范围：

为广西省钦州市天然气利用工程提供LNG气化站PLC集中控制系统，满足系统要求。

1.2LNG气化站工艺

在一个城市，LNG气化站、城市管网、调压装置和终端用户四个环节构成了一个完整的城市燃气输配系统。

LNG气化站是天然气输配系统的一个重要组成部分,主要是对运来的LNG进行储存、气化、调压、计量、加臭，是城市输配系统的气源点,可使整个输配系统运行更加安全可靠。

因此LNG气化站的位置应具备以下条件：

1）尽量靠近城区用气负荷中心地带，以减少管道的无效长度。

2）应选择无损于景观的城区边缘区。

3）具有较好的供水、供电条件。

4）与周围的距离满足防火规范的要求。

5）靠近城区道路。

LNG气化站是天然气输配系统的一个重要组成部分,是输配系统的心脏,主要起着储存、气化、调压、计量、加臭的重要作用,以满足中压管网供气要求。

LNG气化站由储罐区、气化区、汽车卸车区、放散塔、集液池、电子汽车衡、门卫、控制室及值班室、消防水池、生产辅助用房等组成。

工艺流程

卸车过程——液化天然气（LNG）槽车或LNG集装箱车将LNG通过公路运输至本站后，利用槽车上的升压气化器将LNG卸至站内低温储罐内（设计压力为1.0MPa，卸车时储罐压力为0.4MPa），或通过站内设置的卸车增压气化器将LNG集装箱车内的LNG卸至站内低温储罐内。

气化过程——储罐内的LNG利用自增压气化器升压，将罐内LNG压力升至所需的工作压力（0.6MPa），利用其压力，将液态LNG送至空温式气化器进行气化，当环境温度较低时，气化后的低温天然气需再经过水浴式复热器将天然气温度升到10℃，经气化后的天然气再通过调压（压力调至0.2～0.4MPa）、计量、加臭装置送入输配管网，为用户供气。

1.3方案

根据乙方对现有系统的了解和收到的技术资料，我们采用下面的方案：

A带有ProfibusDP通讯总线接口的CPU315-2DP控制器完成控制任务，CPU315-2DP包括了128K的RAM，最大支持1024本地DI/DO，16K分布式DI/DO。

速度为0.1MS/1K指令，完全满足系统的技术要求。

B整个系统输入输出模块保留15%的通道余量，为系统扩展提供接口。

C使用计算机和人机界面软件实现给实时监控和操作，在计算机中插入通讯网卡，与CPU315-2DP建立通讯连接。

工控机上安装STEP7V5.2编程软件和WinCC组态软件用于编程和图形显示。

E操作员站作为监视、控制、维护和事故处理的HMI（人机界面），在操作站上可调出系统中任意一个信息画面进行集中监视和控制。

操作人员、维护人员和系统工程师在相应的操作站上根据口令等级进行常规控制、复杂控制、系统维护、控制环节的建立和扩充。

对不同的应用要求提供专用的操作画面。

1.4一般供货条件

控制系统包含以下构件：

ØPLC柜，包括主控PLC，所有输入输出模块和相关控制接线，详情见控制系统技术规格和材料单

Ø操作台1个

Ø上位监控计算机1台，接口卡和相关监控编程软件

Ø系统软件与控制软件

Ø其它附件

Ø现场服务及现场培训

Ø资料

1.5资料

所有资料将基于西门子标准。

语言∶中文和英文

纸张规格：

DINA4

单位：

公制

二控制系统技术规格和材料单

2.1概述

乙方保证给新的PLC提供先进、可靠的SIMATICS7PLC和STEP7应用软件。

在合同执行过程中遇到技术发展和产品更新情况下，为了尽可能达到最先进的设备性能，在征求用户同意后，乙方能够根据规格书中必要的技术部分做相关的改变。

2.2SIMATICS7-300硬件

SIMATIC提供了最新设计的硬件，软件系统，应用标准，同时也提供了服务，这统一的代表特性的组合给予系统相当高的灵活性以满足整个生产厂的应用需求。

根据过程运用的不同要求，SIMATIC可从标准元件中组态以符合过程处理控制系统的任务。

取决于将要完成的任务，工艺过程的独立分部可应用一个或多个SIMATIC控制站来实现。

所有必需的过程处理功能如调节，控制，排列顺序，锁定等都组入这些站中。

模拟和二进制输入/输出模块使得过程处理站与工艺过程相连接。

有用于各种不同类型过程处理信号的输入/输出模块，必要时可把过程处理信号连接和延迟转换到S7-300站的CPU中。

A、CPU315-2DP

规格型号：

CPU315-2DP

通讯接口：

9针Sub-D插座MPI，9针Sub-D插座PROFIBUSDP

传输协议：

MPI/PROFIBUS-DP

最大传输速率：

12Mbit/s

最大地址空间：

1024字节输入，1024字节输出

最大从站数量：

32个

额定电源电压：

24VDC

电源电压范围：

20～30VDC

空载电流输入：

60mA

电源故障缓冲：

5ms

保护等级：

IP20

工作环境：

温度：

0～＋60℃，湿度：

10～95％

尺寸：

40×125×120mm

重量：

0.29Kg

B、分布式I/O

B．1ET200M分布式I/O站的主要构成

ET200M分布式I/O站主要由以下几部分组成：

SITOP直流电源

DIN安装机架

BM总线模板

IM153-1通讯接口模块

高可靠的I/O信号接口模块

B．2ET200M分布式I/O站的主要功能

现场控制站的ET200M分布式I/O站通过PROFIBUS-DP现场总线与S7-300中央控制器进行实时通讯，它主要功能是：

采集现场I/O信号，通过ET200M的I/O信号接口模块将现场数字量或模拟量信号传送到中央控制站，同时将中央控制器发送来的控制信号送至现场。

每个ET200M分布式I/O站最多可配置8个S7-300系列的I/O信号接口模块。

根据标书的技术要求，本自控系统选用了如下几种I/O信号接口模块：

SM321数字量输入模块：

16通道/32通道

SM322数字量输出模块：

16通道/32通道

SM331模拟量输入模块：

8通道

SM332模拟量输出模块：

4通道

ET200M分布式I/O站所有模块均采用了光电隔离

ET200M分布式I/O站的所有I/O信号接模块均采用了光电隔离，并具有限流、限压保护，现场任何高压、大电流信号都不会造成ET200M分布式I/O站其它模块的损坏，具有很好的抗干扰性能。

ET200M分布式I/O站所有模块均具有自动故障检测和显示功能

ET200M分布式I/O站的所有I/O信号接模块均具有LED状态显示功能，可直观地显示出模块工作是否正常。

SM331模拟量输入模块还具有信号开路、非正常输入信号检测功能。

ET200M分布式I/O站符合下列的国家标准或国际标准

DIN、EN、IEC

ULcertificate

CSAcertificate

FMclass1div.2;groupA,B,C,D

温度组T4（≤135℃）

造船业认证

B.3ET200M分布式I/O站的主要技术参数

通讯接口模块

规格型号：

IM153-1

通讯接口：

9针Sub-D插座

传输协议：

PROFIBUS-DP

最大传输速率：

12Mbit/s

最大地址空间：

128字节输入，128字节输出

最大模块数量：

8个

额定电源电压：

24VDC

电源电压范围：

20～30VDC

最大电流消耗：

625mA（额定电压时）

电源故障缓冲：

5ms

额定输出电压：

5VDC

最大输出电流：

1A（对于底板总线）

保护等级：

IP20

工作环境：

温度：

0～＋60℃，湿度：

10～95％

尺寸：

40×125×120mm

重量：

0.35Kg

数字量输入模块

规格型号：

SM321

输入点数：

16点/32点

额定输入电压：

24VDC

输入电压范围：

信号1时：

15～30VDC；信号0时：

-3～5VDC

典型输入电流：

信号1时，7mA

最大静态电流：

1.5mA

最大输入延时：

4.8ms

最大电缆长度：

600m（未屏蔽）

典型功率消耗：

6.5W

最大电流消耗：

15mA（背板总线）

光耦合器隔离：

有

绝缘试验电压：

500VD

保护等级：

IP20

工作环境：

温度：

0～＋60℃，湿度：

10～95％

尺寸：

40×125×120mm

重量：

0.26Kg

数字量输出模块

规格型号：

SM322

输出点数：

16点/32点

电源电压：

24VAC

短路保护：

有

最大电缆长度：

200m（未屏蔽）

典型功率消耗：

3W

最大电流消耗：

70mA（背板总线），160mA（前连接器）

工作环境：

温度：

0～＋60℃，湿度：

10～95％

尺寸：

40×125×120mm

重量：

0.23Kg

模拟量输入模块（0-20mA）

规格型号：

SM331

输入点数：

8路

输入信号：

0/4～20mA

允许最大输入电压：

60V

允许最大输入电流：

40mA

分辨率：

15位

基本误差极限：

±0.05%

积分时间：

2.5~100ms

输入阻抗：

50欧姆

故障诊断功能：

有（红色LED表示总故障，诊断信息可读出）

光耦合器隔离：

有

典型功率消耗：

3W

工作环境：

温度：

0～＋60℃，湿度：

10～95％

尺寸：

40×125×120mm

重量：

0.29Kg

模拟量输入模块（热电偶/热电阻）

规格型号：

SM331

输入点数：

8路热电偶/8路RTD电阻式温度计

输入信号：

热电偶类型T,U,E,J,L,K,N,R,S,B

热电阻类型Pt100,Pt200,Ni100

允许最大输入电压：

60V

分辨率：

15位

基本误差极限：

±0.05%

积分时间：

2.5~100ms

输入阻抗：

10M欧姆

故障诊断功能：

有（红色LED表示总故障，诊断信息可读出）

光耦合器隔离：

有

典型功率消耗：

0.6W

工作环境：

温度：

0～＋60℃，湿度：

10～95％

尺寸：

40×125×120mm

重量：

0.21Kg

模拟量输出模块

规格型号：

SM332

输出点数：

4点

输出范围：

0/4～20mA

最大负载阻抗：

500MΩ

额定负载电压：

24VDC

最大开路电压：

14VDC

分辨率：

15位

基本误差极限：

±0.1%

最大转换时间：

2.5ms

典型功率消耗：

4W

最大电流消耗：

80mA（背板总线）,180mA（前连接器）

故障诊断功能：

有（红色LED表示总故障，诊断信息可读出）

光耦合器隔离：

有

工作环境：

温度：

0～＋60℃，湿度：

10～95％

尺寸：

40×125×120mm

重量：

0.28Kg

C、人机界面

C．1WinCC

WINCC是SIEMENS在过程自动化领域中的先进技术与MICROSOFT在软件世界的领先水平相结合的产物。

WINCC即WINDOWS_CONTROL_CERTER（视窗控制中心）。

WINCC是一个强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。

在任何情况下WINCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。

WINCC拥有先进人机界面产品的所有功能，其集成的功能已包括：

图形系统：

用于自由地组态画面，并完全通过图形对象进行操作，图形对象具有动态属性并可对属性进行在线组态。

报警信息系统：

记录和存储事件并予以显示，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操作非常简便。

变量存档：

接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示及进一步的编辑功能。

报表系统：

用户自由选择一定的报表格式，按时间顺序或事件触发来对信息操作、文档当前数据进行用户报表输出。

数据处理：

对图形对象的动作使用C语言及C编译器进行编辑。

标准接口：

通过ODBC和SQL访问用于组态和过程数据的数据库。

应用程序接口：

允许用户编写可用于扩展WINCC基本功能的标准应用程序。

另外，WINCC还提供多种可选软件包。

如，通讯开发工具CDK，允许用户开发用于连接数据管理器与任何目标系统的通讯软件。

WINCC的组态及归档数据存放在关系型数据库中，数据可用标准工具如ODBC和SQL等读出。

很多标准的应用如MicrosoftExcel等可以和WinCC并行运行，同时可通过DDE装载过程数据。

操作员站软件允许通用的OCX、ActiveX链接。

更进一步，集成的OPC（OLEforprocesscontrol）服务器使得过程数据可由其它应用程序（OPC客户机）访问。

显示

控制系统的每个CRT都能综合显示字符和图形信息，机组人员完全可以利用鼠标通过CRT实现对机组运行过程的操作和监视。

（每幅）画面上都能显示过程变量的实时数据和设备的运行状态，这些数据和状态在规定时间内更新一次。

数据或图形的显示随过程状态而变化。

棒图和趋势图可以在任意画面的任意位置显示。

控制系统的所有测点，包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、中间变量和计算值都可以在画面上显示。

对每一个测点，还包括显示其位号、文字说明、工程单位、高低限值等。

操作站（WINCC）可提供多个窗口显示。

操作站软件具备顺控逻辑和步序的模拟图显示功能，画面的数量是不受限制的。

运行人员可以通过鼠标对画面中的被控装置进行手动控制。

画面上的设备正处于自动程控状态时，模拟图上显示出设备的最新状态及自动程序目前进行至哪一步。

如果自动程序失败，则有报警并显示故障出现在程序的哪一步。

WINCC为用户提供了丰富的图形和仪表符号图库，用户还可以建立自定义的新图库，新建的图库可以被存储和检索。

操作站WINCC的性能直接依赖于PC硬件的性能。

采用高性能的PC将明显获得高的性能。

画面的数量只受硬盘容量的限制，每幅画面容纳的过程测点数可以达到500个以上。

WINCC采用多层显示结构，显示的层数可根据工艺过程和运行要求来确定，这种多层显示可使运行人员方便地翻页，以获得操作所必需地细节和对特定的工况进行分析。

多层显示包括总貌显示（区级显示）、成组显示和回路显示。

报表（记录）和存储

WINCC提供了一套集成的报表系统，数据库里的所有过程点都可以打印输出。

它可以将在过程中录入的数据以各种方式输出，如：

信息顺序记录、信息归档报表、操作者记录报表、系统信息报表、用户报表、硬拷贝等。

输出的页面格式是自由的，用户自定义的。

右图:

报表与记录

除了打印到打印纸，还可以打印输出到文件及在屏幕上打印预览。

可以定义打印任务按小时、天、星期及月报表形式循环输出。

报表输出可由以下情况触发：

按时间顺序触发、事件触发、操作者触发。

信息顺序记录可以将输入的信息立即打印输出到预先定义好的打印机上，逐行打印。

信息存档可以分成短期存档和长期存档。

短期存档最多可存储10000条信息，以环形档案库的方式储存在内存或硬盘中。

用户可以通过一些选择条件规定哪些特定的信息需要归档。

短期档案库为一个环形的缓存区，新来的信息总是首先覆盖最老的信息。

长期存档用作短期存档的延续，通常被置于硬盘或软盘上，可设计成环形档案库或连续档案库。

长期存档只受磁盘空间大小的限制。

用户可以调出和返回存档，系统会发出信息来通知用户磁盘还有多少可用空间，使得用户可以及时作出反应。

WINCC借助其WIZARD（向导程序）及AS控制站的功能，可以轻松地实现操作记录。

WINCC通过标签管理器可以周期地或事件触发地记录测量值。

用户不仅可以记录过程值，还可以记录内部标签值、来自任何应用的值以及手动输入的值。

数据被存储在硬盘的测量值存档中，采样周期的范围在500ms到一年之间。

为了快速地获得这些测量值，系统在内存中提供了一个循环的缓冲区来管理这些数据（在线曲线）。

WINCC提供连续周期存档、有选择的周期存档、非周期存档、有改变时存档等几种不同的方法来记录测量值。

连续周期存档是系统一经启动就按照时间顺序以一定的周期存储测量值，直到系统关机为止。

运用此方式可以生成交接班记录、日报和月报，自动进行记录打印。

有选择的周期存档是从指定的启动事件开始，按照时间顺序以一定的周期存储测量值，直到停止实践发生为止。

非周期存档时，一个或多个事件触发或停止测量值的记录。

有改变时存档是系统只在被监控值的变化超出了预先定义的阈值时将该值存档。

计算

WINCC提供集成的标准C语言编程环境，任何用户程序都可以同时与WINCC一起运行，并且可以使用WINCC的数据库和WINCC的内部函数。

用这种方法，WINCC可以解决任何性能计算问题。

2.3防雷与接地设计

2.3.1防雷系统

由于电子设备的不断普及增多，各工业企业电子设备遭受雷击的事故时有发生。

所以，如何减弱与防范雷电危害已经引起各企业的足够重视。

按照防雷理论，雷击从形式上可分为直接雷击与感应雷击两种。

直接雷击是指雷电直接击在物体上，产生电效应、热效应和机械力破坏的雷击现象。

对于直接雷击的防护，主要采用给建筑物设置避雷装置（如避雷针、避雷带等）以及在强电系统安装高低压避雷器装置等办法。

感应雷击是指雷电通过静电感应或电磁感应途径破坏被击物，一般目前弱电设备发生的雷击多为感应雷击故障，其主要破坏力主要表现为：

1）由于雷电引发的电荷分布不均，通过静电感应而产生的局部过压对仪器仪表电子设备的损害、据有关资料，此电压有时可达几十千伏，足以使接地不良的电器受破坏。

2）由于雷电流形成的电磁场的变化，通过电磁感应使周围导体产生过压，此感应电压往往会沿导线传输，破坏与之相连的有关电子设备。

3）雷击使微电子设备地不“干净”，电位不均，导致高电位地反击破坏电子设备。

完整的防雷系统，应该对直接雷击与感应雷击实行由最外层到最内层的多级保护。

最外层是直接雷击区域，危险性最高，一般在土建时采取避雷针的方式，保护范围大，利用建筑主钢筋作为引下线，接地电阻小于4欧姆，抑制上行雷的形成、降低雷击发生概率和延缓雷击放电时间。

内部防雷是为了防止雷电或其他内部过电压，通过电缆和导电导体等侵入各级用电设备而造成的损失。

对于高低压进线和配电系统设备，应实施一、二级防雷；对于用电设备终端、网络设备等，根据设备的重要性，选择性的采用三级防雷（如仪表）。

2.3.2防雷设计

对于自控及仪表系统来说，最常见、对电子设备最具危害的干扰形式是暂态过电压，产生的原因很多，如沿电源线来的雷电过电压波或主开关操作、无功补偿电容器及电梯等重负荷设备的投入和切除。

大部分暂态过电压的产生带有随机性和重复性，往往伴随配电网中其他扰动现象（如开关跌落或供电中断等）的发生而产生，甚至会损坏UPS和稳压电源等设备。

因此，在防雷系统工程中，除了有良好的避雷针、下引线和地网系统外，同时必须在电源系统、数据信号系统进行可靠、有效的防护工作，并具有可靠的接地装置。

基于以上分析，本方案从各种可能引入雷电流和感应浪涌及各种过电压的电源和数据信号线路入手，选用世界一流的电源及数据信号防雷器件，对监控系统进行保护，防雷工程的重点放在因雷击或线路过电压产生的浪涌过电压和浪涌过电流而导致对内部设备的损坏上，主要采取以下措施防雷：

敷设线路时，电源线将尽可能远离信号线，避免并排敷设。

✧对于每一个PLC控制柜电源进线均加装过电压电源防雷器；

✧对于每一路模拟量信号均加装专用的信号防雷器；

✧对于每一路通讯网络返回柜内部分加装网络防雷器；

✧将所有的防雷器的接地线全接到公共主地线上。

2.3.3防雷设备的选型

本工程的防雷设备分为电源防雷（过电压保护）和信号防雷（浪涌吸收）。

2.3.3.1电源防雷

电源防雷按耐过电压等级主要分为：

Ⅳ类6KV、Ⅲ类4KV、Ⅱ类2.5KV、Ⅰ类1.5KV以下；按防雷措施主要分为：

Ⅰ级（主配电系统）、Ⅱ级（分配电系统）。

由于自控及仪表系统的电源系统属于分配电系统和终端设备。

因此电源防雷只选Ⅱ级防雷（分配电系统，本系统为UPS）。

方案选用的是LEIDUN的LD620-V/2型保护器，其主要性能：

✧安装位置：

控制器柜

✧防雷等级：

II/C

✧UnitVoltageUn：

230V

✧最大抗浪涌能力Imax：

40KA（8/20s），

✧标称电流IN：

>20KA（8/20s）

✧最大连续工作电压UC：

383V（L-N）/260V（N-PE）AC

✧制电压：

≤800V（Testcurrent3KA8/20s）

✧电压保护级别：

≤1KV（测试电流，10KA8/20s）

✧熔丝保护：

有

✧反应时间tA：

<25ns

✧工作环境温度：

-40℃至80℃

✧保护模式：

L-N,L-G,L-L,N-G

✧远程监控干接点：

0.75A（250VAC）/3A（125VAC）/2A（30VDC）

2.3.3.2信号防雷

信号防雷采用的是短路方式，短路方式是在防雷器遇到瞬间过电压时对地短路使雷电流导入大地，从而保护电子设备。

由于这种方式防雷器本身承受反压低，设备经济简单，所以逐渐被广泛应用。

信号防雷主要用于24VDC以下信号（包括24VDC供电，4~20mA信号，通讯等）的防雷，选用型号为LDS2-24/L。

✧UnitVoltageUn：

24V

✧最大负载电流：

26A

✧最大工作电压：

34V

✧最大抗浪涌能力Imax：

10KA

✧限制电压保护水平：

，≤180V

✧漏电流：

<1μA

✧接入阻抗Rs：

≤2.2Ω/line

✧响应时间：

≤1ns

✧组成结构：

可插拔结构，能够进行带电热拔插，安装维护方便

✧反应时间tA：

25ns

✧工作环境温度:

-40~+85C

✧安装方式:

串联导轨安装

✧防护等级IP20

2.3.4系统接地

2.3.4.1概述

接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷、感应雷或其他形式的雷，避雷工作的最终都是把雷电流送入大地。

储存雷能量为人类造福，目前科技还达不到，因此没有合理而良好的接地装置是不可能谈及防雷的。

所以说设计、施工好高标准的接地系统是防雷工作的重中之重。

过去讨论接地的时候，总是把讨论的焦点放在要求接地电阻小于多少欧姆上。

长期以来，人们有一个错觉，认为接地电阻越小避雷效果就越好，被保护的对象就安全。

当然电阻越小散流越快，雷击的高电位保留时间越短，危险性越小，其跨步电压、接触电压产生的机遇也就越小。

但是，近十几年来的实践证明，与其说接地电阻值重要，不如说接地装置的结构更合理、重要。

现在的城市，在一座建筑物内有许多不同性质的电气设备，需要多种接地装置，如避雷