撬裝式加注站控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張未超

摘要：介紹了LNG撬裝式加注站的原理及控制要求，并針對(duì)工藝要求設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用SIEMENS S7-1200系列PLC作為主控制器，依據(jù)工藝控制要求，對(duì)系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)LNG撬裝式加液站儲(chǔ)罐壓力的典型非線性、時(shí)變且受隨機(jī)干擾的特性，本文擬采用模糊控制器進(jìn)行調(diào)壓。目前已在實(shí)際撬裝站上得到成熟應(yīng)用，為L(zhǎng)NG撬裝式加注站控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了成功經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：撬裝式；加注站；LNG；儲(chǔ)罐壓力

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）35-0289-03

The Research and Design of the Control System of the Skid Mounted Filling Station

ZHANG Wei-chao

（Hebei University of Engineering， Handan 056038， China）

Abstract： This paper introduces the principle and control requirements of LNG skid mounted filling station， and designs the monitoring system for the process requirements. The system selects S7-1200 SIEMENS series PLC as the main controller， according to the requirements of the control process， the upper computer and lower computer of the system are designed. Aiming at the typical nonlinear， time varying and random disturbance characteristics of the tank pressure of the LNG skid mounted liquid storage tank， this paper intends to use the fuzzy controller to adjust the pressure. At present， it has been successfully applied to the actual skid mounted station， which provides successful experience for the development of LNG skid mounted filling station control system.

Key words： skid mounted； filling station； LNG； tank pressure

每到冬季全國(guó)各地將出現(xiàn)嚴(yán)重陰霾天氣，空氣嚴(yán)重污染，影響了居民生活，引發(fā)大面積流感和呼吸道疾病。其中汽車尾氣是霧霾產(chǎn)生的罪魁禍?zhǔn)字?，霧霾的治理一直以來都是困擾著我國(guó)乃至世界其他各國(guó)的一個(gè)難題，盡管不斷出臺(tái)治理措施和辦法，但都未能從根本上治理霧霾。為此，各國(guó)均在積極尋找清潔燃料，設(shè)法從根源上解決傳統(tǒng)燃料汽車尾氣而造成的空氣污染問題。液化天然氣（liquefied natural gas）作為一種清潔能源，憑借著其燃燒后無污染物排放的優(yōu)勢(shì)，越來越受到人們的歡迎。現(xiàn)在，公交車、出租車等公共交通工具以及部分私家車都以液化天然氣為燃料[1]，可從一定程度上有效緩解城市的空氣污染問題，對(duì)傳統(tǒng)汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型帶來了很大的影響，同樣也促進(jìn)了LNG撬裝式加注站的大力發(fā)展。建設(shè)LNG撬裝式加注站是治理機(jī)動(dòng)車輛排放污染，改善空氣環(huán)境質(zhì)量的有效舉措，到目前為止，LNG撬裝式加注站在我國(guó)已得到廣泛的應(yīng)用。本文將對(duì) LNG 加注站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做進(jìn)一步探討。

1 撬裝式加注站概述

LNG撬裝式加注站是集潛液泵、汽化器、氣體管道、加注機(jī)以及控制柜等設(shè)備于一個(gè)撬塊上，擁有機(jī)動(dòng)靈活、自動(dòng)化程度高、集成程度高、高可靠和低隱患等優(yōu)勢(shì)，安裝以及運(yùn)輸都比較方便，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)的用氣不方便的難題，突破了傳統(tǒng)建設(shè)工期過長(zhǎng)問題，有效降低建設(shè)成本[2]，這更加快了LNG撬裝式加注站的發(fā)展速度。

LNG撬裝式加注站主要有6種模式，分別為待機(jī)模式、卸車模式、升壓模式、加注模式以及緊急停車模式[3]，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，將處于緊急停車模式。工藝流程圖如圖1所示。

1） 待機(jī)模式

待機(jī)模式為潛液泵停止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)僅LNG儲(chǔ)罐與泵池之間的氣相閥門開啟，其余閥門均關(guān)閉，以平衡儲(chǔ)罐和泵池的壓力。本系統(tǒng)大部分時(shí)間運(yùn)行于待機(jī)模式。

2） 卸車模式

卸車方式主要分為3種，分別為自增壓卸車、泵卸車和自增壓與泵聯(lián)合卸車。自增壓卸車的工作原理是經(jīng)卸車增壓口流出的LNG通過卸車增壓器，將氣化后的氣態(tài)天然氣送入LNG槽車，使槽車壓力增大，利用壓力將槽車內(nèi)的LNG壓入LNG儲(chǔ)罐。泵卸車的工作原理是首先將LNG槽車和LNG儲(chǔ)罐的氣相空間連通，平衡壓力，然后啟動(dòng)潛液泵，由 LNG低溫泵將槽車內(nèi)的LNG卸入LNG儲(chǔ)罐。自增壓和泵聯(lián)合卸車方式是將前兩種卸車方式相結(jié)合，利用此方式卸車效率最高。

3） 升壓模式

在運(yùn)行加注模式之前，給儲(chǔ)罐進(jìn)行升壓是必不可少的環(huán)節(jié)。儲(chǔ)罐升壓主要有增壓器升壓和增壓器與泵聯(lián)合升壓兩種方式。增壓器升壓方式是把液態(tài)天然氣經(jīng)汽化器轉(zhuǎn)換為氣態(tài)天然氣，然后由氣相管進(jìn)入儲(chǔ)罐，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行增壓。增壓器與泵聯(lián)合升壓方式是由潛液泵將液化天然氣輸送到增壓器中，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)天然氣后輸送至儲(chǔ)罐，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行增壓，可見此種增壓方式效率較高。

4） 加注模式

正常情況下，在沒有車輛加注時(shí)，系統(tǒng)和LNG加氣機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。加注前，若加注條件不滿足，需要向泵池內(nèi)輸送液化天然氣進(jìn)行預(yù)冷[4]，LNG泵達(dá)到預(yù)冷設(shè)定溫度后，工作指示燈亮起，表示可正常工作。將加液槍與汽車真空瓶接口相連接，打開有關(guān)閥門，同時(shí)啟動(dòng)潛液泵，完成加注過程。加注結(jié)束后，系統(tǒng)再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)

5） 緊急停車模式

按下緊急按鈕，將停泵并關(guān)閉除LNG儲(chǔ)罐與泵池之間的氣相閥門之外的所有的氣動(dòng)閥門。當(dāng)故障排除后，松開緊急按鈕，按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)恢復(fù)到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

LNG撬裝式加注站控制系統(tǒng)由下位機(jī)PLC控制站和觸摸屏監(jiān)控站組成二級(jí)控制系統(tǒng)，包括壓力液位數(shù)據(jù)采集、超壓及低壓報(bào)警、USP不間斷供電系統(tǒng)、LNG泄露檢測(cè)報(bào)警等功能，將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，可24小時(shí)全天候監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，將歷史報(bào)警數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，方便排除系統(tǒng)故障點(diǎn)。系統(tǒng)整體布局，如圖2所示。

下層PLC硬件輸入輸出（I/O）配置如下：

本系統(tǒng)的主要開關(guān)量信號(hào)輸入變量12個(gè)。數(shù)字量輸入變量分配情況。

系統(tǒng)總覽界面即總流程畫面，為該系統(tǒng)主界面，可查看LNG儲(chǔ)罐壓力及液位、泵池的溫度及液位、氣動(dòng)閥門集氣罐壓力和各氣動(dòng)閥門的開閉狀態(tài)等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控撬裝站的整個(gè)工作流程的運(yùn)行狀況。通過參數(shù)設(shè)置界面，可根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)置LNG儲(chǔ)罐的壓力及液位、泵池的溫度及液位等參數(shù)的報(bào)警上下限值，當(dāng)超出設(shè)定范圍時(shí)系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間產(chǎn)生報(bào)警，避免事故的發(fā)生。將歷史報(bào)警記錄儲(chǔ)存起來，便于及時(shí)有效地排除故障點(diǎn)，保障了整個(gè)撬裝站控制系統(tǒng)的高可靠，無隱患運(yùn)行。觸摸屏的系統(tǒng)總流程圖。

5 結(jié)語

本文完成了所在撬裝式加注站的數(shù)據(jù)采集、連鎖保護(hù)、漏氣報(bào)警、切斷控制、儲(chǔ)罐壓力控制等設(shè)計(jì)任務(wù)，達(dá)到了高可靠、無隱患、精準(zhǔn)的控制目的，完全符合工藝控制要求。該LNG 撬裝式加注站控制系統(tǒng)已被成功運(yùn)用于實(shí)際撬裝站，自系統(tǒng)運(yùn)行以來零故障產(chǎn)生，且高穩(wěn)定性、高實(shí)時(shí)性，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，方便用戶使用。對(duì)中小型撬裝式加注站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊修杰，趙普俊，甘蓉，等. LNG汽車加氣站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2014，35（9）：30-33.

[2] 張志. LNG氣化儲(chǔ)配站自控系統(tǒng)[D].南昌大學(xué)，2009.

[3] 楊大志，孫祥國(guó)，柳忠彬. 基于S7-200PLC的LNG氣化站控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39（6）：731-734.

[4] 朱子焜. LNG氣化站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2011.

[5] 許維峰. 西門子S7-300 PLC在LNG系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 科技與企業(yè)，2013（7）：336-337.