大型工业天然气压缩机站分布式监控系统

　　油气集输是指把分散油井所产石油、伴生天然气和其它产品集中起来，经过必要的处理、初加工，合格的油和天然气分别外输到炼油厂和天然气用户的工艺全过程。节能降耗、提高效率，不断把分散的油气集输各单元整合成一个具有整体行为的链式生产系统，工艺操作更加紧密关联。天然气压缩机站作为这个链式系统的关键环节，不仅是油田外输气的枢纽，也是平衡生产负荷的节点。除对压缩机本身的安全要求极高外，一旦发生故障将导致油气集输整个生产过程不能正常运转，甚至会扩散到下游企业。

　　某油田在2005年对压缩机站进行重建，引进五台活塞式天然气压缩机（包括两台高压机、两台低压机和一台高低压备用机）结合工艺实际，采用PLC技术，自主研发了天然气压缩机站数字监控系统。投运以来，数字监控系统运行平稳，不仅压缩机站实现安全生产，也为油气集输生产实现稳定、协调和优化提供了重要的保障。

　　2数字监控系统设计天然气压缩机站工艺复杂，生产连续性强，事故危害大，需要“防患于未然”，避免事故发生。对数字监控系统的总体要求是稳定可靠、功能齐全，应具有如下特征：**，必须具有适用于强震动现场的硬件结构和能与被监控机组同周期运行的高可靠性；第二，系统在机组处于任何运行状态或者运行状态改变时，都不能丢失任何数据。要能采集和保存事故现场的全部信息，即系统要具有高采样实时性和快速性；第三，系统应具有符合生产实际状况和需要的工程实用分析与诊断功能，使其在生产中充分发据同步、共享。

　　为了保证整个系统的可靠性和安全性，把整个系统设计为上、下两层，保证各子系统功能专一、数据分散、管理集中。从功能实现上，上层进行日常辅助管理和主要信息收集；下层完成现场基站的实时监控，保证整个压缩机站的日常生产安全、平稳、高效。整个数字监控系统共分为四个部分：①现场基站监控系统开发与设计。完成基础数据的监控、管理；②现场ESD系统设计。完成重点部位与天然气泄漏的监控管理；③上位管理机设计。完成数据共享与集中管理的目的；④网络拓扑结构设计。完成数据的传输结构，保证数据安全共享。具体分析与设计如下。

　　21现场基站监控系统开发与设计每一台活塞式压缩机需要实时监视的测量参数包括电机电流、反应器进气压力和排气压力、产物流量、绕组温度、气缸温度、润滑油压力和温度、仪表风压力、冷却水压力、润滑油液位、冷却水液位等。基站监控系统的主要任务是监控每台压缩机组运行状态，具体要求：实时地、真实地反映系统运行状态，保证系统的正常工作，防止意外事故发生；对系统中主要元件，如电机、阀门及其他伺服元件的工作状态进行监控，对故障进行显示及报警；显示系统监控对象（如温度、压力等）的当前值，并支持通过数据库的历史数据查询；预测系统状态变化趋势，对未来的运行趋势进行预报，对将要发生的故障进行报警，并给出故障处理方法及措施。

　　为了保证系统的兼容性与一致性，下位机全部采用西门子SMATES7系列PLQ其中，选用一台S7-00控制器对冷却水液位、润滑油液位等外围参数进行检测与控制，选用三台S7-300控制器分别对两台低压压缩机组和一台高低压备用压缩机组的运行状态进行监控，而对两台高压压缩机组的监控则由两台S7-200来完成。在车间现场，对应五台压缩机组设置五台西门子SMATCTP270触摸屏，以实现现场的监控与操作。在对上位机的数据发布方面，四台S7-300控制器通过生产以太网，两台S7- 200控制器使用S7-2⑴系列以太网专用模块通过西门子发布的PCAccessOPC软件与上位机通讯。系统设计了现场的基础自动化、过程监控和调度远程监视、诊断的三级管理模式，即数据采集（EmerrencyShfdSnaDeSe）紧i急停车系统正正是！结构构如图rights 24基于系统应用的网络拓扑设计241网络需求描述压缩机站采集的实时信息是企业生产信息的重要组成部分，数字监控系统网络设计要求是：①能实现现场PK：与车间、生产指挥部门间的高速数据传输；②必须满足现场防爆要求；③各PUC与上层管理系统在网络平台上能实现数据资源共享的快速响应；④可靠性高，维修、维护方便，为今后更广泛的数据共享提供互联端口。

　　通过分析，为天然气压缩机站数字监控系统设计了上、中、下三层的系统结构，如所示。其中，**层为现场PLC层。该层主要完成现场单元机组运行监测和数据设定。共有六台PLQ分别用于五台机组和外围管线的现场控制，也称现场控制单元。第二层为车间级管理层。该层主要完成现场数据的集中管理、监测和各机组的优化运行。第三层为公司级管理层。该层主要完成压缩机站部分的数据监测，通过数据收集和曲线分析，便于生产指挥人员及时平衡各运行装置的生产。

　　242网络拓扑设计从现场PIC情况看，由于五台机组PIC和一台外围管线PIC采用的西门子SMATCS7系列PIC该产品具有支持TCP/P协议端口。据此我们摒弃了以往工控场所常见的环行组网、动态DDE等模式，采用以太网作为该数字监控系统集成的网络设计**。

　　在现场层采用光纤布设，将光电转换部分置于机组电气防爆箱中，很好地实现了现场PIC的以太网连接，达到了防爆要求，避免了现场的大型电磁干扰。

　　在车间级中控层，采用交换机实现中控室各工作站与现场PIC的数据交换。

　　T>在车间级与公司级的联网中9由于生产、办公的。，两种需求，为了降低成本，采用同缆分芯方法，将生产网独立出来，避免“病毒”侵害等危险发生而影响正常生产管理。同时将压缩车间的办公微机直接接入公司局域网。

　　3系统实现与应用用基本元件或图形库中对象制作生产工艺流程监控界面，并将变量与每个对象连接，也就相当于界面中各个对象与现场设备相连，从而可在上位机界面中监控现场设备的运行信息。系统提供了如下功能：机组工况总览、实时数据显示、机组动态流程、趋势显示、组态报警、棒图显示、比例积分微分环节（PD）调节、报表打印及探头布置、火灾逻辑图、可燃气逻辑图、可燃气探头状态图、火灾报警记录等。

　　天然气压缩机数字监控系统的投产运行，保障了企业天然气压缩外供任务的顺利完成，有很好的应用前景和推广价值。

　　在设计思路上，由于考虑到今后的安全保障和日常维修、维护，我们应用当前国际上流行的工业监控集散思想进行总体框架设计，采用西门子SMAT-C系列PC作为基站数控的核心底层平台；采用WiCC组态软件实现软、硬件结合和上位机系统的管理应用。应用光纤以太网组建数据快速共享通道，不但达到了现场的高防爆要求，而且减少了以往的通讯环节多，协议转换复杂等情况。降低了投资成本，为今后的维护提供了便利。

　　在保障安全上，集成的ESD系统从本质上起到了保障安全的作用，将安全事故的隐患发生降到了*低。在管理上，通过系统实现，使装置的工作效率得到极大改善，提高了基层岗位人员在线监控装置运行的能力，也为生产指挥人员平衡生产运行提供了实时在线数据。

　　在节能上，由于采用监控系统，可以对机组的工况进行在线分析，减少故障停机次数和检修周期，降低了经营成本。

　　4结束语天然气压缩机组过程监控系统采用分布式控制架构，单机控制功能的分散提高了系统的可靠性，监视和操作集中增强了系统功能。系统投入运行后，对企业实现经济、平稳、高效运行带来了极大的帮助作用。虽然在该监控系统的开发过程中，取得了一些成果，但在监控领域以及故障诊断领域，还有很多工作需要继续研究，例如故障诊断功能及系统容错功能需要进一步开发。对于复杂的大型工业系统，开发出一套集监控、分析、诊断和显示于一身的专家系统，是未来的工作目标。