基于PLC的天然气调压站的监控系统设计毕业论文
本科毕业论文
基于PLC的天然气调压站的监控系统设计
BACHELOR’S DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITY
Design of PLC-based Gas Pressure Regulating Station Monitor and Control
System
College：Pei Li School of Petroleum Engineering
Subject：Gas Storage and Transportation
Name ：Chen Xu
Directed by：Wu Mingyong
May 2015
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日
学位论文版权使用授权书
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日
导师签名：日期：年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：（签名）
年月日
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主要以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
ABSTRACT
The supply of conduit gas spreads widely because of its advantages such as：convenience，economy,and safety etc,It gradually replaces the bottle packing gas．Gas is flammable and explosive．In order to ensure the safety of gas supply and realize the best adjustment，we must master the status of the system and datas such as pressure，flux，temperature in time，so the develpoment of the system is based on the need.
CPU 224XP is used as controlling core of the system and the sensors as measuring component and the electromagnetic valves and the relaies as executive unit．CPU not only need to deal with analog signal from EM231，but also is responsible to communicate with flowmeter and master computer to complete the whole control mission，thus it realize the purpose of parameters controlling，warning instruction and controlling the action of related electromagnetism valve. firstly,the thesis analyse the significance of the intelligent supervision of the gas station．Confirms system function goals and performance parameters,and then putsforward the designing overall frame and dividing into function modules．
KeyWords：Gas station for pressure adjustment;PLC;Communication;Mon itoring System
目录
第1章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.1.1天然气城市输配系统的构成 (1)
1.1.2天然气城市输配系统压力级制的确定 (1)
1.1.3门站 (2)
1.1.4国内外研究现状 (2)
1.2本人的设计方案考虑 (3)
1.2.1控制方式的选择 (3)
1.2.2总体设计的主要内容 (3)
1.2.3几点应考虑的事项 (3)
1.3监控系统的主要功能 (4)
1.3.1调压系统简介 (4)
1.3.2监控系统的主要功能 (5)
第2章天然气调压站监控系统硬件设计 (6)
2.1显示器选择 (7)
2.2监控系统各个部件的连接设置 (7)
2.2.1 通信电缆的制作 (7)
2.2.2 电脑与触摸屏的连接 (9)
2.2.3 触摸屏与PLC连接 (9)
第3章天然气调压站监控系统软件设计 (9)
3.1 西门子S7-200 PLC芯片的I/O端口分配 (11)
3.2 智能监控系统触摸屏操作界面设计 (12)
3.2.1 选择编译软件ADP6.0 (12)
3.2.2 触摸屏界面的设计方法 (12)
3.2.3系统的操作界面具体设计 (13)
3.2.4人机界面的总体功能结构 (13)
3.2.5主要功能界面设计 (14)
3.3 S7-200 PLC芯片通信协议（MODBUS协议） (19)
3.3.1 MODBUS协议应用（主从模式） (19)
3.3.2 MODBUS协议概述 (19)
3.3.3 通信协议设置 (19)
第4章天然气调压站监控系统可靠性设计 (21)
4.1环境条件的考虑 (21)
4.2监控系统的硬件抗干扰设计 (21)
4.3软件可靠性设计 (22)
结论 (24)
参考文献 (25)
致谢 (26)
第1章绪论
1.1 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。
天然气调压站是城市天然气输送系统的核心之一，而天然气调压站智能监控系统是天然气调压站的重要组成部分。集中监控与管理天然气输送系统的各项压力参数指标在整个系统中占着极其重要的地位。随着网络技术的普遍应用，天然气调压目标的智能远程监控也成为天然气调压站的一个重要方向。良好的监控系统可以极大地降低工作人员的劳动强度，提高工作效率，提高天然气供应的稳定性和可靠性[1]。
1.1.1 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。
1.1.2 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2.0Mpa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。
1.1.3 门站
门站接收长输管道上分输站的供气，对天然气进行过滤、计量、调压、检测与加臭等，并且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）。
1.1.4 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。
1.2 本人的设计方案考虑
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。
1.2.1 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三种控制方案。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。
1.2.2 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、控制网络通信设备和软件及其数量。
（3）对总体方案进行了可行性可可靠性的论证，以确保控制方案能满足用户的全部要求，并具有一定的先进性。
1.2.3 几点应考虑的事项
控制系统无论规模大小，其目的都是为了实现被控对象的工艺生产监视和控制，提高生产效率、产品质量、系统安全性和可靠性以及降低劳动强度等。因此，在设计PLC控制系统时，着重考虑以下几点事项：
（1）所选用的PLC满足被控对象的控制要求，技术成熟，通用性好，可靠性高。
（2）在满足控制要求的前提下，系统本身安全可靠。
（3）考虑到工艺发生变化时系统的余量和扩展能力。
（4）所设计的控制系统简洁，有建高的性价比，操作使用和安装方便。
（5）设计的系统有一定的先进性。
1.3 监控系统的主要功能
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。天然气管网监控系统是一个大型的集中管理，统一调度，分散控制的计算机网络监控系统。系统一般由调度中心计算机管理系统，门站、区域调压站及数据通信网络等构成。其中门站和调压站的主要功能有：根据消耗量来调整供应量以满足长期需求；对管网进行负载平衡控制；允许远程压力调节；向调度中心上传数据。随着计算机技术的应用，由微机及智能化器件组成的燃气自动监测系统成为燃气实现自动化生产供应不可缺少的工具。智能控制系统是利用远程压力传感器采集压力、流量计采集的流量信号，通过PLC系统的输出控制减压阀、增压阀和泄压阀，以达到燃气稳定供应的目的。
1.3.1 调压系统简介
调压系统由工作调压器，监控凋压器，切断阀，放散阀，相应的管道阀门组成，共有2路调压路，一用一备。
调压系统功能为调节调压计量站出口压力，为下游用户提供压力稳定的气源，并与限流、调流系统，计量系统一起，限定下游用户的用气流量及在用户达到预定的用气量之后切断气源。每条调压回路具有相同的配置，有一台独立的切断阀，一台监控调压器，一台工作调压器及进出口隔断阀组成。正常工况下，工作调压器调节天然气调压站出口压力，当工作调压器失效，监控调压器将投入运行控制管线压力，如果监控调压器也失效，下游压力继续升高，当压力达到切断阀设定点时切断阀切断。此时备用路工作调压器将投入运行，来控制天然气调压站的出口压力。
调压系统主要是通过对各个调压器的压力设定的差异来达到自动切换的目
的，若主回路工作调压器压力设定在0.4MPa，则监控调压器的压力设定要略高于主调压器为0.44MPa，而备用调压回路的工作调压器压力设定点应略低于主调压回路工作调压器的压力设定点，为0.36MPa，同样备用调压回路的监控调压器的压力设定点应略高于其工作调压器的压力设定点，为0.44MPa。在正常工况下，主调压回路的工作调压器负责压力的调节，出口压力为0.4MPa，主调压回路的监控调压器保持全开状态，当主调压回路的工作调压器失效，工作调压器将处于全开状态，调压器出口压力将升高直至0.44MPa，此时压力信号通过取压管反馈至监控调压器，监控调压器将开始负责压力的调节，若监控调压器也失效，下游压力将继续升高直至达到切断阀的设定压力，此时主调压回路切断阀切断，主调压回路停止供气，但下游用户仍然在用气，此时调压站出口压力将下降，直至降至0.36MPa，此压力信号将通过取压管反馈至备用调压回路的工作调压器，备用路的工作调压器将_丌始工作，负责压力的调节，同样备用路也配有监控调压器，即使在备用路工作调压器失效的情况下此监控调压器也可负责压力的调节。总之，通过各个调压器设定压力的不同，在故障发生的情况下，调压器及调压回路可自动切换，以保证下游设备的用气。
1.3.2 监控系统的主要功能
本人设计的监控系统的特点：
（1）具备实时远程数据传输通讯功能，生产数据实时传输到指挥调度中心；
（2）完善的安全监视及安全防范措施；
（3）系统具有开放性，与上一级应用的联网收费系统、地理信息系统和办公自动化系统实现无逢连接，为生产决策提供依据；
（4）系统具有完善的冗余措施；
（5）友好易用的中文人机界面；
（6）采用模块化结构，灵活的工业组态，便于维护、扩充和升级；
（7）高性能价格比。
第2章天然气调压站监控系统硬件设计
天然气调压站智能监控系统的设计目标是实现对调压站内各关键部位参数的全天候连续实时采集和处理，实现调压站安全、可靠且经济运行。智能监控系统需要采集的控制参数较多，既有进出口的压力、温度、压差以及阀位、气体泄漏报警等模拟量信号，也有回讯器、切断阀和电动球阀等开关量信号，还有来自体积修正仪智能仪表的数字信号。本人经过对系统需求的认真分析和对各种控制工具的反复比较，本系统选用功能强大、抗干扰性能好、使用维护方便且参数设置修改灵活的日立触摸屏和西门子S7—200系列PLC作为控制核心[4]，合理配置功能模块，实现系统的功能需要。
系统硬件主要有西门子S7-200PLC芯片、工业计算机、I/O处理模块、信号变送器、电源、日立大尺寸液晶触摸屏和执行机构等部分组成，是一个典型的智能化数字监控系统。如图2.1所示。
图2.1 天然气调压站智能监控系统硬件结构
（1）PLC及I/O处理部分。结合调压站功能需要，控制系统选用西门子S7—200系列PLC作为控制核心（根据各调压站需求的不同选用该系列中的不同型号，一般为224及以上），它们自带有数量较多的开关量和部分模拟量I/O点。当自带I/O点不足时，可扩展4路12位高精度模拟量输入模块16点24V直流输入模块。
（2）电源部分。交流电源采用220V/50Hz标准工频输入，直流电源为24V 工业开关电源模块，直流电源的作用是为模拟和开关信号的输入输出处理提供能
源，体积修正仪、智能仪表所需9V电源由安全栅直接提供。考虑到城市用气的不间断要求，系统配备了UPS后备电源，确保系统在停电情况下仍能继续工作2h。
（3）液晶触摸屏。选用日立大尺寸彩色Hitech 液晶触摸屏，它具有
MPI/Profibus DP接口和2MB Flash Memory，支持中文组态软件，可以方便、直观地进行各种参数的显示和修改设置。监控系统参数出现异常情况时，系统除发出声光报警信息外，还在液晶屏上闪烁显示[5]。
（4）隔离保护部分。由于系统是工作在易燃易爆的天然气环境，所以在设计时充分考虑了对系统的隔离和保护措施。在电源进线处加入了防雷浪涌保护器，对各模拟输入信号回路在变送器与PLC输入扩展模块间均采用经隔离安全栅等隔离安全措施。
硬件系统设计选用的硬件设施不但考虑了可靠性、实用性和经济性，还充分考虑了系统的安全性、稳定性和可维护性（设备标准化，接口、协议开放，易于维护）。
2.1 显示器选择
触摸屏式一种最直观的操作设备，只要用手指触摸屏幕上的图形对象，计算机便会执行相应的操作。人的行为和机器的行为变得简单、直接、自然。达到完美的统一。用户可以触摸屏上的文字、图形、按钮和数字信息等，来处理或监控不断变化的信息。此外触摸屏还具有坚固耐用和节省空间的优点。
2.2 监控系统各个部件的连接设置
2.2.1 通信电缆的制作
首先准备好触摸屏与编程电脑和触摸屏与PLC的连接线（又称编程电缆、通信电缆）。触摸屏的COMl和COM2都可以与PLC连接，而COM1主要是连接RS232的，我们使用的是RS485接线，所以我们使用的是COM2连接。连接线如下图2.2所示。
如果电脑与触摸屏的连接是通过触摸屏的COM2连接，连接线如图2.3所示。图2.4是连接PLC端公接头8针的针脚图[6]。