基于plc的天然气调压站的智能监控系统设计毕业设计.doc

基于PLC的天然气调压站的监控系统设计
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

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；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
3．4 PLC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(Programmable logic Controller)，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“Programmable Logic Controller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“Programmable Controller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(Personal Computer)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。
2．1．3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。
2．2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。
2．2．1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力．无一失。
2．2．2监控系统的主要功能
1、通过压力传感器调压站的出口压力和入口压力进行监视。若出口压力P与设定压力值Po的差值在设定的范围动作之间，增压阀以0．5Hz的频率吸合：压差值超过上限，则增压阀常开。若出口压力P与设定压力值Po的差值在设定的动作范围之间，减压阀以0．5Hz的频率吸合；压差值超过上限，则减压阀常开。
2、球阀A、B状态检测：实时显示球阀的各种状态，是否开到位，是否关到位，是现场控制还是远控。
3、切断阀状态监测：实时显示工作回路和备用路切断阀阀位状态(开、关)。若主回路切断阀打开，同时自动切换到备用路。
4、回讯器状态检测：实时检测和显示工作路回讯器和备用回路回讯器的状态。
5、通过温度传感器对调压站的出口温度和入口温度进行监测并实时显示。
6、通过压差传感器对工作回路压差A和备用回路的压差B进行监测，并判断其是否超限。
7、实时显示主路工作调压器、主路监控调压器、备用路工作调压器、备用路监控调压器的开度值。
8、与流量计通信，实时采集并显示工作回路EVC的Q，Vb，eVb，V，eV，P，T，Qb：备用回路EVC的Q，Vb，eVb，V，eV，P，T，Qb；
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3章 天然气调压站监控系统硬件设计
要完成整个系统的功能，围绕PLC需要配备模拟量采集模块、通信模块等以及设计相应低压配电电路，主要包括以下几个部分：
l、电气控制柜的设计
控制柜的主要作用是防护和支撑，其设计主要包括各种元器件的布局，主要包括空气开关、浪涌保护器、熔断器及其扩展模块等。
2、 模拟量采集模块
模拟量输入模块的用途是将外来模拟量转换为数字量共主机使用。
3、 信号转换隔离电路
使用安全栅对来自危险区的信号进行了隔离，而且增强了信号的抗干扰能力。
4、 PLC控制电路
主要包括数字量的输入与输出电路及其可靠性和抗干扰措施。
5、 显示器电路
液晶显示触摸屏是本系统非常重要的一个部分，各项参数的显示以及设置都需要通过触摸屏来进行。
6、 通信网络的设计
通信包括与流量计以及上位的通信。为了实现智能监控，达到无人值守的目的，需要将现场的各种数据以及状态及时传送给上位机，而且上位机可以对系统的各项参数进行设置。
3．1电气控制柜的设计
电气控制柜的主要作用是防护和支撑。作为支撑件，它具有足够的机械强度和刚度，保证装置的整体稳固性，特别是在内部故障条件下，不能出现变形或折断，避免扩大故障。防护作用则包括以下几个方面：
(1) 防止人体触及或接近外壳内部的带电部分和触及运动部件，防止固体异物进入控制柜内部。(2)防止水进入内部达到有害程度。(3)防止外部因素(如小动物侵入、气候和环境因素等)影响内部设备。(4)防止设备受到意外的机械冲击。作为支撑件，其内部布局主要考虑以下几点：(1)留出至少10％的面积作备用，以供控制装置改进或局部修改用。(2)由同一电源直接供电的电器安装在一起，与不同控制电压供电的电器分开。(3)电源安装在控制柜上方，其上方不在安装其它电器。(4)发热元件安装在控制柜上方，并将发热元件与感温元件隔丌，弱电部分加屏蔽和隔离，以防强电和外界干扰。(5)将外形与结构尺寸相同的电器元件安装在一起，既便于安装又整齐美观，(6)为利于电器维修工作，经常需要更换或维修的器件安装在便于更换和维修的高度，电器布置尽量对称，以便与整个柜子的重心与几何中心重合。
柜体结构是电气控制柜的基础，作为控制柜它既要满足各电气单元的功能组合条件(如形式的统一、功能的分配等)，还要满足柜体的固有要求(如坚固可靠、整齐美观、调整容易等)。本系统选择的是常用的箱式的柜体外形，美观大方，35mm导轨以紧固件连接横卧在柜体中，可以保证各电气单元可靠地固定于柜体中。
电气控制柜中固定有CPU及其扩展模块和低压电器。
在输送电能的输电线路和各种用电的场合，也要使用不同的电器来控制电路通、断，对电路的各种参数进行调节．低压电器在电路中的用途是根据外界信号或要求，自动或手动接通、分断电路，连续或断续地改变电路状态，对电路进行切换、控制、保护、检测和调节。低压电器的作用有：
(1) 控制作用如电梯的上下移动、快慢速自动切换与自动停层等。
(2)保护作用能根据设备的特点，对设备、环境、以及人身实行自动保护，如电机的过热保护、电网的短路保护、漏电保护等。
(3)测量作用利用仪表及与之相适应的电器，对设备，电网或其它非电参数进行测量，如电流、电压、功率、转速、温度、湿度等。
(4)调节作用低压电器可对一些电量和非电量进行调整，以满足用户的要求，如柴油机油门的调整、房间温湿度的调节、照度的自动调节等。
(5)指示作用利用低压电器的控制、保护等功能，检测出设备运行状况与电气电路工作情况，如绝缘监测、保护掉牌指示等。
(6)转换作用在用电设备之间转换或对低压电器、控制电路分时投入运行，以实现功能切换，如励磁装置手动与自动的转换，供电的市电与自备电的切换等。
对低压配电电器要求是灭弧能力强、分断能力好，热稳定性能好、限流准确等。对低压控制电器，则要求其动作可靠、操作频率高、寿命长并具有一定的负载能力。
3．2模拟量采集电路
拟量输入模块的用途是将外来模拟量转换为数字量供主机使用，为能适用于各种规格的输入量，一般将模块设计成可编程的。而转换生成的数字流量一般具有固定的长度及格式。拟量模块在介入电路工作前需要完成配置及校准，配置是为了根据实际需要接入信号的情况在前边已经提到的输入类型中选择一种校准的实质是调整模块里面放大器的增益，校准对所有的输入通道都将发生影响。而且，即使校准后由于不同的输入通道电路元件参数发生变化，有可能同一个输入信号在不同通道之间的读数存在轻微差异，应在软件中使用输入滤波。
3．3信号转换与隔离
安全栅是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。在某些企业生产过程中，由于生产原料中含有易燃、易爆的气体、粉尘等危险物质，使生产现场成为爆炸危险区域，在此区域里使用的电火花或电气元件的发热可能引起火灾爆炸事故。因此，在危险区域使用的电气仪表必须使安全防爆的，不会给现场带来危险。
因为天然气调压站属于有爆炸物存在的危险场所，因此必须将来自危险侧的信号通过隔离以后传输安全侧，而且在工业现场，距离较远的电器设备、仪表、PLC控制系统之间进行信号传输式，往往存在干扰，造成系统不稳定甚至错误操作。除了系统内、外部干扰影响以外，还有一个十分重要的原因就是各种仪器设备的接地处理问题。一般情况下，设备外壳需要接大地，电路系统也要有公共参考地。但是，由于各仪表设备的参考点之间存在电势差，因而形成接地环路，由于地线环流会带来共模以及差模噪声干扰，常常造成系统不能正常工作，一个理想的解决方案是，对设备进行电气隔离。
3．4 PLC控制电路
输入、输出接口是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号：一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关等的开关量输入信号；一类是由电位器、测速发电机和各种变换器等传来的模拟量输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀、调速装置等。
PLC常见的输出形式有继电器输出、晶闸管(SSR)输出、晶体管输出．特点是：继电器输出型：CPU驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢(约10ms)，可带较大的外部负载；晶