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摘 要：为了满足LNG气化站工业应用要求，克服国内LNG气化站监控系统建设存在的问题，设计了一套基于WinCC组态软件的LNG气化站监控系统。采用模块化电气结构设计方案，分为高压区和低压区、远端控制室和高危险现场区，同时采用多种防爆和安全预测措施，尽最大可能在控制系统成本的基础上增加系统的监视控制功能。试验表明，该LNG气化站监控系统各项指标均满足工业应用要求，具有安全、稳定、低成本和强扩展性等特性。
关键词：LNG氣化站；远程监控；S7-200；WinCC；STEP-7
中图分类号：TP271 文献标志码：A
Research and Design of LNG gasification station Monitoring System Based on WinCC
Abstract： In order to meet the requirements of industrial applications LNG gasification station， overcome domestic LNG gasification station monitoring system construction problems， the LNG gasification station monitoring system based on WinCC configuration software has been designed. The modular design of the electrical structure， divided into high and low pressure areas， remote site control room and high-risk areas， while using a variety of explosion-proof and safety measures， the maximum extent possible to increase the control functions on the basis of the cost of the monitoring control system. Experiments show that the indicators of the LNG gasification station monitoring systems meet the requirements of industrial applications， with security， stability， low cost and strong scalability characteristics.
Keywords：LNG gasification station Remote monitoring S7-200 WinCC STEP-7
0 引言
经过数十年引进、研究开发工业站控系统，国内仍然采用国外成套设备。虽然这些设备具有较高可靠性，但对于中小型气化站而言存在运行复杂及价格较高的缺点，直接导致整个系统建设成本较高[2]。
针对我国LNG产业快速发展现状，提出了一套基于WinCC组态软件的LNG气化站监控系统。该设计使用西门子WinCC组态上位机监控软件，采用西门子S7-200PLC作为控制器，西门子S7-200的数字量模块和模拟量模块作为系统扩展模块，增加系统的兼容性。使用WinCC远程监控组态功能在系统网络上实现LNG气化站的远程监控。现场设备均选用通用的本安型仪表，系统搭建过程中采用隔离安全删和浪涌保护器保证系统的安全性。该系统具有安全、稳定、低成本以及扩展性强的特点，有效地解决了国内中小型LNG气化站建设技术问题和成本问题[1]。
1 LNG气化站工艺流程
由图1 LNG气化站工艺流程可知，气化站主要有以下几个部分：LNG槽车、卸车增压器、空温气化器、BOG（闪蒸气）热处理、LNG储罐、储罐增压器、调压、计量、EAG加热安全泄放等。
LNG通过槽车运送到供气城市的LNG气化站，经过现场的卸车增压器对槽车进行升压，使得槽车和LNG气化站现场的储罐之间产生相应的压力差，利用压力差将槽车中的LNG卸载进入LNG气化站现场的储罐中。设计采用空温气化器对进行气化，气化能力为用气方高峰时流量的1.3～1.5倍，气化站采用五台空温气化器，气化干路可以通过调节阀控制三台空温气化器的工作情况，当环境温度较低时，空温气化器不能满足气化要求，需要二次热处理，以保证整个供应系统的正常运行，二次加热器采用水浴式加热器。其余两台分别对BOG和EAG进行升温处理[3-4]。
将系统的测控点进行汇总，各类信号如表1所示。
2 系统电气结构设计方案
设计采用冗余结构对LNG气化站进行监视控制，系统物理结构分为两个部分，工业现场和远端控制室，其结构示意图如图2所示。
此外，针对LNG工业对现场的安全性要求较高，系统采用多种安全措施：
①将现场与控制室隔离，同时满足将低压区和高压区、危险区和安全区隔离；
②现场布线采用高质量的防爆接线管及防爆盒连接；
③各种仪表采用本安型仪表，系统采用安全栅和浪涌保护器双重保护方式；
④现场分区域安装甲烷探测器，实时监测甲烷浓度，拥有及时有效的现场安全风险监测。
3 系统通信设计
3.1 监控软件与流量计Modbus通信设计
监控软件与流量计的Modbus通信通过串口直接连接实现[7]，能读取流量计当前状态下的时间、温度、压力、瞬时流量、累积流量等信息。监控软件的串口通信流程如图3所示。MSComm控件初始化后，监控软件需要对流量计发送帧中的CRC、地址以及功能码一一进行验证确定，然后提取流量计信息进行相关数据处理。 3.2 系统远程控制通信设计
设计采用WinCC的WebNavigator选件实现系统远程监控功能，Web客户机使用IE来访问Web 服务器，浏览、操作现场过程画面。远程系统结构如图4所示。
4 软件设计
4.1 PLC控制器程序设计
系统设计使用STEP-7对PLC进行编程控制，其流程如图5所示。
系统上电进行硬件初始化，随后采集并分析处理现场数据。系统控制分为卸车和气化两个过程。卸车过程中，判断现场储罐压力和液位变化，从而控制进口阀门的状态，防止储罐压力和液位超过安全值。气化过程中，确定调节阀的工作状态，并控制储罐出口阀门和加热炉的工作状态[6]。
4.2 监控软件设计
LNG气化站监控系统通过WinCC组态软件组态相关功能界面完成系统的相关功能。监控软件的功能如图6所示。
5 试验结果
将系统加载到现场进行调试，调试内容包括：现场工艺流程现场/远程显示控制、数据曲线显示、数据归档、报警系统以及报表系统等等，现场调试如图7所示。
由试验可知，LNG气化站监控系统能顺利完成气化站现场/远程显示控制以及将系统采集到的现场数据曲线显示、报警系统设置、报表显示等功能。将监控软件获取的现场压力变送器信号数据列入表格，如表2所示。
从表2可以看出，试验中监控软件采集压力变送器的压力值个别数据有0.01MPa的浮动，可能是因为PLC采样误差或压力变送器传输数据不稳定造成，但大部分数据和压力变送器显示的压力值相符，系统监控软件4～20mA模拟量数据采集功能符合系统设计要求。
6 结束语
通过调查分析当今LNG工业现场的需求，在充分收集整理了国内外LNG气化站监控系统相关技术资料的基础上，系统的掌握了国内外LNG气化站监控技术的研究和发展现状。根据我国LNG产业发展现状和LNG气化站监控系统设计要求，设计了一套低成本，监控功能丰富的LNG气化站监控系统。很大程度上地解决了国内中小型LNG气化站建设技术问题和成本问题，具有较高的实际应用价值。
参考文献
[1] 司马冰.石油化工信息化现状和发展趋势.数字化工，2004，（12）：1～4
[2] 李静，李志红，华贲.LNG冷能利用现状及发展前景[J].天然气工业，2005，25（5）：103～105
[3] 郑依秋.中小型LNG 气化站供气技术[J].煤气与热力，2007，27（6）：12～17
[4] 王常力，罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例.电子工业出版社，2004：22～39
[5] 秦肖臻.分布式控制系统实时网络通信设计.计算机工程与应用.1997.5.
[6] Jie Yao， Lei Li. Analysis on the Change Tendency of International LNG Trade. 2010 2nd International Conference on Industrial and Information Systems
[7] Lin Ri-yi， Yu Xichong， Li Jian， Li Yuxing， Wang Wuchang. Exergy Analysis for LNG Refrigeration Cycle. 2011 International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring
[8] Fang-yuan LI， Jin-bao HAN. FEM Aided Prestress Design for Large-scale Ultra-low-temperature LNG Tank. 2010 Third International Conference on Information and Computing
[9] Luiz Augusto Barroso， Hugh Rudnick， Sebastian Mocarquer. LNG in South America： the Markets， the Prices and the Security of Supply
[10] Cao Wensheng. Natural gas liquefaction process for small-scale LNG project. 2012 International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Enviromental Monitoring
[11] 王蕾，李帆.LNG氣化站的安全设计[J].煤气与动力，2005，25（6）：30～33
[12] 胡炯华.LNG气化站设计[J].有色冶金设计与研究，2007，28（5）：1～3
作者简介：
李强（1987-），男，2014年毕业于西南石油大学仪器仪表工程专业，获硕士学位，助理工程师；主要从事油气测控系统与自动化仪表的研究工作。
关键词：LNG氣化站；远程监控；S7-200；WinCC；STEP-7
中图分类号：TP271 文献标志码：A
Research and Design of LNG gasification station Monitoring System Based on WinCC
Abstract： In order to meet the requirements of industrial applications LNG gasification station， overcome domestic LNG gasification station monitoring system construction problems， the LNG gasification station monitoring system based on WinCC configuration software has been designed. The modular design of the electrical structure， divided into high and low pressure areas， remote site control room and high-risk areas， while using a variety of explosion-proof and safety measures， the maximum extent possible to increase the control functions on the basis of the cost of the monitoring control system. Experiments show that the indicators of the LNG gasification station monitoring systems meet the requirements of industrial applications， with security， stability， low cost and strong scalability characteristics.
Keywords：LNG gasification station Remote monitoring S7-200 WinCC STEP-7
0 引言
经过数十年引进、研究开发工业站控系统，国内仍然采用国外成套设备。虽然这些设备具有较高可靠性，但对于中小型气化站而言存在运行复杂及价格较高的缺点，直接导致整个系统建设成本较高[2]。
针对我国LNG产业快速发展现状，提出了一套基于WinCC组态软件的LNG气化站监控系统。该设计使用西门子WinCC组态上位机监控软件，采用西门子S7-200PLC作为控制器，西门子S7-200的数字量模块和模拟量模块作为系统扩展模块，增加系统的兼容性。使用WinCC远程监控组态功能在系统网络上实现LNG气化站的远程监控。现场设备均选用通用的本安型仪表，系统搭建过程中采用隔离安全删和浪涌保护器保证系统的安全性。该系统具有安全、稳定、低成本以及扩展性强的特点，有效地解决了国内中小型LNG气化站建设技术问题和成本问题[1]。
1 LNG气化站工艺流程
由图1 LNG气化站工艺流程可知，气化站主要有以下几个部分：LNG槽车、卸车增压器、空温气化器、BOG（闪蒸气）热处理、LNG储罐、储罐增压器、调压、计量、EAG加热安全泄放等。
LNG通过槽车运送到供气城市的LNG气化站，经过现场的卸车增压器对槽车进行升压，使得槽车和LNG气化站现场的储罐之间产生相应的压力差，利用压力差将槽车中的LNG卸载进入LNG气化站现场的储罐中。设计采用空温气化器对进行气化，气化能力为用气方高峰时流量的1.3～1.5倍，气化站采用五台空温气化器，气化干路可以通过调节阀控制三台空温气化器的工作情况，当环境温度较低时，空温气化器不能满足气化要求，需要二次热处理，以保证整个供应系统的正常运行，二次加热器采用水浴式加热器。其余两台分别对BOG和EAG进行升温处理[3-4]。
将系统的测控点进行汇总，各类信号如表1所示。
2 系统电气结构设计方案
设计采用冗余结构对LNG气化站进行监视控制，系统物理结构分为两个部分，工业现场和远端控制室，其结构示意图如图2所示。
此外，针对LNG工业对现场的安全性要求较高，系统采用多种安全措施：
①将现场与控制室隔离，同时满足将低压区和高压区、危险区和安全区隔离；
②现场布线采用高质量的防爆接线管及防爆盒连接；
③各种仪表采用本安型仪表，系统采用安全栅和浪涌保护器双重保护方式；
④现场分区域安装甲烷探测器，实时监测甲烷浓度，拥有及时有效的现场安全风险监测。
3 系统通信设计
3.1 监控软件与流量计Modbus通信设计
监控软件与流量计的Modbus通信通过串口直接连接实现[7]，能读取流量计当前状态下的时间、温度、压力、瞬时流量、累积流量等信息。监控软件的串口通信流程如图3所示。MSComm控件初始化后，监控软件需要对流量计发送帧中的CRC、地址以及功能码一一进行验证确定，然后提取流量计信息进行相关数据处理。 3.2 系统远程控制通信设计
设计采用WinCC的WebNavigator选件实现系统远程监控功能，Web客户机使用IE来访问Web 服务器，浏览、操作现场过程画面。远程系统结构如图4所示。
4 软件设计
4.1 PLC控制器程序设计
系统设计使用STEP-7对PLC进行编程控制，其流程如图5所示。
系统上电进行硬件初始化，随后采集并分析处理现场数据。系统控制分为卸车和气化两个过程。卸车过程中，判断现场储罐压力和液位变化，从而控制进口阀门的状态，防止储罐压力和液位超过安全值。气化过程中，确定调节阀的工作状态，并控制储罐出口阀门和加热炉的工作状态[6]。
4.2 监控软件设计
LNG气化站监控系统通过WinCC组态软件组态相关功能界面完成系统的相关功能。监控软件的功能如图6所示。
5 试验结果
将系统加载到现场进行调试，调试内容包括：现场工艺流程现场/远程显示控制、数据曲线显示、数据归档、报警系统以及报表系统等等，现场调试如图7所示。
由试验可知，LNG气化站监控系统能顺利完成气化站现场/远程显示控制以及将系统采集到的现场数据曲线显示、报警系统设置、报表显示等功能。将监控软件获取的现场压力变送器信号数据列入表格，如表2所示。
从表2可以看出，试验中监控软件采集压力变送器的压力值个别数据有0.01MPa的浮动，可能是因为PLC采样误差或压力变送器传输数据不稳定造成，但大部分数据和压力变送器显示的压力值相符，系统监控软件4～20mA模拟量数据采集功能符合系统设计要求。
6 结束语
通过调查分析当今LNG工业现场的需求，在充分收集整理了国内外LNG气化站监控系统相关技术资料的基础上，系统的掌握了国内外LNG气化站监控技术的研究和发展现状。根据我国LNG产业发展现状和LNG气化站监控系统设计要求，设计了一套低成本，监控功能丰富的LNG气化站监控系统。很大程度上地解决了国内中小型LNG气化站建设技术问题和成本问题，具有较高的实际应用价值。
参考文献
[1] 司马冰.石油化工信息化现状和发展趋势.数字化工，2004，（12）：1～4
[2] 李静，李志红，华贲.LNG冷能利用现状及发展前景[J].天然气工业，2005，25（5）：103～105
[3] 郑依秋.中小型LNG 气化站供气技术[J].煤气与热力，2007，27（6）：12～17
[4] 王常力，罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例.电子工业出版社，2004：22～39
[5] 秦肖臻.分布式控制系统实时网络通信设计.计算机工程与应用.1997.5.
[6] Jie Yao， Lei Li. Analysis on the Change Tendency of International LNG Trade. 2010 2nd International Conference on Industrial and Information Systems
[7] Lin Ri-yi， Yu Xichong， Li Jian， Li Yuxing， Wang Wuchang. Exergy Analysis for LNG Refrigeration Cycle. 2011 International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring
[8] Fang-yuan LI， Jin-bao HAN. FEM Aided Prestress Design for Large-scale Ultra-low-temperature LNG Tank. 2010 Third International Conference on Information and Computing
[9] Luiz Augusto Barroso， Hugh Rudnick， Sebastian Mocarquer. LNG in South America： the Markets， the Prices and the Security of Supply
[10] Cao Wensheng. Natural gas liquefaction process for small-scale LNG project. 2012 International Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Enviromental Monitoring
[11] 王蕾，李帆.LNG氣化站的安全设计[J].煤气与动力，2005，25（6）：30～33
[12] 胡炯华.LNG气化站设计[J].有色冶金设计与研究，2007，28（5）：1～3
作者简介：
李强（1987-），男，2014年毕业于西南石油大学仪器仪表工程专业，获硕士学位，助理工程师；主要从事油气测控系统与自动化仪表的研究工作。