摘要：西門子S7-2 0 0 SMART 在CNG天然氣子站壓縮機系統(tǒng)中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：西門子 S7-200 SMART CNG天然氣壓縮機 液壓立式 加氣站
一、項目介紹
西門子S7-2 0 0 SMART主要運用于各類變送器、電接點表、保護(hù)開關(guān)、電磁閥以及控制盤上的操作按鈕，普通非防爆機型配置Smart line 700 IE觸摸屏作為人機界面來監(jiān)控設(shè)備運轉(zhuǎn)的各個狀態(tài)，使得控制盤的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、維護(hù)方便。
控制柜為正壓通風(fēng)防爆設(shè)計，直接接觸天然氣1區(qū)，在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境中，配備西門子TP-700 ExⅡ防爆屏。
●具備故障停機前的預(yù)報警功能。
●當(dāng)機組故障停機時，以全中文顯示故障信息。
●設(shè)定調(diào)整各工藝參數(shù)方便，可適應(yīng)現(xiàn)場工況的變化。
●使用一級口令管理，簡單實用，保障安全操作。
●實現(xiàn)無人值守
二、工藝原理
1、項目簡介：
本產(chǎn)品為天然氣液壓壓縮機，專門為壓縮天然氣及天然氣的傳輸（分配）而設(shè)計的，該機不允許用于其它類型的氣體和在其它操作條件下運行。
機組主要有液壓動力系統(tǒng)、主機氣缸系統(tǒng)、工藝氣管路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)五部分組成。整機采用液壓傳動原理，利用油壓推動氣缸內(nèi)活塞做往復(fù)運動壓縮天然氣。
2、部件系統(tǒng)流程
(1)工藝氣管路系統(tǒng)
天然氣從入口管線進(jìn)來，經(jīng)過過濾，然后在一級氣缸中被壓縮;冷卻后經(jīng)過一級過濾器，進(jìn)入二級氣缸被壓縮，冷卻后經(jīng)過二級過濾器，再經(jīng)過除油器除油，最后達(dá)到高壓排出。
入口和出口壓力由壓力傳感器控制，從而使壓縮機在一定操作參數(shù)下運轉(zhuǎn)；一級進(jìn)氣口的氣體經(jīng)過壓縮后的一級排氣溫度為此機組的最高溫度，此值有報警和停機功能，主要用于機組故障判斷，其溫度值最高可以達(dá)到160℃，但建議不要超過120℃，以免影響密封件的使用壽命；液壓油的溫度由溫度傳感器控制。壓縮機的進(jìn)出口配備有切斷球閥，同時在每級分離器上還配備了安全閥。
(2)氣動控制系統(tǒng)
氣動控制系統(tǒng)用于控制壓縮機順序盤的閥門開閉狀況，以實現(xiàn)壓縮機在加氣站中取氣氣路的變換。
(3)主機系統(tǒng)
主機系統(tǒng)是天然氣加壓的容器空間，為雙氣缸兩級壓縮，分為一級氣缸和二級氣缸。每個氣缸分為上下兩個壓縮艙，活塞在油壓推動下，做上行和下行的往復(fù)壓縮運動。活塞的上下行運動由距離控制元件監(jiān)測，同時PLC控制系統(tǒng)根據(jù)距離元件的返回信號來控制電液換向閥的換向，實現(xiàn)油路的改變，使活塞改變行程方向進(jìn)行往復(fù)壓縮運動。
(4)液壓系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)為壓縮機提供動力，主要由油泵電機組、油箱、集成閥塊、各種液壓附件及管道系統(tǒng)組成。其中，油泵電機組是動力源，油箱是液壓油的儲存裝置，集成閥塊是執(zhí)行機構(gòu)。油泵電機組采用CY系列，額定排量80ml/r。油箱儲油量600L。集成閥塊由雙電液換向閥（WEH型）、雙疊加式液控單向閥（力士樂系列）、先導(dǎo)式電磁溢流閥（DWB型）、雙電磁換向閥（WE型）構(gòu)成，可手動或自動控制油液換向和手動調(diào)整油壓。全系統(tǒng)電氣部分采用防爆結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)運行的安全可靠性。
(5)冷卻系統(tǒng)
機組的冷卻系統(tǒng)為風(fēng)冷式，使用風(fēng)冷機對液壓油和天然氣直接冷卻。
(6)電氣控制系統(tǒng)
壓縮機機組的PLC控制部份和動力控制部份（給整套設(shè)備提供動力）集成在一個控制箱內(nèi)；手動、自動通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換，避免誤操作。在壓縮機撬上安裝了急停按鈕，這樣在機組旁邊可隨時觀察機組的運行情況及機組的重要參數(shù)；為了保證安全，機組檢修時必需斷開電源。在手動操作下，可以單獨啟、停各臺油泵和加熱器。但值得注意的是，這種手動操作本身沒有各種保護(hù)功能，它只應(yīng)在設(shè)備的調(diào)試、檢修過程中被使用；在自動情況下，PLC控制具有對設(shè)備的各種信號進(jìn)行監(jiān)控、處理的能力，能在無人看管的情況下，投入自動運行。
本機組系統(tǒng)流程圖：
主機工藝氣以及油路控制系統(tǒng)
三、方案選型
我司CNG天然氣子站壓縮機系統(tǒng)采用一個CPU ST40主模塊，一個EM DT08數(shù)字量輸出模塊以及三個EM A104模擬量輸入模塊。模塊使用22個開關(guān)輸入點，17個數(shù)字量輸出，11個模擬量輸入點，具體工藝流程及其點位如下表所示：
1.控制系統(tǒng)輸入/輸出信號
2.報警、停機點清單
3.動力控制
動力控制柜的容量主要有以下負(fù)荷。
4、壓縮機實時數(shù)據(jù)類型、地址、名稱；
AIW0 進(jìn)氣壓力（L） vw1004
AIW2 二級排氣壓力（P2） vw1104
AIW4 液壓油油溫（T0） vw1204
AIW6 一級排氣溫度（T1） vw1304
AIW8 二級排氣溫度（T2） vw1306
AIW10 可燃?xì)怏w濃度 （G0） vw1344
AIW12 中壓壓力（M） vw1050
AIW14 高壓壓力（H） vw1060
AIW16 控制氣壓力（P2） vw1244
AIW18 變頻器頻率輸出（P7） vw1510
AIW20 槽車壓力（P0） vw1280
5、壓縮機參數(shù)設(shè)置地址（含量程、報警值等）；
進(jìn)壓傳感器下限量程:vw1008 0
進(jìn)壓傳感器上限量程:vw1012 350
進(jìn)氣壓力低報警值:vw1024 40
進(jìn)氣壓力低停機值:vw1028 35
末級壓力傳感器下限量程:vw1108 0
末級壓力傳感器上限量程:vw1112 350
末級壓力高報警值:vw1124 235
末級壓力高停機值:vw1128 240
油溫傳感器下限量程:vw1208 -100
油溫傳感器上限量程:vw1212 1000
油溫度高報警值:vw1224 650
油溫度高停機值:vw1228 700
一排溫傳感器下限量程:vw1308 -500
一排溫傳感器上限量程:vw1312 2000
一排溫度高報警值:vw1324 1150
一排溫度高停機值:vw1328 1200
二排溫傳感器下限量程:vw1310 -500
二排溫傳感器上限量程:vw1314 2000
二排溫度高報警值:vw1326 1150
二排溫度高停機值:vw1330 1200
可燃?xì)怏w濃度下限量程:vw1348 0
可燃?xì)怏w濃度上限量程:vw1352 1000
可燃?xì)怏w濃度報警值:vw1364 20
可燃?xì)怏w濃度停機值:vw1368 50
空壓機傳感器下限量程:vw1248 0
空壓機傳感器上限量程:vw1252 200
空壓機壓力高報警值:vw1272 90
空壓機壓力低停機報警:vw1276 40
中壓傳感器下限量程:vw1052 0
中壓傳感器上限量程:vw1054 350
高壓傳感器下限量程:vw1062 0
高壓傳感器上限量程:vw1066 350
油壓傳感器下限量程:vw1282 0
油壓傳感器上限量程:vw1284 350
6、壓縮機的報警值、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)地址；
V1040.0 進(jìn)氣壓力低報警位
V1040.1 進(jìn)氣壓力低停機位
V1040.4 1號油泵過載停機
V1040.5 2號油泵過載停機
V1040.6 可燃?xì)怏w濃度報警
V1040.7 可燃?xì)怏w濃度停機
V1140.0 末級排氣壓力高報警
V1140.1 末級排氣壓力高停機
V1140.2 氣庫氣滿停機
V1140.3 壓縮機故障報警
V1140.4 空壓機壓力低故障報警停機
V1232.0 油溫高報警
V1232.1 油溫高停機
V1332.0 一級排氣溫度高報警
V1332.1 一級排氣溫度高停機
V1332.2 加熱器工作時間過長停機
V1332.3 二級排氣溫度高報警
V1332.4 二級排氣溫度高停機
V1332.5 遙控停機信號觸發(fā)停機
V1332.6 一級缸上開關(guān)故障停機
V1332.7 一級缸下開關(guān)故障停機
V1333.0 二級缸上開關(guān)故障停機
V1333.1 二級缸下開關(guān)故障停機
V1333.2 變頻器故障
V1333.3 軟啟動故障停機
V1333.4 油液位過低停機位
V1333.5 油液位過高停機位
V1333.6 機組運行續(xù)維護(hù)
7、壓縮機的累計運行時間、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)地址；
小時 vw1424
分鐘 vw1428
8、壓縮機的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)地址；
Q0.0 一號電機
Q0.1一級氣缸上升電磁閥
Q0.2一級氣缸下降電磁閥
Q0.3 二號電機
Q0.4二級氣缸上升電磁閥
Q0.5二級氣缸下降電磁閥
Q0.6 冷卻風(fēng)機
Q1.1油箱加熱器
Q1.2一號卸荷閥
Q1.3二號卸荷閥
Q1.4照明電燈
Q1.5電機保護(hù)控制
Q1.7 故障報警器
Q2.0 槽車進(jìn)氣電磁閥
Q2.1 中壓取氣電磁閥
Q2.2 中壓充氣電磁閥
Q2.3 高壓充氣電磁閥
四、設(shè)備編程及調(diào)試
1、機組操作面板功能介紹(功能面板見下圖)
1)電源指示燈
正常情況下，當(dāng)機組控制柜電源開關(guān)打開，電源指示燈亮，呈現(xiàn)綠色。
2)電壓表
檢測進(jìn)線電壓，取其中兩項火線
3)電流表
檢測兩個電機當(dāng)時電流，如下圖左為一號電機電流，右為二號電機電流
4)Smart line 700觸摸屏
主要顯示機組工作數(shù)據(jù)，機組工作狀態(tài)，報警信息等（后面有詳細(xì)介紹）
5)急停開關(guān)
當(dāng)氣站發(fā)生緊急事件時，首先其拍下，斷開機組電源
6)自動啟動按鈕
當(dāng)工作模式在自動檔位時，按下自動啟動按鈕，機組將會開始工作。
7)自動停止按鈕
當(dāng)機組在自動工作時，按下自動停止按鈕，機組停止工作。
8)主機選擇開關(guān)
主機選擇開關(guān)有三個檔位，左邊為1號泵工作，中間為合開1，2號泵同時工作，右邊為2號泵工作。一般機組工作時檔位在合開上面。
9) PLC置位
當(dāng)機組出現(xiàn)停機故障時，機組會出現(xiàn)自動鎖死狀態(tài)，此時管理人員需要去先解決問題，排除故障后，機組仍然處于鎖死狀態(tài)，此時需要將PLC置位按下五秒鐘，故障鎖死狀態(tài)才會解除。
10)聲光報警器
當(dāng)機組發(fā)生故障報警或者故障停機時，報警器自動發(fā)聲。
2、觸摸屏面板的使用（暫用SMART LINE 700 IE替代）
機組電纜連接正常，通電后會運行主畫面會出現(xiàn)：
畫面有五個按鈕。分別為運行狀態(tài)，運行數(shù)據(jù)，照明，用戶菜單和報警畫面，在觸摸屏按下后分別進(jìn)入子畫面，及其顯示的參數(shù)數(shù)據(jù)。
1)按下運行狀態(tài)按鈕，進(jìn)入運行狀態(tài)畫面，對機組重要動作部件工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，如下圖：
按返回，回上級畫面，按主畫面進(jìn)入主畫面。
2)按下運行數(shù)據(jù)按鈕，進(jìn)入運行數(shù)據(jù)畫面，對機組重要重要數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控顯示，如下圖
3)按下照明按鈕則點亮機組內(nèi)部的防爆照明燈
4)按下用戶菜單按鈕，進(jìn)入用戶菜單畫面，如下圖
點擊用戶后面的方框，輸入用戶名ADMIN，如圖
按下圖中回車，
畫面返回顯示為主畫面。
3、可實現(xiàn)的功能介紹：
1）、實現(xiàn)機組的自動/手動、加載/卸載控制。
2）、氣庫氣滿自動停機、氣少時自動啟動。
3）、一級進(jìn)氣設(shè)有壓力顯示，二級排氣設(shè)有壓力顯示，各級設(shè)有溫度顯示及控制。
4）、高中壓井裝有壓力顯示，通過PLC對系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，合理對加氣站充氣，降低能耗。
5）、裝有可燃?xì)馓綔y報警器，隨時監(jiān)控氣體泄漏。
6）、采用蜂鳴器連鎖報警，能確保故障及時排除，保證機組安全。
7）、設(shè)有緊急停機按鈕，也可按用戶要求增加設(shè)置點。
8）、各種信息自動漢字提示，減少操作失誤，工藝參數(shù)設(shè)定值調(diào)整方便，適應(yīng)現(xiàn)場工況變化。
9）、具備故障停機前的預(yù)報警功能，且顯示報警故障。
10）、使用分級口令，保障安全操作。
11）、具備RS-485通信接口。
12）、控制柜遠(yuǎn)離機組本地，本地儀表采用隔爆或本安設(shè)計。
13）、外圍儀表
14）、測量及控制系統(tǒng)使用4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號（除熱電偶外）。
15）、所有用于報警及聯(lián)鎖的開關(guān)均是NC型(正常時閉合，報警、聯(lián)鎖時開啟)。
16）、觸點輸出均使用繼電器隔離，負(fù)荷容量不小于24VDC，3A。
17）、除開關(guān)類儀表及熱電偶外，所有外圍變送器、電/氣轉(zhuǎn)換器均為本安型或隔爆型。
4、電控柜聯(lián)鎖控制：
（1）PLC控制柜采用ESD緊急斷電保護(hù)措施：按下“急停”按鈕，切斷總電源，即QF0斷電，再次開機前必須先合上主斷路器，保證機器運行安全。
（2）冷卻風(fēng)機與軸流風(fēng)機機、以及備用空間加熱器聯(lián)鎖控制：機組通電軸流風(fēng)機工作、自動運行啟動冷卻風(fēng)機啟動軸流風(fēng)機斷電停止，冷卻風(fēng)機停止軸流風(fēng)機通電啟動。
（3）加熱器聯(lián)鎖控制：當(dāng)電動機開啟工作時，加熱器不能工作。
（4）兩臺電機既能單獨工作，也能同時工作，通過柜子面板三檔開關(guān)實現(xiàn)，當(dāng)雙電機工作時，1號電機啟動10秒后，2號電機啟動。
5、PLC程序塊介紹：
1）、具體分為6個版塊，工藝氣順序控制盤，油缸活塞運動，手動調(diào)試，報警停機系統(tǒng)，模擬量數(shù)據(jù)顯示與控制以及其他電機閥件控制。
2）、與觸摸屏TP-700 comfort以太網(wǎng)通訊，與AB FX系列變頻器、Emerson CNG質(zhì)量流量計進(jìn)行modbus通訊。
3）、實施過程及部分程序展示：
選用的PLC為S7-200 SMART系列，此款PLC采用以太網(wǎng)口網(wǎng)線傳輸通訊，配備一個RS485接口也可進(jìn)行其他通訊（如MODBUS，風(fēng)機調(diào)速，流量計采集數(shù)據(jù)通訊），所用的軟件為更新后的STEP 7-MicroWIN SMART V2.0版本
，此版本可在官網(wǎng)上申請下載，基本上類似S7-200 編程習(xí)慣，有些細(xì)節(jié)地方還需要注意，如MODBUS的庫文件，定義就與之不相同，下面就軟件編程后上傳，下載，監(jiān)控等方面進(jìn)行說明：
上傳下載：
通過一根普通網(wǎng)線即可完成整個過程，首先打開編譯好的程序，菜單欄里點擊PLC選項，里面有上傳下載圖標(biāo)
1-1如果要下載點擊下載后，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口卡，選擇自己電腦的有線網(wǎng)卡自動模式，查找連接的CPU，會顯示IP地址，MAC地址，子網(wǎng)掩碼，還有默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等等之類的，如圖所示：
本PLC所設(shè)置的連接選項如上所示，可以編輯IP地址還有閃爍指示燈，程序編譯正確后確定后下載，即可覆蓋所選的程序塊，數(shù)據(jù)塊，系統(tǒng)塊，符號狀態(tài)圖標(biāo)等等，注意原始程序的備份還有一定要打到RUN狀態(tài)，不然啟動不了，此款PLC的點位還有其他模塊和S7-200類似，這里也不多講，上傳的方法和下載正好相反，是PLC程序往電腦里面?zhèn)鬏敚@里面可能有部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示不出來（符號表，還有數(shù)據(jù)塊等），所以要做好相應(yīng)的備份工作。
2-1監(jiān)控測試
在調(diào)試菜單里找到程序狀態(tài)，如果PLC已網(wǎng)絡(luò)連接且程序和電腦一致時便可監(jiān)控通訊上
還可以進(jìn)行MODBUS通訊，設(shè)置好比特率，站地址，端口位置，停止位，變量個數(shù)和數(shù)值地址后便可用MODBUS調(diào)試工具，MODSCAN,MODSIM等在上位機上監(jiān)控。
3-1選用的觸摸屏為西門子TP700 Comfort，此款觸摸屏配備多種接口，我們傳輸程序以及和PLC通訊均用以太網(wǎng)口，面板上需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置，所選用的軟件為portal WINCC professional V13 SP1。
模擬量輸入采集
油缸活塞運動：
鎖機時間程序：
手動調(diào)試程序：
報警停機程序：
工藝氣順序控制盤流程：
油泵電機風(fēng)機啟停：
防爆控制柜相關(guān)截圖：
五、應(yīng)用體會
在這一次的體驗活動中給我最大的印象是西門子S7-200 SMART使用以太網(wǎng)上傳下載速度極快，使用一根網(wǎng)線就能傳輸程序，簡化了以前昂貴的西門子原裝PPI串口線，還可以自己設(shè)置軟件的界面，與S7-200 CN的程序塊近乎完全一樣，兼容性極好，前期200的程序基本上可以完全倒入就能使用了。美中不足的也有幾點，模擬量輸入干擾大跳閃失真嚴(yán)重，以前200里面程序可以調(diào)節(jié)死區(qū)和濾波的采樣數(shù)，這個降噪比什么的在4-20mA電流信號調(diào)解根本不起作用，在程序運用查找變量功能時，也很不便捷，一般需要手動去找程序塊，還有一點就是主模塊與背后導(dǎo)軌連接時，模塊背后的卡槽無法固定，和其它模塊連接時針孔也要對好，發(fā)現(xiàn)幾次針孔未完全對正斷針的，嚴(yán)重影響了調(diào)試效率，不過大部分功能還是比較滿意的，特別是像以太網(wǎng)連接，RS485串口通訊表現(xiàn)極佳。西門子十大品牌，客戶也信得過放得下心，希望以后在硬件還有軟件方面做得更好，比如可以兼容全網(wǎng)DP通訊，modbus TCP，接口也可以擴(kuò)展USB或者mini USB，不需要擴(kuò)展SD卡進(jìn)卡槽傳程序，直接用通用的手機充電線兼容手機客戶端APP下載（建議啊）。
作者簡介：
雷軍，男，電氣工程師，武漢市陽邏經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)齊達(dá)康能源裝備有限公司，從事CNG天然氣子站壓縮機項目。
參考文獻(xiàn)：[1] S7-200 SMART 可編程控制器樣本(201504)
[2]西門子 S7-200 SMART 技術(shù)參考Version1.4
[3]S7-200 SMART 系統(tǒng)手冊 V2.0（中文簡體）
