第 1 章  緒  論 

1.1  課題來源、背景及研究意義
為了進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境，合理利用有效的化石能源，我國正在積極推進(jìn)將天然氣作為城鎮(zhèn)主要燃料，目前正在加速建設(shè)建設(shè)中的西氣東輸線路，將極大的推動(dòng)中國快速步入規(guī)�；烊粴鈶�(yīng)用大國行列。天然氣作為一種新型的清潔能源，非常適用于各種領(lǐng)域，尤其在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面顯現(xiàn)出越來越重要的作用。在最近幾年里，因積極響應(yīng)滿足拉動(dòng)內(nèi)需的要求，所以汽車行業(yè)的迅速高效發(fā)展，并所取得了輝煌的成就。但是同時(shí)帶來了兩個(gè)重大的問題：環(huán)境的進(jìn)一步污染和引起化石資源的短缺。因我國的石油資源并不是非常雄厚，其中每年依賴于進(jìn)口的原油比重在總量中占相當(dāng)大的比例，而汽車產(chǎn)生排放的污染物已經(jīng)成為大城市空氣的主要污染源頭，其中霧霾就是一例。隨著潔凈能源行業(yè)的迅速發(fā)展和人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷增長，以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)也逐步增強(qiáng)。因此目前國內(nèi)的 CNG 汽車迅速普及，與之配套的 CNG 加氣站也得到了快速的發(fā)展。與此同時(shí)，國家發(fā)改委規(guī)定城市燃?xì)鉃樘烊粴鈨?yōu)先利用領(lǐng)域，同時(shí)作為城市燃?xì)獾闹匾M成部分，城市車用壓縮天然氣(CNG)的利用將成為市政工程的重點(diǎn)扶持項(xiàng)目。而且對(duì)改善城市內(nèi)交通結(jié)構(gòu)配置，以及對(duì)緩解成品油供應(yīng)緊張局面、降低化石燃料的使用比例起到至關(guān)重要的作用[1]。 常規(guī)的 CNG 加氣站有母子站和標(biāo)準(zhǔn)站這兩種型式。CNG 母站因出于安全因素的考慮，多建在城市的郊區(qū)，它的氣源是來自于市政天然氣的高壓管網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)站壓力一般為 1-1.5Mpa，通過過濾計(jì)量后進(jìn)入到干燥器進(jìn)行下一步的脫水處理，經(jīng)過干燥后的氣體進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，然后通過儲(chǔ)氣瓶槽車運(yùn)輸?shù)侥康牡刈诱窘o CNG 汽車加氣，子站也兼有標(biāo)準(zhǔn)站的功能。CNG 子站通常將地址選在市內(nèi)的郊區(qū)，以方便車輛加氣，或者直接將氣站建設(shè)在沒有燃?xì)夤艿婪笤O(shè)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)，為當(dāng)?shù)毓I(yè)園區(qū)的相關(guān)企業(yè)提供天燃?xì)�。母站通過應(yīng)用壓縮機(jī)然后進(jìn)一步將天然氣進(jìn)行加壓后進(jìn)行儲(chǔ)存，專用運(yùn)輸車然后將 25Mpa 的壓縮天然氣運(yùn)往目標(biāo)子站，到達(dá)子站后通過子站的基礎(chǔ)設(shè)施給 CNG 汽車加氣。標(biāo)準(zhǔn)站一般直接從城市的中壓管道取氣，這種方式比母子站的結(jié)構(gòu)更為方便，但有時(shí)候會(huì)影響城市中壓管道的壓力，給周圍居民用氣造成影響。 
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1.2 CNG 加氣站國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
中國石化集團(tuán)所屬的江漢三機(jī)廠、重慶的氣體壓縮機(jī)廠、自貢高壓容器廠和川中的 CNG 技術(shù)開發(fā)公司等國內(nèi)一些機(jī)械廠商的機(jī)械產(chǎn)品，已經(jīng)基本反映了我國 CNG 加氣站的制造技術(shù)水平[2]。（1）加氣站總體結(jié)構(gòu)以分布來劃分可以分為撬裝式結(jié)構(gòu)和開放式兩種。中石化江漢三機(jī)廠的產(chǎn)品主要采用撬裝式結(jié)構(gòu)，國內(nèi)其他廠家生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品基本上則都是屬于開放式結(jié)構(gòu)，氣站的主要設(shè)備(比如脫硫設(shè)備、干燥設(shè)備)體積相對(duì)比較龐大，所以應(yīng)采用水冷卻和后置凈化干燥處理的方式，因?yàn)楣苈窂?fù)雜，所以對(duì)它的質(zhì)量控制存在一定的困難。（2）國內(nèi)的天然氣壓縮機(jī)配套設(shè)備與國外同行的產(chǎn)品相比，因各種原因，目前仍然存在較大的差距，市場上應(yīng)用的壓縮機(jī)國產(chǎn)設(shè)備，只有重慶氣體壓縮機(jī)廠和自貢高壓容器廠這兩家可以制造，而其他幾個(gè)廠家仍然處于實(shí)驗(yàn)摸索這一階段。（3）脫水干燥器主要還是采用后置高壓處理。因設(shè)備擁有自身體積窄小，經(jīng)處理干燥后的氣水露點(diǎn)溫度可達(dá)到均值-60℃以下，等其他干燥方式不具備的優(yōu)點(diǎn)。因設(shè)備的壓力值往往可高達(dá) 25MPa，所以對(duì)容器的過程制造工藝存在著較為苛刻的要求，而且干燥器的氣水分離方式為水冷式，因此硬件需要配置一個(gè)很大的水池，對(duì)應(yīng)冷卻塔要求也較高，使得整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造比較復(fù)雜而且成本高昂。因國內(nèi)不同區(qū)域天然氣的氣質(zhì)構(gòu)成不同，所以含硫量也不一樣，因此脫硫裝置的配置也不同。比如四川盆地出產(chǎn)的天然氣最低含硫量為 0.02g/耐，最高則可達(dá)到491.59/m3。（4）因國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)氣站聯(lián)動(dòng)控制一般都相對(duì)比較簡單，即為常見的電器控制，但目前的發(fā)展趨勢是正在向計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。（5）目前國內(nèi)絕大多數(shù)售氣機(jī)廠家所制造生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備，自身的技術(shù)性能和精度均偏低，而且它們的穩(wěn)定性和可靠性都比較差，所以故障、返修率都較高。 與之相對(duì)應(yīng)的國外 CNG 加氣站站控設(shè)備和系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，則是以美國安吉公司(ANGI)、加拿大 IMW 公司、意大利新比隆公司(NUOVOPIGNOE)和日本石川島播莫公司等廠商的產(chǎn)品為代表。 
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第2章  CNG加氣站工藝流程簡介

依據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》與 CNG 加氣站的管網(wǎng)控制工藝要求相結(jié)合，然后設(shè)計(jì)加氣站的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)外建成并使用的 CNG 加氣站，一般都是由 6 個(gè)子系統(tǒng)組件而成，它們分別為氣化、調(diào)壓計(jì)量、凈化干燥、氣體壓縮、儲(chǔ)氣和售氣系統(tǒng)。這種子系統(tǒng)配置，由于我國幅員遼闊，所以對(duì)于不同海拔地區(qū)、不同外界環(huán)境條件的實(shí)際用戶來說，所要求的設(shè)備配置是不同的，不過作為一個(gè)完整的加氣站系統(tǒng)，這 6 個(gè)模塊卻是缺一不可的，細(xì)節(jié)則可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整[5]。其結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示。

2.1  氣化區(qū)
CNG 加氣站的氣源來自于建在郊區(qū)的母站。母站的天然氣以液態(tài)的形式通過槽車運(yùn)輸?shù)阶诱荆谧诱镜男盾噮^(qū)將液態(tài)天然氣卸載到儲(chǔ)罐中。儲(chǔ)罐中的液態(tài)天然氣只有經(jīng)過氣化，才能被壓縮機(jī)壓縮成指定壓力的氣態(tài)天然氣工供應(yīng)給 CNG 汽車。氣化方法一般有兩種：空溫氣化法和水浴氣化法�？諟貧饣鞯墓ぷ髟硎抢每諝庾匀粚�(duì)流加熱換熱管中的低溫液體，為的是使液體完全蒸發(fā)為氣體，它是將空溫式和加熱式汽化功完美結(jié)合的一種高效節(jié)能換熱設(shè)備。水浴氣化器則是一種通過低溫液態(tài)氣體與熱水交換后，然后使低溫液態(tài)氣體氣化成為氣態(tài)氣體的一種小型設(shè)備�？梢钥闯隹諟貧饣骱退饣鞯闹饕康氖前岩后w天然氣氣化成氣體天然氣。 溫度傳感器檢測從空溫氣化器送來的氣體溫度，并將檢測信息送至控制器 PLC，控制器 PLC 根據(jù)相應(yīng)的程序判斷，如果溫度大于 10℃，則打開直通閥，關(guān)閉水浴氣化器閥，氣體不需要進(jìn)一步的氣化；否則，關(guān)閉直通閥，打開水浴氣化器閥。這樣做的目的主要是為了節(jié)能。 
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2.2  調(diào)壓計(jì)量區(qū)
調(diào)壓計(jì)量這一區(qū)域當(dāng)中，它的工作是由調(diào)壓計(jì)量撬來完成，主要為了使通過輸氣管道傳送來的天然氣壓力保持一致穩(wěn)定，而且是為了滿足壓縮機(jī)對(duì)入口壓力的要求，同時(shí)對(duì)將要輸入氣站的天然氣氣體進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)量統(tǒng)計(jì)。 市場中常用的撬塊式調(diào)壓計(jì)量裝置，它的一般特征為進(jìn)氣匯管、出氣匯管和調(diào)節(jié)匯管平行排列在矩形撬塊上，是與矩形撬塊橫向平行的，調(diào)節(jié)匯管在前，出氣匯管在中，進(jìn)氣匯管在后，并在進(jìn)氣匯管和調(diào)節(jié)管兩端之間水平設(shè)有兩條并聯(lián)計(jì)量管，同時(shí)在每條計(jì)量管上逐序設(shè)有控制閥、過濾器、壓力表、流量計(jì)和控制閥；在出氣匯管上中部設(shè)有帶 90°彎頭的出氣管，在進(jìn)氣匯管中側(cè)部設(shè)有一個(gè)進(jìn)氣口；進(jìn)氣匯管和出氣匯管上安裝安全放氣閥。通常是由矩形撬塊、調(diào)節(jié)匯管、控制閥、計(jì)量管、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)管、進(jìn)氣匯管、進(jìn)氣口、出氣匯管、排污管和安全放氣閥等這些組件組成的。
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第3章CNG加氣站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)......11
3.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì).........11
3.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖....14
3.3安全預(yù)警及管網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制......15
3.3.1站區(qū)各環(huán)節(jié)安全預(yù)警與聯(lián)動(dòng)措施...........15
3.3.2聯(lián)動(dòng)控制表..........19
3.4關(guān)于ZigBee的可燃?xì)怏w泄漏無線檢測定位技術(shù)......26
3.4.1ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與優(yōu)勢......26
3.4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)定位..........27
3.4.3數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收........28
3.5可燃?xì)怏w探測與火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)........26
3.5.1監(jiān)測點(diǎn)布置..........26
3.5.2硬件簡介.....27
3.5.3Modbus協(xié)議簡介.........28
3.5.4PLC和可燃?xì)怏w控制器基于Modbus協(xié)議的通信....29
3.6本章小結(jié)......33
第4章基于組態(tài)王的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)..........34
4.1組態(tài)王軟件簡介....34
4.2監(jiān)控系統(tǒng)要求.......35
4.3監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài).......35
4.4本章小結(jié)......41

第 4 章  基于組態(tài)王的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在分析清楚加氣站管網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制的前提下，上述兩章著重論述了加氣站各個(gè)工藝環(huán)節(jié)監(jiān)測點(diǎn)的模擬量監(jiān)控子系統(tǒng)和安全預(yù)警與聯(lián)動(dòng)響應(yīng)子系統(tǒng)，主要有管網(wǎng)聯(lián)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、通訊網(wǎng)路的搭建等。本章主要是以上述兩章為基礎(chǔ)，構(gòu)造上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，完成傳組態(tài)王界面的設(shè)計(jì)，從而完成監(jiān)控與管網(wǎng)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 

4.1  組態(tài)王軟件簡介

作為一種工業(yè)通用的上位機(jī)控制軟件，組態(tài)王將現(xiàn)場操作、過程控制設(shè)計(jì)及工廠管理整合為一體，使內(nèi)部大量的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與應(yīng)用融匯在一起，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化管理。組態(tài)王支持兼容客戶模式和 Internet 瀏覽器等技術(shù)，能依項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小，將項(xiàng)目中不同的站點(diǎn)根據(jù)需求設(shè)計(jì)成不同類型的服務(wù)器，同時(shí)可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的所有層次的各個(gè)位置上都可以及時(shí)獲得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息。組態(tài)王不但適用小型設(shè)備的生產(chǎn)過程監(jiān)控管理，而且還廣泛應(yīng)用于具有分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大型綜合監(jiān)控一體化系統(tǒng)[41]。組態(tài)王應(yīng)用內(nèi)嵌式的報(bào)表系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，而且針對(duì)圖形可進(jìn)行動(dòng)畫連接、定義、修改等一系列操作;為系統(tǒng)通訊增加在線連接、故障診斷以及許多具有實(shí)際意義的輔助工具，使操作簡單易行。組態(tài)王軟件所構(gòu)成的系統(tǒng)一般是由以下幾部分構(gòu)成：（1）工程管理器：工程管理器：新項(xiàng)目工程的創(chuàng)建同已存在的工程管理都是由工程管理器來實(shí)現(xiàn)的，它將會(huì)對(duì)已有的項(xiàng)目進(jìn)行添加、搜索以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入和導(dǎo)出，以滿足實(shí)際需要；（2）工程瀏覽器：作為工程設(shè)計(jì)與開發(fā)工具，工程瀏覽器是為了方便創(chuàng)建顯示監(jiān)控畫面并設(shè)置相關(guān)參數(shù)、完成相應(yīng)的動(dòng)畫連接、編輯命令語言并設(shè)定運(yùn)行系統(tǒng)配置的組態(tài)工具。工程瀏覽器可以查看、配置工程的各個(gè)組成部分，可以通過調(diào)用畫面開發(fā)系統(tǒng)和畫面運(yùn)行系統(tǒng)完成工程開發(fā)和調(diào)試；（3）運(yùn)行系統(tǒng)：在系統(tǒng)的運(yùn)行界面中，當(dāng)采集設(shè)備把相應(yīng)的通訊數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)跟據(jù)工程瀏覽器所提供的動(dòng)畫設(shè)計(jì)來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)畫面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程師與設(shè)備的人機(jī)交互。

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總結(jié)

本文主要是分析 CNG 加氣站站控系統(tǒng)的要求，探討了由現(xiàn)場變器、PLC、計(jì)算機(jī)組成的站控系統(tǒng)的功能；CNG 加氣站現(xiàn)場的運(yùn)行參數(shù)的收集以及基于設(shè)定報(bào)警值進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)。介紹了加氣子站的組成部分、主要設(shè)施、工藝流程，并在管網(wǎng)的控制部分增加了聯(lián)動(dòng)控制，提高了安全系數(shù)。本文研究工作主要分為以下幾個(gè)方面進(jìn)行。 
1.介紹目前國內(nèi) CNG 加氣站的發(fā)展以及它們的研究現(xiàn)狀。 
2.針對(duì)加氣站過程工藝的要求，，簡要介紹了 CNG 氣站主要的四個(gè)系統(tǒng)：脫硫脫水系統(tǒng)、壓縮機(jī)系統(tǒng)、儲(chǔ)氣系統(tǒng)，以及加氣系統(tǒng)。本文一方面對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的主要作用和流程進(jìn)行分析，研究的內(nèi)容如 CNG 加氣站智能監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的配置與優(yōu)化，另一方面基于工藝要求，確定了正常運(yùn)營中需要檢測和控制的參數(shù)。通過對(duì)氣站的工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而對(duì)氣站的應(yīng)用方面提供有效的支持。 
3.根據(jù)氣站要求和總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，介紹了 CNG 加氣站控制系統(tǒng)和各系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，以及試驗(yàn)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了安全預(yù)警及管網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制，并且針對(duì)管線及試驗(yàn)工藝要求，介紹了站區(qū)各環(huán)節(jié)安全預(yù)警與聯(lián)動(dòng)措施、可燃?xì)怏w探測與火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)；基于上述的硬件設(shè)計(jì)，介紹了以西門子 s7-300PLC 作為系統(tǒng)控制器，采用串行通訊模塊 CP341 與外接設(shè)備通訊，分析闡述了基于組態(tài)王的監(jiān)控系統(tǒng)軟件，最后，針對(duì)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，在對(duì)通信技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，介紹了 PLC和可燃?xì)怏w控制器基于 Modbus 協(xié)議的通信以及基于 RS485 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)說明了采取的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：61533