摘要：本文介紹了PLC在海上天然氣生產(chǎn)平臺設(shè)施保護系統(tǒng)中的應(yīng)用。主要討論了系統(tǒng)的應(yīng)用背景、系統(tǒng)構(gòu)成、人機界面以及相應(yīng)的軟件設(shè)計。同時，針對海上天然氣平臺的生產(chǎn)特點，闡明了生產(chǎn)設(shè)備的保護功能的實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：可編程控制器 設(shè)施保護系統(tǒng) 生產(chǎn)控制系統(tǒng) 人機界面

1 引言
PLC（可編程邏輯控制器）由于其可靠性高、功能強、可擴展性好等特點，而被廣泛應(yīng)用于油氣田各類生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中。在海上天然氣平臺的生產(chǎn)過程中，被處理介質(zhì)往往是高溫高壓、易燃易爆的氣體或液體，故生產(chǎn)安全性問題尤為突出。在這種情況下，須將控制生產(chǎn)處理流程的生產(chǎn)控制系統(tǒng)與專職實現(xiàn)保護功能的設(shè)施保護系統(tǒng)分開設(shè)計與安裝。這樣，就確保了當生產(chǎn)控制系統(tǒng)出現(xiàn)掉電、系統(tǒng)失控等故障時，設(shè)施保護系統(tǒng)仍能將泵、壓縮機、壓力容器等生產(chǎn)設(shè)備切換到安全狀態(tài)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)施的安全保護。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由于設(shè)施保護系統(tǒng)運行在現(xiàn)場，各種電磁干擾大，工作環(huán)境惡劣，因此選用抗干擾能力強的PLC作為系統(tǒng)控制主體。系統(tǒng)由主從處理器、遠程I/O以及人機界面等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

由于I/O點數(shù)較多、數(shù)據(jù)處理量大，故在美國A-B公司的PLC5系列處理器中選用處理容量較大的PLC5/40處理挨?？紤]到設(shè)施保護系統(tǒng)本身負責生產(chǎn)處理設(shè)備的安全保護功能，其自身可靠性非常重要，將處理器部分設(shè)計為冗余配置。兩臺處理通過DH+通信同步工作，但只有主處理器從遠程I/O中讀寫數(shù)據(jù)。當主處理器發(fā)生故障時，從處理器立即接管遠程I/O，同時升級為主處理器。
遠程I/O部分選用A-B公司的1771遠程I/O適配器。該適配器通過A-B公司的DH+數(shù)據(jù)總線與主處理器通訊，并刷新各輸入/輸出模塊的I/O點狀態(tài)。與遠程I/O相連的現(xiàn)場設(shè)備，不僅包括各類傳感器、執(zhí)行器，還包括一些分散在現(xiàn)場的本地控制器，例如儀表氣空壓縮機控制器、干氣壓透平壓縮機控制器，均為PLC5系列可編程控制器?？紤]到設(shè)施保護系統(tǒng)對通信的高可靠性與實時性的要求，這些現(xiàn)場本地控制器不采用串行方式與設(shè)施保護系統(tǒng)通信，而使用0/24V開關(guān)信號直接受設(shè)施保護系統(tǒng)的控制。
人機界面，則由美國費舍爾-羅斯蒙特（Fisher-Rosemount）公司的RS3集散控制系統(tǒng)完成。該集散控制系統(tǒng)既是設(shè)施保護系統(tǒng)的人機界面，又是控制處理流程的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。出于安全性方面的考慮，生產(chǎn)控制系統(tǒng)不對設(shè)施保護系統(tǒng)進行任何控制，僅對設(shè)施保系統(tǒng)監(jiān)視。
為了達到企業(yè)管理和生產(chǎn)自動化的緊密結(jié)合，系統(tǒng)報表功能由一臺與企業(yè)局域網(wǎng)相連的報表服務(wù)器完成。該服務(wù)器定時從生產(chǎn)控制系統(tǒng)與設(shè)施保護系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，再自動調(diào)用Lotus Notes，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)以電子郵件的形式投送到生產(chǎn)經(jīng)理、生產(chǎn)監(jiān)督等管理人員的電子信箱中。

3 設(shè)施保護功能的實現(xiàn)
為了達到保護生產(chǎn)設(shè)備的目的，需要通過梯形圖程序對設(shè)備參數(shù)進判斷并產(chǎn)生相應(yīng)的關(guān)停指令。關(guān)停指令共有四種級別，依次是：Fire ESD（Fire Emergency Shut Down，火警緊急關(guān)停）、ESD（Emergency Shut Down緊急關(guān)停）、PSD（Process Shut Down，處理流程關(guān)停）以及USD（Unit Shut Down，生產(chǎn)單元關(guān)停）。
Fire ESD指令級別最高，由火災(zāi)報警盤報告火警信號產(chǎn)生。其動作是，關(guān)停生產(chǎn)平臺的一切設(shè)備，同時啟動海水消防泵與海水噴淋系統(tǒng)。ESD指令由一些表示嚴重生產(chǎn)事故的信號產(chǎn)生，例如，檢測到天然氣泄漏。其動作是，除應(yīng)急發(fā)電機以外，關(guān)停其他一切設(shè)備。PSD指令由一些重要設(shè)備的非正常狀態(tài)產(chǎn)生，例如壓縮機喘震，儀表氣壓力低等。其動作是，關(guān)停3整個生產(chǎn)處理流程，但保持發(fā)電機、儀表氣壓縮機的運行。USD則是由局部非正常生產(chǎn)狀態(tài)產(chǎn)生，例如PID控制回路大幅度震蕩、分離器液位高等。其動作是，關(guān)停發(fā)生故障的生產(chǎn)設(shè)備。
整個設(shè)施保護系統(tǒng)的工作過程是：PLC處理器通過遠程I/O對生產(chǎn)設(shè)備的壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)進行判斷。一旦檢測到非正常工作情況，則立即將生產(chǎn)設(shè)備進行全部或局部關(guān)停，同時通過人機界面向操作員報警。
除了由傳感器檢測到的非正常生產(chǎn)狀態(tài)可產(chǎn)生關(guān)停止指令以外，設(shè)施保護系統(tǒng)同時提供了手動按鈕用以產(chǎn)生手動關(guān)停止指令。手動按鈕散布在生產(chǎn)區(qū)各處，由操作人員根據(jù)具體事故情況決定是否發(fā)出關(guān)停指令。
設(shè)施保護系統(tǒng)還提供了旁通（Bypass）功能。當維修人員對傳感器進行檢測或維修時，為了防止設(shè)施保護系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作，需要在梯形圖程序中設(shè)置旁通位，以便將被維護儀表產(chǎn)生的誤關(guān)停信號進暫時屏蔽處理。
整個關(guān)停過程的程序流程圖如圖2所示。

4 PLC的軟件編程
A-B PLC 5/40處理器隨機提供6200系列編程軟件，但在實際編程中采用了Rockwell軟件公司的Logic 5軟件對PLC進行編程。Logic 5是基于Windows的應(yīng)用程序，相對于