天然气现场一种新型就地信号控制器的研制及应用

天然气现场一种新型就地信号控制器的研制及应用

李正[1] ,王晨煜 ,杨显斌,赖劲舟,周建禄

西南油气田分公司重庆气矿  四川重庆 400021

摘要：天然气计量站在设计期对电线或信号线考虑不足，在投运后期难以增加新的自动化控制功能。本文利用集成电路及ADC差分技术，开发出一种可就地控制处理仪表输出信号传输的SPC（Signal Process and Control）控制器，并在缺少报警驱动功能的固定式气体检测仪的天然气计量站成功试用。

关键词:天然气计量站；信号处理就地控制器；报警仪；声光报警器

一、引言

目前，天然气计量站实现自动化控制的方式主要依赖仪表间PLC或RTU进行仪表供电、信号传输以及现场执行器联锁控制等，但早期安装的固定式气体检测仪因出厂前未设计报警继电输出，缺少就地声光报警功能，无法满足安全管理双重预防机制的基本要求。本文采用ADC差分技术，研制出一种可就地控制处理仪表输出信号传输的控制器（下简称SPC控制器，发明专利受理号：202110809599.3），并将其试用于生产现场的缺少报警驱动功能的固定式气体检测仪，满足就地声光报警功能。该控制器通过接入的信号线可实时检测线路的电流值，而不会影响信号的传输；通过自行设计的模块设定不同的电流值，实现2级控制输出；并可通过SPC控制器专用调试平台，进行相关技术指标的设置、调试和实时监控。

二、新型就地信号控制器的原理及功能

我们利用ADC差分技术，研究设计各种芯片与集成电路的功能,开发出一种可就地控制处理仪表输出信号传输的SPC控制器(简称SPC控制器)，SPC控制器功能开发应用，解决了就地声光报警功能。

2.1  工作原理

就地信号控制器工作原理：运用ADC差分技术把现场传感器输出信号进行分离，并用于就地控制。技术从原理上避免了对现有仪表传输信号的影响，且不影响仪表的输出信号准确度，并可实时检测线路的电流值。通过不同的设定电流值，实现2级控制输出，解决了固定式气体检测仪无声光报警的问题。依据SPC控制器功能对核心程序进行了程序编写，实现用户自定义功能，可通过RS485连接线对SPC控制器进行相关设置及实时监控，支持在Windows 7_8_8.1_10系统环境下运行，使其能实现信号处理及控制的功能。

2.2功能

SPC控制器是实际生产过程中适应各种需要进行就地直接控制的执行器，根据天然气计量站的功能需求，可实现以下的功能。

2.2.1两级报警功能

SPC控制器可按报警电流的设定值不同，实现2级报警，报警输出24V DC,当电流达到设定值1时，驱动报警器(继电器)Ⅰ工作，电流低于设定值1时，报警器(继电器)1停止工作,当电流达到设定值2时，驱动报警器(继电器)Ⅱ工作,电流低于设定值2，报警器(继电器)Ⅱ停止工作，可直接控制输出Ⅰ、输出Ⅱ闭合或断开。

2.2.2  就地控制功能

天然气计量站气体检测仪就地控制，通过检测信号+的电流值，对报警值进行调整，降低声光报警器的成本，对电流值的识别准确度不小于±0.08 mA。

2.2.3  设备内部温度监控

可通过内置温度单元对设备及环境温度进行监控。

2.2.4  调试功能

设定值可通过RS 485或MODBUS RTU进行修改，修改工具为PC软件，可方便快速对控制器进行设置或调试。

2.2.5 方便安装

能够便于安装于各种类型的检测仪内部，模块体积应足够小，根据安装方式确定结构设计——内置型和外置型。内置式标准型：采用阻燃塑脂封装，嵌入式安装于现场仪表的内部。内置式紧凑型：采用热缩管封装，最大限度地减小自身体积，以适应更加紧凑的仪表内部安装。外置式 ：采用扩展外部防爆外壳方式，安装不再受仪表的内部空间限制。

2.2.6  快速排查故障

通过电压及电流的监控，辨别是仪表本身还是中控室或控制线路出故障，可实现故障快速排查。

三、信号处理和控制器的专用测试平台

我们按照天然气计量站需求及SPC控制器的相关技术性能指标等，参照工业过程测量和控制装置系统用配电器的标准，作为“SPC控制器”各项测试数据的标准依据，对适用“SPC控制器”测试方式进行探索，在实验室模拟不同温度环境对SPC控制器样品性能进行测试，最终确保SPC控制器的性能要求及环境适应性等各项技术指标均能达到设计标准要求。

3.1   SPC控制器专用测试平台

SPC控制器在天然气计量站试用前分别进行实验室测试和现场测试，由于SPC控制器是现场仪表的控制执行器，非计量仪表，故选用测试标准器参考以下标准选择：《GB/T 28272.2-2012 工业过程测量和控制装置系统用配电器 第2部分：性能评定方法》，并研发了专用测试平台见图2，用于实验室与工作现场的设备调试。

3.2 产品测试流程

SPC控制器，通过接入4-20mA信号线路，可实时检测线路的电流值，而不会影响信号的传输。通过不同的设定电流值，实现2级控制输出。检测电流值、输出状态等信息，通过RS458端口实时上传。自定义功能可通过SPC控制器调试平台，根据现场的不同需求进行设置和实时监控，还可直接控制输出1、输出2闭合或断开。

3.3  环境条件

除环境试验或有关标准中另有规定外试验应在下列环境条件中进行：

（1）温度：15℃～35℃ ；

（2）相对湿度：45%～75% ；

（3）大气压力：80 kPa～116 kPa 。

3.4 性能要求

3.4.1性能指标：工作电压24VDC；工作电流2A；输入（4~20） mA；控制输出2路；输出能力DC24V，1A/每路；通讯方式RS485

3.4.2技术指标：

SPC控制器的专业化需求，准确度须达到0.1级以下为分项要求：（1）准确度达到±0.1%;（2）重复性误差0.1%;（3）回差±0.1%;（4）始动漂移0.2%;（5）长期漂移0.1%；（6）响应时间≤5s；（7）安全性能要求各端子与机壳间不小于50MΩ。

3.4.3外观及结构检查

用目测方法和手感法观察仪器外观及结构应符合设计的要求。 

3.4.4环境适应性

参比条件下的试验（交变循环温度测试）应满足以下要求。

（1）供电电源：24VDC±1%，纹波：＜1%。

（2）CKSPC-2的测量值及输出状态等信息，通过SPC控制器调试平台，进行实时读取。

（3）测试要求：将被测试设备置于高低温循环湿热试验箱中，进行-20～60℃交变循环测试。

（4）环境相对湿度：10～85%，大气压力：86kPa~108kPa。

四、结论

研制的一种新型就地信号控制器，通过实验及现场应用，已经实现在不影响仪表测量信号传输的条件下，既能实现就地自动控制的自动联锁效果，又解决了现场线路安装排线的难题，从成本控制上来看，节约大量生产维护成本，特别是对报警仪故障的快速排查功能，降低维护难度，实现降本增效的目的。 控制器检测项目及方法的设置，能满足现场生产的需求，包括该控制器的技术指标、外观要求、报警功能等进行测试。SPC控制器的研究还需要加大对现有协议的优化，寻找相对应用成熟远程通讯支持，以实现物联网数据上传，以可能实现数据远传及故障诊断，实现远程校准功能。未来可能拓展运用于自动药剂加注，计量联锁控制，其他报警控制等不同天然气计量站，提高天然气计量站的安全管理水平，实现以低成本就地自动控制稳定运行。

如何实现传感器的更多功能将成为我们的主要研究方向，行业内生产现场存在大量只需要简单逻辑控制的控制点，就地控制系统市场需求量较大，SPC控制器适用于各种安装情况下的就地控制，对于有简单就地控制需求的生产现场，具有非常大的竞争优势。

参考文献

[1]技术标准归口单位国家质量监督检验检疫总局，《GB 3836.1-2010 爆炸环境 第1部分 设备通用要求》北京复兴门外三里河北街16号，中国标准出版社，2011.5

[2]技术标准归口单位国家质量监督检验检疫总局，《GB3836.2-2010 爆炸环境 第2部分 设备通用要求》北京复兴门外三里河北街16号，中国标准出版社，2011.5

[3]技术标准归口单位国家质量监督检验检疫总局，《GB/T 28272.2-2012 工业过程测量和控制装置系统用配电器 第1部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》北京朝阳区和平里西街2号，中国标准出版社，2012.11

1