CNG加气站智能双冗余控制系统的制作方法

本实用新型属于CNG加气站领域，具体涉及一种CNG加气站智能双冗余控制系统。

背景技术：

CNG（中文名为：压缩天然气，英文全称为：CompressedNaturalGas,简称CNG）是一种将天然气加压并以气态储存在容器的燃料。CNG的主要成分为甲烷（CH4），甲烷燃烧后的产物为二氧化碳和水，所以，压缩天然气（CNG）作为汽车燃料具有安全、环保、经济等优越性，CNG的推广与使用对城市的环保和可持续发展。也正是因为CNG具有以上诸多优点，故目前城市中的CNG加气站越来越多，使用CNG作为燃料的汽车也越来越多。

目前，名为《CNG加气站工艺流程优化设计探讨》的文献给出了两种CNG加气站的总体结构，参见本说明书附图1和图2，图1和图2中标记为：1管道来气，2缓冲罐，3压缩机，4冷却塔，5高压脱水装置，6顺序控制盘，7地下储气井，8加气机。

但上述加气站的结构中压缩机的启停（开关量）、地下储气井的输入与输出（开关量），以及地下储气井的气压值检测（模拟量）等均由单台控制器进行监测，且在运行过程中难以避免死机状况，从而丧失对加气站各个仪表的监控功能，容易引发安全事故。

基于此，申请人考虑设计一种结构简单，可靠性和安全性更高的CNG加气站智能双冗余控制系统。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单，可靠性和安全性更高的CNG加气站智能双冗余控制系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

CNG加气站智能双冗余控制系统，包括控制主机，所述控制主机与加气站的各个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元分别相连接；其特征在于：

还包括控制从机；其中，所述控制主机包括两个主站控制器，所述控制从机包括两个从站控制器，单个主站控制器与单个从站控制器一一对应且相互之间采用电缆信号相连；每个从站控制器通过电缆与所述加气站的各个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元信号相连。

本实用新型的加气站站控系统在使用时，通过各个从站控制器来获取加气站的各个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元的信号，这样一来，即可通过各个从站控制器来采集加气站内各个电控装置和仪表的状态数据。与此同时，各个从站控制器与相应的单个主站控制器之间通讯相连，这样一来，各个主站控制器即可据情况进行输出信号控制加气站内各个设备的启停与动作信号给从站控制器，从而完成对各设备的启停控制。

所以，本实用新型的加气站站控系统具有两套处理器系统，以一用一备的方式运行，在主站控制器A运行时，从站控制器A工作，控制输入输出模块单元，而主站控制器B备用。在主站控制器B运行时，从站控制器B工作，控制输入输出模块单元，而主站控制器A备用。两台处理器可进行自动切换与手动切换，大大增加了站控系统的使用安全性与使用寿命。

作为优选，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括UPS电源，所述UPS电源的电源接入端通过电缆与市电相连，所述UPS电源的电源输出端通过电缆与各个主站控制器和从站控制器相连。

采用本优选技术方案后，即可利用UPS电源内部的电力存储单元在有市电（市电即我们所说的工频交流电（AC））的情况下储存电；在市电断电的情况下，UPS电源自身会快速切换到由储存电来对外供电，进而提高站控系统运行的可靠性。

作为优选，所述主站控制器为可编程序控制器。

这样一来，即可利用可编程序控制器（英文简称：PLC）,所具备的性能稳定可靠，程序编写便捷的优点。且在实施时，优选采用德国西门子公司生产的具备性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好优点的S7-300系列可编程序控制器。

作为优选，所述从站控制器为可编程序控制器或接口模块中的任意一种。

当从站控制器为可编程序控制器，所获得有益技术效果同主站控制器采用可编程序控制器的有益技术效果。当从站控制器为接口模块（例如，西门子公司IM 153系列的接口模块），则具有成本更低，时钟同步以及精度达到1ms的时间戳的优点，从而更帮助本实用新型的CNG加气站智能双冗余控制系统获得更高控制精度和相应速度。

作为优选，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括信号分配器；每个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元分别通过一根电缆与所述信号分配器上的各个相应的信号接口相连，所述信号分配器再与两个从站控制器上对应的接口相连接。

采用上述信号分配器后，可通过上述信号分配器来将各个信号一分为二，以此来减少各个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元与两个从站控制器之间的连线量，简化接线线路，提高接线的可靠性。

本领域技术人员公知，信号分配器是一种广泛应用于机械、电气、电信、电力、石油、化工、钢铁、污水处理、楼宇建筑等领域的数据采集、信号传输转换、PLC、DCS等工业测控系统，用来完善和补充系统模拟∣/O 插件功能，增加系统适用性和现场环境的可靠度。信号分配器的接线方式是本领域技术人员公知技术，在此不作赘述。

作为优选，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括在加气站中的冷却塔的外表面上安装的冷却塔振动检测机构，所述冷却塔振动检测机构包括拾振器、电池、报警器和控制器；所述拾振器、电池和报警器分别通过电缆与控制器相连接。

因为，冷却塔上设置有多个振动源（如：风机、供水水泵和喷淋泵），且为了增强冷却效果，各个加气站中设置的冷却塔基本为并列的两台。这样一来，即在冷却塔运行时，各个风机、供水水泵和喷水水泵的共同振动形成共振，增加冷却塔整体的振动程度。又因为，冷却塔与加气站的输气管路之间具有至少两个连接点，上述振动久而久之为引起连接点的松动，从而引发泄漏的安全事故。

基于上述背景，冷却塔振动检测机构在使用时，通过拾振器来测量冷却塔的振动（拾振器即是一种测振传感器，是一种将振动变换成相应电信号的装置）。并在控制器中设定一个拾振器的报警阈值，当拾振器检测到振动值大于等于报警阈值发出信号给控制器来控制报警器报警，从而提醒现场的工作人员，需尽快对冷却塔进行消振处理，以提升加气站的运行可靠性。

作为优选，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括压缩机冷却控制系统，所述压缩机冷却控制系统包括安装在冷却塔内部底部的蓄水池中的液位传感器，所述液位传感器的接线端通过电缆与控制主机信号相连；冷却塔上固定安装有用于给冷却塔内部底部的蓄水池供水的供水管，所述供水管上固定安装有电磁阀，所述电磁阀的接线端通过电缆与控制主机信号相连。

压缩机冷却系统包括冷却塔，所述冷却塔上内部设置有冷却用盘管，所述冷却用盘管的输入口和输出口均位于冷却塔外部，且所述输入口与压缩机的输出口密封相连，所述输出口与高压脱水装置的输入口密封相连。

冷却塔用于对经压缩机加压压缩后的高温天然气（70度左右）进行冷却，防止因热胀冷缩导致的加气站中安装的各个计量仪表的计量存有误差。所以，冷却塔的使用能够确保加气站中安装的各个计量仪表的计量更为精准。

采用上述压缩机冷却控制系统后，即能通过液位传感器来检测冷却塔内部底部的蓄水池中的液位深度，进而在低水位时发出信号给控制主机来开启电磁阀，从而使得供水管给蓄水池供水。长期确保压缩机的冷却效果，提高加气站运行的安全可靠性。

作为优选，所述液位传感器为分布设置于所述蓄水池深度方向上高中低三处的三个。

上述三个液位传感器不仅能够提高对于蓄水池水位监测的可靠性（预防在采用单个液位传感器，该液位传感器出现故障，致使无法监测水位的情况发生）；还能够通过三个液位传感器来能够便捷地使得冷却塔的控制更为精准可靠，例如，当处在高位置的液位传感器发出信号时，则控制主机给电磁阀信号供水至，该液位传感器信号消失；但当处在高和中位置的两个液位传感器发出信号时，则意味着有可能电磁阀坏或供水管的供水源断开，需及时检修；当处在高、中和低位置的三个液位传感器，则需要及时发出紧急报警信号来进行快速抢修。综上，可看出，三个液位传感器的设置，能够使得压缩机冷却系统的运行更为安全可靠。

作为优选，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括加气源自动调配机构，所述加气源自动调配机构包括第一控制阀、第二控制阀、车流量检测装置和控制主机；所述第一控制阀、第二控制阀、车流量检测装置分别与所述控制主机信号相连；

所述第一控制阀密封安装在加气机的供气口与顺序控制盘之间的连接管道上，所述第二控制阀密封安装在加气机的供气口与储气瓶之间的连接管道上；所述车流量检测装置安装在安装在加气站内并用于检测车流量。

采用上述加气源自动调配机构后，采用车流量检测装置来检测加气站内的车流量，进而判断加气符合是否均匀。

若车流量在单位时间的数据较为一致（例如，连续3次，每20分钟大于4辆）则判断为加气站的加气较为均匀饱和，也证明此时加气车辆较多，则控制主机给出第一控制阀开启，第二控制阀关闭的控制信号，从而由压缩机来直供加气机来进行快速加气，提高加气站的加气效率，避免加气排队或者拖车脱节子站断气等现象，确保加气站的正常高效运行。

若车流量在单位时间的数据较为不一致，则判断为加气站的加气负荷较小，此时储气瓶预先储存的高压天然气来满足加气要求，减少压缩机的启动次数，延长压缩机的使用寿命。

作为优选，所述车流量检测装置为红外传感器或超声器中任意一种。

加气站为高危地带，采用红外传感器或超声器来检测加气站内车流量的方式，不会产生热源，安全可靠。

附图说明

图1和图2为背景技术所介绍的加气站的结构示意图。

图3为一种采用了本实用新型的加气站的结构示意图。

图4为本实用新型CNG加气站智能双冗余控制系统的结构示意图。

图5为一种采用了本实用新型的加气站中冷却塔的立体结构示意图。

图6为一种采用了本实用新型的加气站中冷却塔的电气接线示意图。

图7为一种采用了本实用新型的加气站中冷却塔中液位传感器的设置示意图。

上图中标记为：

1管道来气；

2缓冲罐；

3压缩机；

4冷却塔；

5高压脱水装置；

6顺序控制盘；

7地下储气井；

8加气机；

41风机、42供水水泵，43喷淋泵，44拾振器；

71第一类储气瓶、72第二类储气瓶、73第三类储气瓶；

9液位传感器；

10车流量检测装置。

具体实施方式

下面结合一种采用了本实用新型的加气站的附图对本实用新型的CNG加气站智能双冗余控制系统作进一步的详细说明。其中，针对描述采用诸如上、下、左、右等说明性术语，目的在于帮助读者理解，而不旨在进行限制。

如图3至图7所示，一种加气站，包括压缩机3、高压脱水装置5、顺序控制盘6、储气装置和加气机8；所述压缩机3的进气口用于与天然气源密封相连，所述压缩机3的出气口通过管道与所述高压脱水装置5的进口相连，所述高压脱水装置5的出口通过管道与顺序控制盘6的供入口相连，所述顺序控制盘6的输出端口分别与所述储气瓶的输入口和加气机8的供气口之间通过管道单独相连，且所述储气瓶的输出口与所述加气机8的供气口之间通过管道密封相连；

所述储气装置为储气瓶，所述储气瓶包括均为容积相等且外形均呈圆筒形的第一类储气瓶71、第二类储气瓶72和第三类储气瓶73，每个第一类储气瓶71储满后内部气压为25Mpa至23Mpa，每个第二类储气瓶72储满后内部气压为24Mpa至22Mpa，每个第三类储气瓶73储满后内部气压为23Mpa至20Mpa；所述第一类储气瓶71、第二类储气瓶72和第二类储气瓶72的瓶数比为1:2:3；每个储气瓶分别通过一根管道与顺序控制盘6上的对应的接口相连接；所有储气瓶竖向固定安装在同一个位于地面的安装支架上。

通常，汽车上安装的储气罐的工作压力为20Mpa（容积通常为60至100L）。

采用上述储气加气结构进行加气时，即可在加气量较少时，采用第三类储气瓶73来实现慢速加气；在加气量需求较大时，即可采用第一类储气瓶71、第二类储气瓶72和第三类储气瓶73共同来实现快速加气，并借此提高加气站的加气效率和效益。可见，上述储气加气结构能够满足加气站加气符合分布不均匀的情形。

采用上述储气加气结构进行储气时，在多数储气瓶内的天然气不足时才开启压缩机3来对各个储气瓶供气，从而有效减少压缩机3的启动次数，延长使用寿命。

此外，所有储气瓶竖向固定安装在同一个位于地面的安装支架上的结构，使得瓶整体更节省加气站的占地面积的同时，降低加气站的建设任务，缩短加气站从建设到正式使用的时间。

实施时，优选所述安装支架为金属框架结构，且所述安装支架上具有供各个储气瓶的底部竖向插入并固定的安装孔，各个储气瓶底部插接固定在安装孔内实现固定。

实施时，优选各个储气瓶的容积均为200至500L。这样一来，即可满足一般加气站日常加气量。

CNG加气站智能双冗余控制系统（即为本实用新型），包括控制主机，所述控制主机与加气站的各个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元分别相连接；还包括在各个储气瓶上安装的用于测量储气瓶内部气压的压力计，所述压力计与控制主机信号相连；且每根管道上均设置有一个受控制主机控制的电磁阀。

上述站控系统的采用，即可通过控制主机来快速获得各个储气瓶的压力，进而及时控制电磁阀来对储气瓶进行充气。

本领域技术人员公知，开关量是指非连续性信号的采集和输出，包括遥信采集和遥控输出。它有1和0两种状态，这是数字电路中的开关性质，而电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开；加气站内各个电磁阀、继电器的开合即为开关量。模拟量是指变量在一定范围连续变化的量；也就是在一定范围（定义域）内可以取任意值（在值域内）。数字量是分立量，而不是连续变化量，只能取几个分立值，如二进制数字变量只能取两个值；加气站中通过各个压力计所测得的压力值即为模拟量。

其中，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括控制从机；其中，所述控制主机包括两个主站控制器，所述控制从机包括两个从站控制器，单个主站控制器与单个从站控制器一一对应且相互之间采用电缆信号相连；每个从站控制器通过电缆与所述加气站的各个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元信号相连。

现有的CNG加气站智能双冗余控制系统通常采用单台控制主机在运行，且在运行过程中难以避免死机状况，从而丧失对加气站各个仪表的监控功能，容易引发安全事故。

本实用新型的加气站站控系统在使用时，通过各个从站控制器来获取加气站的各个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元的信号，这样一来，即可通过各个从站控制器来采集加气站内各个电控装置和仪表的状态数据。与此同时，各个从站控制器与相应的单个主站控制器之间通讯相连，这样一来，各个主站控制器即可据情况进行输出信号控制加气站内各个设备的启停与动作信号给从站控制器，从而完成对各设备的启停控制。

所以，本实用新型的加气站站控系统具有两套处理器系统，以一用一备的方式运行，在主站控制器A运行时，从站控制器A工作，控制输入输出模块单元，而主站控制器B备用。在主站控制器B运行时，从站控制器B工作，控制输入输出模块单元，而主站控制器A备用。两台处理器可进行自动切换与手动切换，大大增加了站控系统的使用安全性与使用寿命。

其中，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括UPS电源，所述UPS电源的电源接入端通过电缆与市电相连，所述UPS电源的电源输出端通过电缆与各个主站控制器和从站控制器相连。

采用本优选技术方案后，即可利用UPS电源内部的电力存储单元在有市电（市电即我们所说的工频交流电（AC））的情况下储存电；在市电断电的情况下，UPS电源自身会快速切换到由储存电来对外供电，进而提高站控系统运行的可靠性。

其中，所述主站控制器为可编程序控制器。

这样一来，即可利用可编程序控制器（英文简称：PLC）,所具备的性能稳定可靠，程序编写便捷的优点。且在实施时，优选采用德国西门子公司生产的具备性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好优点的S7-300系列可编程序控制器。

其中，所述从站控制器为可编程序控制器或接口模块中的任意一种。

当从站控制器为可编程序控制器，所获得有益技术效果同主站控制器采用可编程序控制器的有益技术效果。当从站控制器为接口模块（例如，西门子公司IM 153系列的接口模块），则具有成本更低，时钟同步以及精度达到1ms的时间戳的优点，从而更帮助本实用新型的CNG加气站智能双冗余控制系统获得更高控制精度和相应速度。

其中，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括信号分配器；每个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元分别通过一根电缆与所述信号分配器上的各个相应的信号接口相连，所述信号分配器再与两个从站控制器上对应的接口相连接。

采用上述信号分配器后，可通过上述信号分配器来将各个信号一分为二，以此来减少各个开关输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元与两个从站控制器之间的连线量，简化接线线路，提高接线的可靠性。

本领域技术人员公知，信号分配器是一种广泛应用于机械、电气、电信、电力、石油、化工、钢铁、污水处理、楼宇建筑等领域的数据采集、信号传输转换、PLC、DCS等工业测控系统，用来完善和补充系统模拟∣/O 插件功能，增加系统适用性和现场环境的可靠度。信号分配器的接线方式是本领域技术人员公知技术，在此不作赘述。

其中，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括在加气站中的冷却塔4的外表面上安装的冷却塔4振动检测机构，所述冷却塔4振动检测机构包括拾振器44、电池、报警器和控制器；所述拾振器44、电池和报警器分别通过电缆与控制器相连接。

因为，冷却塔4上设置有多个振动源（如：风机41、供水水泵42和喷淋泵43），且为了增强冷却效果，各个加气站中设置的冷却塔4基本为并列的两台。这样一来，即在冷却塔4运行时，各个风机41、供水水泵42和喷水水泵的共同振动形成共振，增加冷却塔4整体的振动程度。又因为，冷却塔4与加气站的输气管路之间具有至少两个连接点，上述振动久而久之为引起连接点的松动，从而引发泄漏的安全事故。

基于上述背景，冷却塔4振动检测机构在使用时，通过拾振器44来测量冷却塔4的振动（拾振器44即是一种测振传感器，是一种将振动变换成相应电信号的装置）。并在控制器中设定一个拾振器44的报警阈值，当拾振器44检测到振动值大于等于报警阈值发出信号给控制器来控制报警器报警，从而提醒现场的工作人员，需尽快对冷却塔4进行消振处理，以提升加气站的运行可靠性。

实施时，所述报警器为声光报警器，所述控制器为单片机。

这样一来，声光报警器能够通过声音和光的形式来引起现场工作人员的及时注意，确保报警提示的效果。单片机的结构简单、运行可靠，设置使用起来更为方便。

实施时，所述电池为蓄电池；所述冷却塔4振动检测机构还包括发电机，所述发电机的转轴与冷却塔4上的任意一个电机的输出轴驱动相连，所述发电机的输电端通过电缆与所述控制器相连接且用于给所述电池输电。

这样一来，即使得冷却塔4振动检测机构更好地与冷却塔4的运行同步，并利用好冷却塔4的动力源来自行发电，节省冷却塔4振动检测机构所使用的电缆量。

其中，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括压缩机冷却控制系统，所述压缩机冷却控制系统包括安装在冷却塔4内部底部的蓄水池中的液位传感器9，所述液位传感器9的接线端通过电缆与控制主机信号相连；冷却塔4上固定安装有用于给冷却塔4内部底部的蓄水池供水的供水管，所述供水管上固定安装有电磁阀，所述电磁阀的接线端通过电缆与控制主机信号相连。

压缩机3冷却系统包括冷却塔4，所述冷却塔4上内部设置有冷却用盘管，所述冷却用盘管的输入口和输出口均位于冷却塔4外部，且所述输入口与压缩机3的输出口密封相连，所述输出口与高压脱水装置5的输入口密封相连。

冷却塔4用于对经压缩机3加压压缩后的高温天然气（70度左右）进行冷却，防止因热胀冷缩导致的加气站中安装的各个计量仪表的计量存有误差。所以，冷却塔4的使用能够确保加气站中安装的各个计量仪表的计量更为精准。

采用上述压缩机冷却控制系统后，即能通过液位传感器9来检测冷却塔4内部底部的蓄水池中的液位深度，进而在低水位时发出信号给控制主机来开启电磁阀，从而使得供水管给蓄水池供水。长期确保压缩机3的冷却效果，提高加气站运行的安全可靠性。

其中，所述液位传感器9为分布设置于所述蓄水池深度方向上高中低三处的三个。

上述三个液位传感器9不仅能够提高对于蓄水池水位监测的可靠性（预防在采用单个液位传感器9，该液位传感器9出现故障，致使无法监测水位的情况发生）；还能够通过三个液位传感器9来能够便捷地使得冷却塔4的控制更为精准可靠，例如，当处在高位置的液位传感器9发出信号时，则控制主机给电磁阀信号供水至，该液位传感器9信号消失；但当处在高和中位置的两个液位传感器9发出信号时，则意味着有可能电磁阀坏或供水管的供水源断开，需及时检修；当处在高、中和低位置的三个液位传感器9，则需要及时发出紧急报警信号来进行快速抢修。综上，可看出，三个液位传感器9的设置，能够使得压缩机3冷却系统的运行更为安全可靠。

其中，CNG加气站智能双冗余控制系统还包括加气源自动调配机构，所述加气源自动调配机构包括第一控制阀、第二控制阀、车流量检测装置10和控制主机；所述第一控制阀、第二控制阀、车流量检测装置10分别与所述控制主机信号相连；

所述第一控制阀密封安装在加气机8的供气口与顺序控制盘6之间的连接管道上，所述第二控制阀密封安装在加气机8的供气口与储气瓶之间的连接管道上；所述车流量检测装置10安装在安装在加气站内并用于检测车流量。

采用上述加气源自动调配机构后，采用车流量检测装置10来检测加气站内的车流量，进而判断加气符合是否均匀。

若车流量在单位时间的数据较为一致（例如，连续3次，每20分钟大于4辆）则判断为加气站的加气较为均匀饱和，也证明此时加气车辆较多，则控制主机给出第一控制阀开启，第二控制阀关闭的控制信号，从而由压缩机3来直供加气机8来进行快速加气，提高加气站的加气效率，避免加气排队或者拖车脱节子站断气等现象，确保加气站的正常高效运行。

若车流量在单位时间的数据较为不一致，则判断为加气站的加气负荷较小，此时储气瓶预先储存的高压天然气来满足加气要求，减少压缩机3的启动次数，延长压缩机3的使用寿命。

其中，所述车流量检测装置10为红外传感器或超声器中任意一种。

加气站为高危地带，采用红外传感器或超声器来检测加气站内车流量的方式，不会产生热源，安全可靠。

其中，所述车流量检测装置10采用支撑杆固定安装在加气站的进口处或出口处。

加气站的进口或出口处通常仅可供单个车辆出入，故在此处设置一套车流量检测装置10即能够准确地测量出进出加气站的车流量，确保车流量测量的准确度的同时，降低车流量检测装置10的安装成本。

以上仅是本实用新型优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的技术方案应同样视为落入本申请要求保护的范围。