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        天然氣壓縮機組控制系統(tǒng)升級改造

        2016-06-18 03:06:35何青海劉福剛吐哈油田公司機械廠新疆哈密839009
        中國設備工程 2016年3期
        關(guān)鍵詞:可編程邏輯控制器

        何青海 馬 云 劉福剛(吐哈油田公司機械廠,新疆 哈密 839009)

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        天然氣壓縮機組控制系統(tǒng)升級改造

        何青海 馬 云 劉福剛
        (吐哈油田公司機械廠,新疆 哈密 839009)

        摘 要:設計了F3524GSI/2RDS-1天然氣壓縮機組控制系統(tǒng)改造方案,優(yōu)化了控制程序,總結(jié)了PLC控制系統(tǒng)調(diào)試方法。調(diào)試結(jié)果表明,改造后的控制系統(tǒng)可以有效監(jiān)控機組運行情況。

        關(guān)鍵詞:天然氣壓縮機組;控制系統(tǒng)改造;可編程邏輯控制器;調(diào)試方法

        丘東采氣工區(qū)F3524GSI/2RDS-1型增壓壓縮機組是天然氣處理的核心設備,近年來,1#壓縮機組控制系統(tǒng)故障明顯增多,嚴重影響著壓縮機組的安全平穩(wěn)運行。主要問題有:控制程序易丟失且加密,每次故障后只能聘請廠家技術(shù)人員維修,維修周期長,嚴重影響天然氣采收;羅克韋爾SLC500系列PLC已停產(chǎn),配件難以供應,為保證機組控制系統(tǒng)能長久可靠地運行,有必要對控制系統(tǒng)升級改造。

        一、改造方案設計

        1.設計要求

        機組就地控制系統(tǒng)(Unit Control System,簡稱UCS)控制柜位于主撬壓縮機端,柜內(nèi)接線端子、電源、布線槽、繼電器全部占用控制柜空間,更換的控制器和HMI結(jié)構(gòu)應緊湊,體積應更小。由于控制器和人機界面已停產(chǎn),必須將原有設備更換為市場普及率高、性能先進、可靠性好的控制系統(tǒng)。按照用戶要求UCS應具備電源保護和DCS通信保護功能,同時系統(tǒng)能夠顯示發(fā)動機ESM故障及發(fā)動機運行參數(shù)信息。

        2.總體改造設計

        為了提高UCS的安全性、可靠性以及易維護性,同時盡量不改變接線端子、繼電器、布線槽的布局,最終設計方案是將原有羅克韋爾SLC5/04 系列PLC 和Panelview 1000 HMI 升級為羅克韋爾Compactlogix 系列PLC和Panelview Plus1000 HMI。更換的控制系統(tǒng)硬件對比如表1所示。Compactlogix 系列PLC是羅克韋爾自動化公司于2012年推出的中型PLC系統(tǒng),其具有較強的功能力和豐富的通信接口功能,適合中小規(guī)模的控制系統(tǒng)解決方案,相比SLC5/04 系列PLC來說,結(jié)構(gòu)更加緊湊,占用空間更省,約占SLC5/04 系列空間的60%,且Compactlogix 系列無需背板通信和機架安裝,只需DIN 35mm標準導軌安裝。節(jié)省的空間可安裝數(shù)字量供電電源及保險。

        表1 舊系統(tǒng)與新系統(tǒng)硬件對比

        舊系統(tǒng)PLC與HMI通信采用DH485通信,而改造后的系統(tǒng)使用了通信速度更快的以太網(wǎng)通信,為此改造后的系統(tǒng)增加了以太網(wǎng)交換機。為了增強系統(tǒng)與DCS通信的穩(wěn)定性及抗干擾性,使用了MOX公司的TCC-120I光電隔離型通信系統(tǒng)。改造后的系統(tǒng)框架如圖1所示。PLC編程軟件為RSlogix5000 V20軟件,該軟件可以在線和遠程調(diào)試系統(tǒng)程序。人機界面軟件使用的Factorytalk view ,該軟件可對HMI進行界面設計。

        圖1 改造后系統(tǒng)框架圖

        3.電源保護設計

        控制系統(tǒng)PLC、輸入輸出模塊、以太網(wǎng)交換機、通信模塊等模塊使用的是24V電源。改造后的UCS電源系統(tǒng)設計為:220V的交流電源經(jīng)斷路器接入兩個220VAC/24VDC電源轉(zhuǎn)換模塊和1769-P4模塊,電源柜為PLC數(shù)字量輸入輸出模塊的供電電源,西門子333-2AA01電源模塊為觸摸屏、交換機、通信模塊的電源。

        4.硬件保護設計

        壓縮機潤滑油位信號、發(fā)動機潤滑油位信號、冷卻器振動信號、進氣洗滌罐信號、進氣閥開信號、進氣閥關(guān)信號、排氣閥開信號、排氣閥關(guān)信號、正壓通風信號都為現(xiàn)場采集的無源接點數(shù)字量信號,為了防止現(xiàn)場產(chǎn)生的干擾引起PLC的非正常工作或者元器件損壞,這些信號采用漏型拉電流輸入方式,即輸入端接地,輸出端接PLC輸入端,PLC輸入模塊Com端接24V電源。

        5.通信系統(tǒng)設計

        發(fā)動機控制器(ESM)是瓦克夏L7042GSI 發(fā)動機的一個獨立控制系統(tǒng),包括機組啟??刂?、點火控制、轉(zhuǎn)速控制、爆振控制、空燃比控制以及程序的設置和通信等,出現(xiàn)故障后的維修難度非常大。為了使ESM能更好地分析發(fā)動機參數(shù),傳感器將采集的各種信號傳送至控制系統(tǒng)的發(fā)動機控制單元ECU,由ECU實時監(jiān)控發(fā)動機的各種參數(shù),并通過分散信號輸入和控制發(fā)動機來優(yōu)化發(fā)動機的性能。舊系統(tǒng)的ESM數(shù)據(jù)只能通過PC通過ESP軟件連接ESM讀取,這給現(xiàn)場巡檢維護人員帶來了諸多不便,改造后的系統(tǒng)通過NVI69-EMBS模塊將ESM的信息經(jīng)PLC處理顯示在HMI上,這樣就方便了巡檢及維護人員了解發(fā)動機信息。

        NVI69-EMBS模塊是Prosoft公司為CompactLogix系列PLC提供的的Modbus通信卡,該模塊所有的數(shù)據(jù)均存儲在內(nèi)部自定義的虛擬數(shù)據(jù)庫里,地址從0到4999。Port1端口作為主站使用時,通信模塊功能非常強大,內(nèi)部多達100條命令列表,每條命令均可以對功能碼、數(shù)據(jù)庫地址、從站地址和要求訪問的字節(jié)數(shù)進行配置,以形成Modbus協(xié)議所需要的命令報文。為獲得ESM的發(fā)動機數(shù)據(jù),需對端口配置以便獲取ESM 4和3功能碼開頭的寄存器數(shù)據(jù)。

        二、程序設計及優(yōu)化

        為了提高程序保護機組的能力,使用Rslogix5000軟件和FTV軟件對機組控制程序進行了升級改造優(yōu)化。

        1.預潤滑程序優(yōu)化

        當按下啟動按鈕后,機組控制系統(tǒng)進入預潤滑階段,此時PLC會發(fā)送給ESM 2s的啟機脈沖、啟動壓縮機預潤滑泵信號和開啟進排氣閥信號,預潤滑時間配置為180s,若壓縮機組在這一階段潤滑不良或者泵損壞,低壓啟動壓縮機很可能造成拉瓦燒瓦現(xiàn)象,為保護機組運動部件及延長機組壽命,設計了預潤滑油壓檢測及連鎖停機程序,即在預潤滑90s的時間檢測壓縮機油壓,當檢測的油壓低于設定值時,PLC的ESM停機端子會輸出低電平,此時ESM停機位拉低,機組會立刻停機,并在HMI顯示預潤滑壓力低報警停機提示。

        2.加載程序優(yōu)化

        冷機加載會造成燃燒遲緩、機組功率下降,生成的水蒸汽會與酸性物質(zhì)形成酸類,酸類可加劇對機體和零件的侵蝕作用,為防止操作工在冷機下加載,優(yōu)化了加載程序,程序如圖2所示。在機組運行階段將加減載開關(guān)撥到加載位置時,程序自動檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)速、夾套水溫和壓縮機油溫,當轉(zhuǎn)速大于800r/min、夾套水溫大于40℃且壓縮機油溫大于25℃,程序啟動回流閥關(guān)閉程序,滿足不了以上條件回流閥將一直處于打開狀態(tài)。

        3.ESM數(shù)據(jù)顯示程序

        發(fā)動機ESM接線端子留有兩根485的Modbus通信線,通過485/Rj45連接至NVI69-EBMS模塊1端口,ESM支持的MODBUS功能編碼為01至04編碼。其中功能代碼04是獲取ESM報警停機信息的功能碼,功能代碼03是獲取發(fā)動機運行參數(shù)的功能碼,ESM的部分發(fā)動機運行參數(shù)如表2所示。

        表2 ESM的部分Modbus地址表

        圖2 加載程序圖

        NVI69-EMBS是PLC獲取ESM的Modbus網(wǎng)關(guān)。PLC 與EMBS 模塊間通過模塊輸入、輸出映像文件進行數(shù)據(jù)傳送。需要設置以下參數(shù):

        (1)組態(tài)設置。需要配置的參數(shù)為接收數(shù)據(jù)存儲區(qū)的起始地址及數(shù)量、發(fā)送數(shù)據(jù)存儲區(qū)的起始地址及數(shù)量、輸出數(shù)據(jù)是否需要初始化。部分編程語言如下:

        Read Register Start : 600

        Read Register Count : 200

        Write Register Start : 0

        Write Register Count : 100

        Backplane Fail Count : 11

        Error Block Pointer : 3000

        Initialize Input Image : No

        Block Transfer Size : 60

        Slot Number : 9

        (2)端口配置。主要配置參數(shù)選擇主機工作模式、奇偶校驗位、停止位、波特率、協(xié)議類型等。部分編程語言如下:

        Start Active : Yes

        Type : Master

        Protocol : RTU

        Baud Rate : 19200

        Parity : None

        Data Bits : 8

        Stop Bits : 1

        Use CTS Line : No

        Response Timeout : 1000

        Retry Count : 3

        Command Error Offset : 2000

        (3)端口命令。端口命令主要完成從機的站地址、指令的功能編碼、要讀寫數(shù)據(jù)的起始地址、讀寫數(shù)據(jù)的長度等。獲取表2所示的功能碼04的參數(shù)具體編程語言如下:

        Enable :1

        Internal Address :700

        Poll Interval :1

        Register Count :100

        Swap Code :0

        Node Address :11

        ModBus Function :4

        Address in Device :0

        通過端口命令可將獲取ESM的發(fā)動機參數(shù)工程量送入Readdata數(shù)組中,再通過表2的轉(zhuǎn)換關(guān)系數(shù)學運算,求得發(fā)動機的運行參數(shù)。

        4.三保周期計算程序

        PLC 程序中設計了1個1h的計時器,當機組處于運行階段時,通過上升沿給三保周期寄存器加1,復位程序可使三保周期寄存器復位,三保時間的顯示與復位通過程序標簽的一一對應顯示在HMI上。

        三、系統(tǒng)調(diào)試方法

        1.通斷測試法

        在停機狀態(tài)下使用通斷法,對壓縮機潤滑油位、冷卻器振動、進氣洗滌罐液位、夾套水位、中冷水位、發(fā)動機潤滑油位、機旁ESD、壓縮機無油流、進氣閥進行故障停機報警測試。

        2.試驗模式測試法

        通過PLC在線模式,按下試驗模式按鈕,對控制柜啟動按鈕、停機按鈕、機旁遠程按鈕、加載減載按鈕、ESD停機按鈕測試,測試可通過梯形圖觀察程序的邏輯是否正確。

        3.極值測試法

        極值測試法針對油壓油溫等模擬量信號的測試方法。具體步驟是將高報或者高高報值設的很低,或者將低報、低低報設置的很高,通過這種方法測試模擬量信號的連鎖停機或者報警能力。

        4.手動測試法

        手動測試法的目的是測試進排氣閥、加載閥、壓縮機油泵、冷卻風扇是否工作正常,在人機界面上開發(fā)了停機手動測試部件界面,如圖3所示,在PLC程序中,在控制執(zhí)行部件的支路上并聯(lián)了非運轉(zhuǎn)狀態(tài)與測試位的子程序,通過HMI關(guān)聯(lián)的測試位測試執(zhí)行器是否工作。

        圖3 手動測試界面

        5.通信測試法

        為驗證通信配置程序是否正確,可使用Modtest軟件測試PLC讀取ESM的程序是否正確,同時這種方法還能ESM到UCS的線路是否通暢。對于DCS數(shù)據(jù)遠傳,由于調(diào)試程序過程中無法知道中控室是否接受到NVI69-EMBS發(fā)出的壓縮機組數(shù)據(jù),將PC機上Modtest軟件設置為主站讀取端口2的信息。

        四、結(jié)語

        改造后的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。滿足了設計要求,大大降低了巡檢力度,該機組的改造成功為其他機組控制系統(tǒng)升級提供了寶貴的經(jīng)驗。

        參考文獻:

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        中圖分類號:TP271

        文獻標識碼:B

        文章編號:1671-0711(2016)03-0058-04

        收稿日期:(2016-01-11)

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