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。

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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）