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        天然氣壓縮機(jī)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(jī)械廠新疆哈密839009
        中國設(shè)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(jī)械廠,新疆 哈密 839009)

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        天然氣壓縮機(jī)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(jī)械廠,新疆 哈密 839009)

        摘 要:設(shè)計了F3524GSI/2RDS-1天然氣壓縮機(jī)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(jī)組運行情況。

        關(guān)鍵詞:天然氣壓縮機(jī)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(jī)組是天然氣處理的核心設(shè)備,近年來,1#壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)故障明顯增多,嚴(yán)重影響著壓縮機(jī)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(yán)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(yīng),為保證機(jī)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(shè)計

        1.設(shè)計要求

        機(jī)組就地控制系統(tǒng)(Unit Control System,簡稱UCS)控制柜位于主撬壓縮機(jī)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(yīng)緊湊,體積應(yīng)更小。由于控制器和人機(jī)界面已停產(chǎn),必須將原有設(shè)備更換為市場普及率高、性能先進(jìn)、可靠性好的控制系統(tǒng)。按照用戶要求UCS應(yīng)具備電源保護(hù)和DCS通信保護(hù)功能,同時系統(tǒng)能夠顯示發(fā)動機(jī)ESM故障及發(fā)動機(jī)運行參數(shù)信息。

        2.總體改造設(shè)計

        為了提高UCS的安全性、可靠性以及易維護(hù)性,同時盡量不改變接線端子、繼電器、布線槽的布局,最終設(shè)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(jī)架安裝,只需DIN 35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)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(jī)。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(yuǎn)程調(diào)試系統(tǒng)程序。人機(jī)界面軟件使用的Factorytalk view ,該軟件可對HMI進(jìn)行界面設(shè)計。

        圖1 改造后系統(tǒng)框架圖

        3.電源保護(hù)設(shè)計

        控制系統(tǒng)PLC、輸入輸出模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)、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(shè)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(jī)、通信模塊的電源。

        4.硬件保護(hù)設(shè)計

        壓縮機(jī)潤滑油位信號、發(fā)動機(jī)潤滑油位信號、冷卻器振動信號、進(jìn)氣洗滌罐信號、進(jìn)氣閥開信號、進(jìn)氣閥關(guān)信號、排氣閥開信號、排氣閥關(guān)信號、正壓通風(fēng)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(shè)計

        發(fā)動機(jī)控制器(ESM)是瓦克夏L7042GSI 發(fā)動機(jī)的一個獨立控制系統(tǒng),包括機(jī)組啟停控制、點火控制、轉(zhuǎn)速控制、爆振控制、空燃比控制以及程序的設(shè)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(jī)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(jī)控制單元ECU,由ECU實時監(jiān)控發(fā)動機(jī)的各種參數(shù),并通過分散信號輸入和控制發(fā)動機(jī)來優(yōu)化發(fā)動機(jī)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(hù)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(hù)人員了解發(fā)動機(jī)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(dá)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(jìn)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(jī)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(shè)計及優(yōu)化

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

        1.預(yù)潤滑程序優(yōu)化

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

        2.加載程序優(yōu)化

        冷機(jī)加載會造成燃燒遲緩、機(jī)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(jī)體和零件的侵蝕作用,為防止操作工在冷機(jī)下加載,優(yōu)化了加載程序,程序如圖2所示。在機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速、夾套水溫和壓縮機(jī)油溫,當(dāng)轉(zhuǎn)速大于800r/min、夾套水溫大于40℃且壓縮機(jī)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(jī)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(jī)信息的功能碼,功能代碼03是獲取發(fā)動機(jī)運行參數(shù)的功能碼,ESM的部分發(fā)動機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。需要設(shè)置以下參數(shù):

        (1)組態(tài)設(shè)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(jī)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(jī)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(jī)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(xué)運算,求得發(fā)動機(jī)的運行參數(shù)。

        4.三保周期計算程序

        PLC 程序中設(shè)計了1個1h的計時器,當(dāng)機(jī)組處于運行階段時,通過上升沿給三保周期寄存器加1,復(fù)位程序可使三保周期寄存器復(fù)位,三保時間的顯示與復(fù)位通過程序標(biāo)簽的一一對應(yīng)顯示在HMI上。

        三、系統(tǒng)調(diào)試方法

        1.通斷測試法

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

        2.試驗?zāi)J綔y試法

        通過PLC在線模式,按下試驗?zāi)J桨粹o,對控制柜啟動按鈕、停機(jī)按鈕、機(jī)旁遠(yuǎn)程按鈕、加載減載按鈕、ESD停機(jī)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(shè)的很低,或者將低報、低低報設(shè)置的很高,通過這種方法測試模擬量信號的連鎖停機(jī)或者報警能力。

        4.手動測試法

        手動測試法的目的是測試進(jìn)排氣閥、加載閥、壓縮機(jī)油泵、冷卻風(fēng)扇是否工作正常,在人機(jī)界面上開發(fā)了停機(jī)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(yuǎn)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(jī)組數(shù)據(jù),將PC機(jī)上Modtest軟件設(shè)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(shè)計要求,大大降低了巡檢力度,該機(jī)組的改造成功為其他機(jī)組控制系統(tǒng)升級提供了寶貴的經(jīng)驗。

        參考文獻(xiàn):

        [1]楊小平,張濤,王建鑫,范衛(wèi)民.F3524GSI發(fā)動機(jī)應(yīng)用溫米油田干氣的適應(yīng)性分析及調(diào)試對策[J].中國新技術(shù)產(chǎn)品.2009:111-112.

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        [4]張崇明.瓦克夏發(fā)動機(jī)控制器ESM信號遠(yuǎn)傳改造[J].冶金設(shè)備,2007.43(21):106-109

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        [7]耿延兵.Modbus網(wǎng)絡(luò)在選煤廠膠帶輸送機(jī)保護(hù)中的應(yīng)用[J].煤炭加工與綜合運用,2011.4:30-32.

        中圖分類號:TP271

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

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

        收稿日期:(2016-01-11)

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