何青海 馬 云 郝崇志

（吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密 839009）

天然氣壓縮機組控制系統(tǒng)仿真技術研究及應用

何青海 馬 云 郝崇志

（吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密 839009）

通過半實物仿真技術建立了F3524GSI/ 2RDS-1天然氣壓縮機組PLC半實物仿真控制系統(tǒng)，并闡述了仿真系統(tǒng)的原理，同時開發(fā)了機組控制程序，總結了四種調(diào)試階段仿真方法，試驗仿真結果表明該系統(tǒng)可以真實地模擬現(xiàn)場機組運行情況。

仿真技術；F3524GSI/2RDS-1；天然氣壓縮機組；可編程邏輯控制器；控制系統(tǒng)；仿真方法

F3524GSI/2R DS-1天然氣壓縮機組控制系統(tǒng)屬于復雜控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測對象和物理量多、控制邏輯程序復雜，對于新設計的機組PLC控制系統(tǒng)來說，直接在現(xiàn)場進行PLC程序調(diào)試具有很大的風險性，程序的某個錯誤或者缺陷有可能導致壓縮機組昂貴機械系統(tǒng)的損壞甚至危及到油氣處理場所的人身安全。半實物仿真是工程領域內(nèi)一種應用較為廣泛的仿真技術，它更接近現(xiàn)場實際情況，能有效對壓縮機組控制邏輯進行有效實驗模擬仿真。PLC硬件系統(tǒng)可以在現(xiàn)場安裝前對新編制的PLC程序、人機界面程序和通訊程序進行仿真調(diào)試、程序優(yōu)化，壓縮機組控制系統(tǒng)半實物仿真系統(tǒng)具有調(diào)試效果好、使用方便、安全等優(yōu)點，有效規(guī)避了機組現(xiàn)場測試風險、縮短施工周期和降低了試機費用。

一、半實物仿真系統(tǒng)設計

1.半實物仿真原理

為了模擬現(xiàn)場環(huán)境，將上位機人機界面程序的控件作為現(xiàn)場壓縮機組模擬設備，其包含啟動按鈕、ESD停機、加減載按鈕等主令器的仿真，機組震動、各缸缸溫等傳感器的仿真，發(fā)動機轉速控制、回流閥等執(zhí)行器的仿真。使用modbus協(xié)議通訊軟件接收和發(fā)送通訊模塊數(shù)據(jù)來仿真瓦克夏ESM發(fā)送的發(fā)動機數(shù)據(jù)、DCS系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)。

2.仿真系統(tǒng)構成

控制系統(tǒng)下位機選用美國羅克韋爾公司的中型Compactlogix系列PLC，prosoft公司的NVI69-EMBS模塊是MODBUS 網(wǎng)絡和PLC之間的一個網(wǎng)關。其作為虛擬ESM和DCS系統(tǒng)的通訊模塊，現(xiàn)場觸摸屏選用panel View Plus 1000人機界面，工業(yè)以太網(wǎng)作為半實物仿真網(wǎng)絡，仿真計算機使用R Slogix5000軟件對整個系統(tǒng)進行仿真測試。整個半實物控制系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 半實物控制系統(tǒng)框架圖

F3524GSI/2R DS-1壓縮機組現(xiàn)場采集的信號多而雜，所以PLC還包括兩個1769-IQ16模塊，其用于采集現(xiàn)場機組啟動、停機、ESD停機等數(shù)字量輸入信號，1769-OB16模塊用于發(fā)送預潤滑、啟機等數(shù)字量輸出信號，1769-OF4模塊控制發(fā)動機轉速控制和旁通閥，兩個1769-IF8和1769-IT6分別采集機組變送器和熱電偶模擬量輸入信號。發(fā)動機虛擬ESM發(fā)送的轉速、油壓等信號通過modbus協(xié)議傳送給NVI69-EMBS模塊，該模塊有兩個以太網(wǎng)接口，通過這兩個接口可與modbus設備進行數(shù)據(jù)交互，發(fā)動機的所有運行參數(shù)可通過modbus協(xié)議從ESM獲得，試驗中將端口一為主站，用于接收ESM的虛擬發(fā)動機信息，虛擬中控DCS需獲取機組運行參數(shù)，可設置端口2為從站。PLC將測試發(fā)動機運行參數(shù)通過NVI69-EMBS模塊發(fā)送至虛擬中控DCS系統(tǒng)。

二、軟件設計

1.控制器程序

C ompactlogix PLC系 列PLC程序開發(fā)使用的是R Slogix5000軟件，為提高編程效率，機組PLC程序采用模塊化編程思想，將機組控制器程序分為8個主子程序，程序結構如圖2所示。

對象是現(xiàn)實世界的實體或概念在計算機邏輯中的抽象表示。為提高編程效率，程序采用面向?qū)ο缶幊谭椒ǎ瑝嚎s機組對象包含溫度、液位、開關、震動等信號，經(jīng)過抽象，建立了機組運行狀態(tài)對象、模擬量采集對象、數(shù)字量采集等對象，通過采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，程序進一步簡化、邏輯層級更加清晰。

2.HMI程序

通過Factorytalk view 提供的圖像控件、功能控件、權限策略、報警設置、故障記錄、可方便的將壓縮機組運行參數(shù)和控制器件顯示在HMI上，HMI程序包含panelview plus1000現(xiàn)場調(diào)試程序和用于模擬壓縮機組主令器件和傳感器的上位機程序。

3.PCB程序

PCB程序是NVI69-EMBS模塊的modbus配置程序、需對port1和port2端口的跳線、使能、主從站設置、波特率、奇偶校驗、停止位、modbus 設備地址、數(shù)據(jù)交換地址、失敗位校驗等設置，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，NVI69-EMBS模塊的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)分別寄存在readdata[60]和writedata[80]寄存器整數(shù)數(shù)值中，PLC通過該數(shù)組獲取ESM信息和發(fā)送DCS機組運行的工程量參數(shù)。

三、仿真方法

1.虛擬輸入調(diào)試法

圖2 PLC控制程序結構圖

由于無法采集現(xiàn)場機組運行參數(shù)，可將代替輸入信號的中間繼電器做為數(shù)字量輸入信號。將代替輸入模擬信號的自定義整型函數(shù)作為輸入模擬量信號。具體做法是定義中間繼電器和整型數(shù)組，并且將其與輸入接口一一對應，上位機程序作為對外部設備的仿真實現(xiàn)。通過Factorytalk view軟件制作上位機可視化操作程序，將控制柜按鈕（其包含啟動、預潤滑、停機、加減載按鈕、ESD停機按鈕）、機組數(shù)字量信號（如無油流開關、液位控制器、空冷器震動信號）、模擬量信號（發(fā)動機震動、進排壓、缸溫信號）顯示到上位機程序中。通過改變上位機“虛擬機組”主令器、傳感器的狀態(tài)值驗證程序的正確性。

2.時序?qū)Ρ确?/p>

時序?qū)Ρ确抡娣ㄊ峭ㄟ^理論設計的時序與實物仿真對比來驗證程序邏輯正確性的一種仿真方法。PLC程序的狀態(tài)信號采用生存周期策略方法，邏輯時序圖能清晰的反映主令器件、傳感器的運行狀態(tài)，仿真前應繪制邏輯程序控制時序圖。對于程序中復雜的啟停機程序，時序如圖3所示，通過R slogix5000動態(tài)表格監(jiān)控與圖一所示的時序圖對比可驗證程序的正確性。

圖3 PLC啟停機時序圖

3.極端條件法

為驗證機組出現(xiàn)故障后，程序能否快模擬停機，使用了極端條件法來仿真程序?qū)收系姆磻瑢τ诂F(xiàn)場的油溫高、排壓高、油壓低等模擬量信號，可將上位機程序的輸入值調(diào)于停機值以外或者調(diào)高報警值，對于無油流、空冷器震動等數(shù)字量信號，使用上位機制造人為故障來驗證程序的正確性。

4.歸類仿真法

歸類仿真法是將相似信號打包測試的仿真方法，通過此方法可提高測試效率，壓縮機組控制系統(tǒng)的相似信號可歸為7類，其分別為控制柜輸入信號、中控室輸入信號、現(xiàn)場開關量輸入信號、現(xiàn)場數(shù)字量輸出信號、溫度壓力變送器信號、熱電偶信號、發(fā)動機ESM信號。根據(jù)相似原則測試程序的正確性和可靠性，對于復雜的邏輯，需設置模擬數(shù)字混合仿真。

四、仿真試驗

控制系統(tǒng)各模塊按照如圖1所示的框架連接后，分別向 PLC和 panel V iew plus 1000下載程序，按照上述所述的四種仿真方法，通過上位機建立的虛擬發(fā)動機和modtest 軟件建立的虛擬ESM和中控DC S可方便仿真壓縮機組運行情況，在仿真過程中，通過不斷改進程序，使得控制系統(tǒng)在零開機和零故障的情況下真實的模擬了現(xiàn)場機組控制系統(tǒng)的基本情況。

五、結語

仿真系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域，運用半實物仿真技術設計的壓縮機組控制系統(tǒng)不需現(xiàn)場硬件連接，使用方便安全，能真實地模擬機組現(xiàn)場環(huán)境，同時降低了系統(tǒng)調(diào)試的費用和安全風險,特別是對大中型PLC控制系統(tǒng)的調(diào)試仿真,極具參考價值。

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