天然氣壓縮機組控制系統程序設計

何青海　馬　云

（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程序設計

何青海馬云

（吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密 839009）

摘 要：介紹了F3524GSI/2RDS-1天然氣壓縮機組的控制系統，闡述了機組程序設計的思想，設計了壓縮機組控制程序，對編寫其他壓縮機組程序具有重要指導意義。

關鍵詞：天然氣壓縮機組；F3524GSI/2RDS-1；控制系統；程序設計；設計思想

F3524GSI/2RDS-1天然氣壓縮機組是油田公司自動化程度最高的機組，其機組控制系統采用以PLC為控制器的控制系統，研究其編程技術對機組快速故障診斷及其他機組編程具有重要指導意義。

一、控制系統介紹

1.PLC控制系統

機組就地控制系統位于機組主撬壓縮機端，是以羅克韋爾Compactlogix系列PLC為核心的下位機控制系統，其控制結構如圖1所示。PLC將采集的控制柜面板數據、機組油溫、油壓、振動、缸溫等模擬量信號、液位等數字量信號進行邏輯運算、順序控制、狀態檢測、定時檢測并通過數字模擬輸出端口控制機組的啟停機過程、轉速、進排氣閥開度、故障報警等。NVI69-EMBS通訊模塊是將CompactlogixPLC內部通訊轉化為modbus通訊協議的網關，該通訊模塊共有兩個端口，端口1作為主站接受來自發動機ESM的信息，端口2作為從站將機組運行參數發送給上位機DCS系統。PLC與HMI通訊使用高速、抗振動、防粉塵的工業以太網通訊進行數據交互。HMI選用PanelviewPlus1000人機界面，用于機組運行參數顯示、手動測試、報警停機提示。

圖1　控制系統結構圖

2.ESM控制系統

ESM（Engine System Manager）是瓦克夏F3524 GSI發動機的一個獨立控制系統，包括發動機啟停機控制、點火控制、轉速控制、爆振控制、故障診斷、故障記錄存儲和發動機停機保護、空燃比控制以及通信設置等。ESM通過通訊模塊采集的數據有：最近5次報警停機代碼、發動機采集的轉速、各缸點火提前角等信息，通訊數據在PLC中經過程序處理并通過太網顯示在就地柜HMI上。

二、控制系統編程思想

1.面向對象的程序方法

程序開發過程中，將壓縮機組的模擬量信號、數字量信號、機組運行狀態、ESM數據、DCS數據作為獨立實體的對象，并將邏輯方法封裝于塊中，塊的封裝只提供輸入輸出接口，例如油溫、缸溫和壓力等模擬量信號的對象封裝，通過rslogix5000軟件的add-on指令添加模擬信號處理對象，并將邏輯處理封裝，封裝的入口包括采集的工程量、低報觸發選擇、高報觸發選擇、低報延時繼電器輸入、高報延時繼電器輸入、恢復量程位輸入、恢復工藝報警位輸入等，封裝的輸出為模擬信號的實際值。

2.狀態周期的設計方法

PLC狀態周期的設計方法是指當執行某項操作時，該項操作的狀態位被置一，直到機組的狀態發生改變。此種方法能清新的表明壓縮機組所處的狀態。例如從壓縮機組的啟停機過程中包含了預潤滑標志位、進排氣閥故障檢測位、壓縮機油壓到檢測位、啟機位、首發故障檢測位，機組停機位等信號。其中潤滑標志位是所有位的邏輯與基礎。當發動機檢測到機組停機信號后，預潤滑標志位復位，預潤滑標志位解鎖其他狀態位。

3.模塊化編程的設計方法

模塊化編程方法是根據控制要求把編程需要完成的控制任務劃分為幾個較小功能塊，然后對每個功能塊分別進行編程。rslogix5000軟件可以通過JSR和SBR指令實現子程序的調用和返回。這種編程設計方法使各程序模塊之間相對獨立、功能單一，其具有清晰的結構，大大降低了難度，避免了重復勞動，同時獲得了較高的程序質量。

三、程序設計

1.啟機程序設計

啟機預潤滑時間通過瓦克夏ESP軟件設置為180s，當機組進入啟機階段時，首先程序檢查機組的故障信號、控制柜機旁遠程按鈕的位置、加減載按鈕的位置等狀態，當按鈕位置位于機旁、減載位置時允許啟機，其次程序控制啟動預潤滑泵、開啟進排氣閥和發送ESM兩秒的發動機啟機脈沖信號，當預潤滑時間為30s時，通過閥的開閉信號判斷進排氣閥是否存在故障，90s時檢查壓縮機油壓是否達到設定值，若達不到則發送ESM停機位低電平命令機組不開機，在240s后檢測發動機是否處于運行狀態，若不是則啟動失敗（圖2）。

圖2　啟機程序結構圖

啟機階段定義了預潤滑標志位，該位由啟動按鈕信號置位并自鎖，由停機脈沖、啟機失敗位、ESD信號、報警信號解鎖。該位從預潤滑到機組停機一直為高位信號。進排氣閥各有一對邏輯反信號，當兩個信號狀態一致時說明進排氣閥出現故障。啟機階段開始時發動機壓縮機進入180s的預潤滑階段，180s時間到后ESM控制啟動馬達和打開燃氣閥發動機進入ESM控制下的啟機過程。

2.加減載程序設計

控制柜面板上加減載按鈕為減載位置時，控制系統采集的加減載狀態為低電平，當按鈕為加載位置時為高電平，加載必須在暖機的情況下加載，加載過程分為三步。

第一步，加載運行位置位。加載運行位滿足以下條件時該位置位：機組處于運行狀態、無停機信號、進排氣閥打開、加減載按鈕為加載位置、轉速大于加載設定轉速、夾套水溫大于最低設置加載水溫、壓縮機油溫大于設定油溫。其中前3項為程序判斷，后3項為人機界面設定參數。

第二步，加載信號位置位。加載信號位為程序控制回流閥的觸發位，當程序判斷加載運行位置位并且無遠程控制信號和停機信號時該位置位。置位后并自鎖。

第三步，控制回流閥。回流閥為常開閥，控制信號為4～20ma標準信號。數據格式為工程量數據。當有ESD信號時，或者回流閥程序控制變量小于4000時，回流閥程序控制變量為4000，當回流閥程序控制變量大于20000時，回流閥程序控制變量為20000。當加載信號位置位時，每一秒中給回流閥程序控制變量加設定的回流閥增加量，當加載信號位復位時，回流閥程序控制變量每一秒減去設定的回流閥增加量。回流閥開度可根據工程量數據與回流閥程序控制變量的關系求得。

3.停機程序設計

機組停機分為3種情況：ESD停機、機組運轉過程中的停機，預潤滑下的停機。其中ESD停機、預潤滑下的停機直接使機組停機，而機組運轉過程中的停機需后潤滑。ESM停機信號收到PLC短暫的低電平后會立刻執行停機指令。

機組運轉過程中的停機是指機組轉速大于600r/ min的停機，當按下停機按鈕后，正常停機信號置位，此時240s的停機，定時器計時并產生一秒脈沖信號降轉速，當機組處于加載情況下時，正常停機信號解鎖加載信號，機組進入減載模式，減載模式下回流閥控制輸出值每秒減少320，直至4000。若240s內機組停機（轉速小于40r/min）則進入后潤滑階段，若240s內機組處于運轉階段，則正常停機脈沖置位，而正常停機脈沖可輸出ESM停機信號，發動機停機。停機邏輯如圖3所示。

圖3　停機程序結構圖

4.模擬信號處理程序設計

機組模擬量信號包括壓縮機軸向徑向振動、壓縮機油壓油溫、進氣排氣溫度壓力、發動機軸向徑向振動、發動機缸溫、發動機油溫油壓等信號，這些信號都有報警停機輸出，報警信號分為高報低報，停機信號分為低停高停，若將每種模擬信號單獨編程編程勞動強度大，程序邏輯差。通過抽象的方法，將模擬量信號對象化，將重復的邏輯功能封裝到函數塊中，塊只提供共性的輸入輸出接口。輸入接口數據可設置為信號工程采集量、高低報警觸發、高低停機觸發、復位觸發位、故障鎖存位、高報報警延時定時器、高高報報警延時定時器、低報報警延時定時器、低低報報警延時定時器。輸出接口數據設置為實際值。

函數首先將信號工程采集量轉換為實際值，根據高低報警觸發位的狀態判斷該信號是高報還是低報，同理根據高低停機觸發的狀態判斷該信號是高停還是低停，并根據輸入的定時器對報警停機信號延時。復位觸發位復位傳感器量程和工藝參數出廠值。

5.試驗模式程序設計

試驗模式是在機組運行階段將故障信號屏蔽以測試或者修復傳感器故障/工作狀態的程序故障診斷模式。試驗模式時間設定為300s，快速雙擊復位按鈕可對試驗模式復位。首發故障停機位解鎖機組停機信號，當啟動試驗模式時，試驗模式存在信號置位，并自鎖首發故障停機位。試驗模式結構如圖4所示。在300s時間內，維修人員可對故障傳感器進行故障診斷或測試。

圖4　試驗模式程序結構圖

6.硬件檢測程序設計

雖然PLC故障燈能發現故障，但不能確定哪個模塊出現故障，PLC程序通過系統調用程序獲取PLC各個模塊的工作狀態并通過組態顯示在HMI上，方便維護人員查看硬件情況。

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收稿日期：（2016-01-11）

中圖分類號：TP271

文獻標識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）02-0045-03