天然氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)升級(jí)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）

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天然氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)升級(jí)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(jì)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(yùn)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(lái)，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(yùn)行。主要問(wèn)題有：控制程序易丟失且加密，每次故障后只能聘請(qǐng)廠家技術(shù)人員維修，維修周期長(zhǎng)，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(zhǎng)久可靠地運(yùn)行，有必要對(duì)控制系統(tǒng)升級(jí)改造。

一、改造方案設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)要求

機(jī)組就地控制系統(tǒng)（Unit Control System，簡(jiǎn)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(chǎng)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(shí)系統(tǒng)能夠顯示發(fā)動(dòng)機(jī)ESM故障及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)信息。

2.總體改造設(shè)計(jì)

為了提高UCS的安全性、可靠性以及易維護(hù)性，同時(shí)盡量不改變接線端子、繼電器、布線槽的布局，最終設(shè)計(jì)方案是將原有羅克韋爾SLC5/04 系列PLC 和Panelview 1000 HMI 升級(jí)為羅克韋爾Compactlogix 系列PLC和Panelview Plus1000 HMI。更換的控制系統(tǒng)硬件對(duì)比如表1所示。Compactlogix 系列PLC是羅克韋爾自動(dòng)化公司于2012年推出的中型PLC系統(tǒng)，其具有較強(qiáng)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(lái)說(shuō)，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(wú)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(xiǎn)。

表1　舊系統(tǒng)與新系統(tǒng)硬件對(duì)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(qiáng)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(duì)HMI進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。

圖1　改造后系統(tǒng)框架圖

3.電源保護(hù)設(shè)計(jì)

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(jì)為：220V的交流電源經(jīng)斷路器接入兩個(gè)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(mén)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(jì)

壓縮機(jī)潤(rùn)滑油位信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油位信號(hào)、冷卻器振動(dòng)信號(hào)、進(jìn)氣洗滌罐信號(hào)、進(jìn)氣閥開(kāi)信號(hào)、進(jìn)氣閥關(guān)信號(hào)、排氣閥開(kāi)信號(hào)、排氣閥關(guān)信號(hào)、正壓通風(fēng)信號(hào)都為現(xiàn)場(chǎng)采集的無(wú)源接點(diǎn)數(shù)字量信號(hào)，為了防止現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（ESM）是瓦克夏L7042GSI 發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)獨(dú)立控制系統(tǒng)，包括機(jī)組啟停控制、點(diǎn)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(dòng)機(jī)參數(shù)，傳感器將采集的各種信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU，由ECU實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)，并通過(guò)分散信號(hào)輸入和控制發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。舊系統(tǒng)的ESM數(shù)據(jù)只能通過(guò)PC通過(guò)ESP軟件連接ESM讀取，這給現(xiàn)場(chǎng)巡檢維護(hù)人員帶來(lái)了諸多不便，改造后的系統(tǒng)通過(guò)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(dòng)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(chǔ)在內(nèi)部自定義的虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)里，地址從0到4999。Port1端口作為主站使用時(shí)，通信模塊功能非常強(qiáng)大，內(nèi)部多達(dá)100條命令列表，每條命令均可以對(duì)功能碼、數(shù)據(jù)庫(kù)地址、從站地址和要求訪問(wèn)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(bào)文。為獲得ESM的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，需對(duì)端口配置以便獲取ESM 4和3功能碼開(kāi)頭的寄存器數(shù)據(jù)。

二、程序設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)組控制程序進(jìn)行了升級(jí)改造優(yōu)化。

1.預(yù)潤(rùn)滑程序優(yōu)化

當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)潤(rùn)滑階段，此時(shí)PLC會(huì)發(fā)送給ESM 2s的啟機(jī)脈沖、啟動(dòng)壓縮機(jī)預(yù)潤(rùn)滑泵信號(hào)和開(kāi)啟進(jìn)排氣閥信號(hào)，預(yù)潤(rùn)滑時(shí)間配置為180s，若壓縮機(jī)組在這一階段潤(rùn)滑不良或者泵損壞，低壓?jiǎn)?dòng)壓縮機(jī)很可能造成拉瓦燒瓦現(xiàn)象，為保護(hù)機(jī)組運(yùn)動(dòng)部件及延長(zhǎng)機(jī)組壽命，設(shè)計(jì)了預(yù)潤(rùn)滑油壓檢測(cè)及連鎖停機(jī)程序，即在預(yù)潤(rùn)滑90s的時(shí)間檢測(cè)壓縮機(jī)油壓，當(dāng)檢測(cè)的油壓低于設(shè)定值時(shí)，PLC的ESM停機(jī)端子會(huì)輸出低電平，此時(shí)ESM停機(jī)位拉低，機(jī)組會(huì)立刻停機(jī)，并在HMI顯示預(yù)潤(rùn)滑壓力低報(bào)警停機(jī)提示。

2.加載程序優(yōu)化

冷機(jī)加載會(huì)造成燃燒遲緩、機(jī)組功率下降，生成的水蒸汽會(huì)與酸性物質(zhì)形成酸類，酸類可加劇對(duì)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(yùn)行階段將加減載開(kāi)關(guān)撥到加載位置時(shí)，程序自動(dòng)檢測(cè)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(kāi)狀態(tài)。

3.ESM數(shù)據(jù)顯示程序

發(fā)動(dòng)機(jī)ESM接線端子留有兩根485的Modbus通信線，通過(guò)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(bào)警停機(jī)信息的功能碼，功能代碼03是獲取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的功能碼，ESM的部分發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(guò)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(chǔ)區(qū)的起始地址及數(shù)量、發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yǔ)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(yàn)位、停止位、波特率、協(xié)議類型等。部分編程語(yǔ)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(xiě)數(shù)據(jù)的起始地址、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度等。獲取表2所示的功能碼04的參數(shù)具體編程語(yǔ)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(guò)端口命令可將獲取ESM的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)工程量送入Readdata數(shù)組中，再通過(guò)表2的轉(zhuǎn)換關(guān)系數(shù)學(xué)運(yùn)算，求得發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。

4.三保周期計(jì)算程序

PLC 程序中設(shè)計(jì)了1個(gè)1h的計(jì)時(shí)器，當(dāng)機(jī)組處于運(yùn)行階段時(shí)，通過(guò)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(shí)間的顯示與復(fù)位通過(guò)程序標(biāo)簽的一一對(duì)應(yīng)顯示在HMI上。

三、系統(tǒng)調(diào)試方法

1.通斷測(cè)試法

在停機(jī)狀態(tài)下使用通斷法，對(duì)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油位、冷卻器振動(dòng)、進(jìn)氣洗滌罐液位、夾套水位、中冷水位、發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油位、機(jī)旁ESD、壓縮機(jī)無(wú)油流、進(jìn)氣閥進(jìn)行故障停機(jī)報(bào)警測(cè)試。

2.試驗(yàn)?zāi)Ｊ綔y(cè)試法

通過(guò)PLC在線模式，按下試驗(yàn)?zāi)Ｊ桨粹o，對(duì)控制柜啟動(dòng)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(cè)試，測(cè)試可通過(guò)梯形圖觀察程序的邏輯是否正確。

3.極值測(cè)試法

極值測(cè)試法針對(duì)油壓油溫等模擬量信號(hào)的測(cè)試方法。具體步驟是將高報(bào)或者高高報(bào)值設(shè)的很低，或者將低報(bào)、低低報(bào)設(shè)置的很高，通過(guò)這種方法測(cè)試模擬量信號(hào)的連鎖停機(jī)或者報(bào)警能力。

4.手動(dòng)測(cè)試法

手動(dòng)測(cè)試法的目的是測(cè)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(kāi)發(fā)了停機(jī)手動(dòng)測(cè)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(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與測(cè)試位的子程序，通過(guò)HMI關(guān)聯(lián)的測(cè)試位測(cè)試執(zhí)行器是否工作。

圖3　手動(dòng)測(cè)試界面

5.通信測(cè)試法

為驗(yàn)證通信配置程序是否正確，可使用Modtest軟件測(cè)試PLC讀取ESM的程序是否正確，同時(shí)這種方法還能ESM到UCS的線路是否通暢。對(duì)于DCS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，由于調(diào)試程序過(guò)程中無(wú)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(yǔ)

改造后的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。滿足了設(shè)計(jì)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(jí)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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中圖分類號(hào)：TP271

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-0711（2016）03-0058-04

收稿日期：（2016-01-11）