天然氣壓縮機組控制系統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）

天然氣壓縮機組控制系統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，并闡述了仿真系統的原理，同時開發了機組控制程序，總結了四種調試階段仿真方法，試驗仿真結果表明該系統可以真實地模擬現場機組運行情況。

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；仿真方法

F3524GSI/2R DS-1天然氣壓縮機組控制系統屬于復雜控制系統，該系統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控制系統來說，直接在現場進行PLC程序調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一種應用較為廣泛的仿真技術，它更接近現場實際情況，能有效對壓縮機組控制邏輯進行有效實驗模擬仿真。PLC硬件系統可以在現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試、程序優化，壓縮機組控制系統半實物仿真系統具有調試效果好、使用方便、安全等優點，有效規避了機組現場測試風險、縮短施工周期和降低了試機費用。

一、半實物仿真系統設計

1.半實物仿真原理

為了模擬現場環境，將上位機人機界面程序的控件作為現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，發動機轉速控制、回流閥等執行器的仿真。使用modbus協議通訊軟件接收和發送通訊模塊數據來仿真瓦克夏ESM發送的發動機數據、DCS系統接收的數據。

2.仿真系統構成

控制系統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 網絡和PLC之間的一個網關。其作為虛擬ESM和DCS系統的通訊模塊，現場觸摸屏選用panel View Plus 1000人機界面，工業以太網作為半實物仿真網絡，仿真計算機使用R Slogix5000軟件對整個系統進行仿真測試。整個半實物控制系統框架如圖1所示。

圖1 半實物控制系統框架圖

F3524GSI/2R DS-1壓縮機組現場采集的信號多而雜，所以PLC還包括兩個1769-IQ16模塊，其用于采集現場機組啟動、停機、ESD停機等數字量輸入信號，1769-OB16模塊用于發送預潤滑、啟機等數字量輸出信號，1769-OF4模塊控制發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。發動機虛擬ESM發送的轉速、油壓等信號通過modbus協議傳送給NVI69-EMBS模塊，該模塊有兩個以太網接口，通過這兩個接口可與modbus設備進行數據交互，發動機的所有運行參數可通過modbus協議從ESM獲得，試驗中將端口一為主站，用于接收ESM的虛擬發動機信息，虛擬中控DCS需獲取機組運行參數，可設置端口2為從站。PLC將測試發動機運行參數通過NVI69-EMBS模塊發送至虛擬中控DCS系統。

二、軟件設計

1.控制器程序

C ompactlogix PLC系 列PLC程序開發使用的是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，程序采用面向對象編程方法，壓縮機組對象包含溫度、液位、開關、震動等信號，經過抽象，建立了機組運行狀態對象、模擬量采集對象、數字量采集等對象，通過采用面向對象的編程方法，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和控制器件顯示在HMI上，HMI程序包含panelview plus1000現場調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、數據交換地址、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、要讀寫數據的起始地址、讀寫數據的長度等，NVI69-EMBS模塊的接收數據和發送數據分別寄存在readdata[60]和writedata[80]寄存器整數數值中，PLC通過該數組獲取ESM信息和發送DCS機組運行的工程量參數。

三、仿真方法

1.虛擬輸入調試法

圖2 PLC控制程序結構圖

由于無法采集現場機組運行參數，可將代替輸入信號的中間繼電器做為數字量輸入信號。將代替輸入模擬信號的自定義整型函數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。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、傳感器的狀態值驗證程序的正確性。

2.時序對比法

時序對比仿真法是通過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，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動態表格監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對故障的反應，對于現場的油溫高、排壓高、油壓低等模擬量信號，可將上位機程序的輸入值調于停機值以外或者調高報警值，對于無油流、空冷器震動等數字量信號，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、現場開關量輸入信號、現場數字量輸出信號、溫度壓力變送器信號、熱電偶信號、發動機ESM信號。根據相似原則測試程序的正確性和可靠性，對于復雜的邏輯，需設置模擬數字混合仿真。

四、仿真試驗

控制系統各模塊按照如圖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，使得控制系統在零開機和零故障的情況下真實的模擬了現場機組控制系統的基本情況。

五、結語

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

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1671-0711（2016）06-0047-03