天然氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)仿真技術(shù)研究及應(yīng)用

何青海 馬 云 郝崇志

（吐哈油田公司機(jī)械廠，新疆 哈密 839009）

天然氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)仿真技術(shù)研究及應(yīng)用

何青海 馬 云 郝崇志

（吐哈油田公司機(jī)械廠，新疆 哈密 839009）

通過半實(shí)物仿真技術(shù)建立了F3524GSI/ 2RDS-1天然氣壓縮機(jī)組PLC半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)，并闡述了仿真系統(tǒng)的原理，同時(shí)開發(fā)了機(jī)組控制程序，總結(jié)了四種調(diào)試階段仿真方法，試驗(yàn)仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可以真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行情況。

仿真技術(shù)；F3524GSI/2RDS-1；天然氣壓縮機(jī)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(jī)組控制系統(tǒng)屬于復(fù)雜控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測(cè)對(duì)象和物理量多、控制邏輯程序復(fù)雜，對(duì)于新設(shè)計(jì)的機(jī)組PLC控制系統(tǒng)來說，直接在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行PLC程序調(diào)試具有很大的風(fēng)險(xiǎn)性，程序的某個(gè)錯(cuò)誤或者缺陷有可能導(dǎo)致壓縮機(jī)組昂貴機(jī)械系統(tǒng)的損壞甚至危及到油氣處理場(chǎng)所的人身安全。半實(shí)物仿真是工程領(lǐng)域內(nèi)一種應(yīng)用較為廣泛的仿真技術(shù)，它更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，能有效對(duì)壓縮機(jī)組控制邏輯進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真。PLC硬件系統(tǒng)可以在現(xiàn)場(chǎng)安裝前對(duì)新編制的PLC程序、人機(jī)界面程序和通訊程序進(jìn)行仿真調(diào)試、程序優(yōu)化，壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有調(diào)試效果好、使用方便、安全等優(yōu)點(diǎn)，有效規(guī)避了機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)、縮短施工周期和降低了試機(jī)費(fèi)用。

一、半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.半實(shí)物仿真原理

為了模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，將上位機(jī)人機(jī)界面程序的控件作為現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)組模擬設(shè)備，其包含啟動(dòng)按鈕、ESD停機(jī)、加減載按鈕等主令器的仿真，機(jī)組震動(dòng)、各缸缸溫等傳感器的仿真，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)、DCS系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)。

2.仿真系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)下位機(jī)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(luò)和PLC之間的一個(gè)網(wǎng)關(guān)。其作為虛擬ESM和DCS系統(tǒng)的通訊模塊，現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏選用panel View Plus 1000人機(jī)界面，工業(yè)以太網(wǎng)作為半實(shí)物仿真網(wǎng)絡(luò)，仿真計(jì)算機(jī)使用R Slogix5000軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。整個(gè)半實(shí)物控制系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 半實(shí)物控制系統(tǒng)框架圖

F3524GSI/2R DS-1壓縮機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)多而雜，所以PLC還包括兩個(gè)1769-IQ16模塊，其用于采集現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、ESD停機(jī)等數(shù)字量輸入信號(hào)，1769-OB16模塊用于發(fā)送預(yù)潤滑、啟機(jī)等數(shù)字量輸出信號(hào)，1769-OF4模塊控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制和旁通閥，兩個(gè)1769-IF8和1769-IT6分別采集機(jī)組變送器和熱電偶模擬量輸入信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬ESM發(fā)送的轉(zhuǎn)速、油壓等信號(hào)通過modbus協(xié)議傳送給NVI69-EMBS模塊，該模塊有兩個(gè)以太網(wǎng)接口，通過這兩個(gè)接口可與modbus設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，發(fā)動(dòng)機(jī)的所有運(yùn)行參數(shù)可通過modbus協(xié)議從ESM獲得，試驗(yàn)中將端口一為主站，用于接收ESM的虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)信息，虛擬中控DCS需獲取機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，可設(shè)置端口2為從站。PLC將測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(shè)計(jì)

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(jī)組PLC程序采用模塊化編程思想，將機(jī)組控制器程序分為8個(gè)主子程序，程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對(duì)象是現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體或概念在計(jì)算機(jī)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?，壓縮機(jī)組對(duì)象包含溫度、液位、開關(guān)、震動(dòng)等信號(hào)，經(jīng)過抽象，建立了機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)對(duì)象、模擬量采集對(duì)象、數(shù)字量采集等對(duì)象，通過采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，程序進(jìn)一步簡(jiǎn)化、邏輯層級(jí)更加清晰。

2.HMI程序

通過Factorytalk view 提供的圖像控件、功能控件、權(quán)限策略、報(bào)警設(shè)置、故障記錄、可方便的將壓縮機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和控制器件顯示在HMI上，HMI程序包含panelview plus1000現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試程序和用于模擬壓縮機(jī)組主令器件和傳感器的上位機(jī)程序。

3.PCB程序

PCB程序是NVI69-EMBS模塊的modbus配置程序、需對(duì)port1和port2端口的跳線、使能、主從站設(shè)置、波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位、modbus 設(shè)備地址、數(shù)據(jù)交換地址、失敗位校驗(yàn)等設(shè)置，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(zhǎng)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(jī)組運(yùn)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(jié)構(gòu)圖

由于無法采集現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，可將代替輸入信號(hào)的中間繼電器做為數(shù)字量輸入信號(hào)。將代替輸入模擬信號(hào)的自定義整型函數(shù)作為輸入模擬量信號(hào)。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(duì)應(yīng)，上位機(jī)程序作為對(duì)外部設(shè)備的仿真實(shí)現(xiàn)。通過Factorytalk view軟件制作上位機(jī)可視化操作程序，將控制柜按鈕（其包含啟動(dòng)、預(yù)潤滑、停機(jī)、加減載按鈕、ESD停機(jī)按鈕）、機(jī)組數(shù)字量信號(hào)（如無油流開關(guān)、液位控制器、空冷器震動(dòng)信號(hào)）、模擬量信號(hào)（發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)、進(jìn)排壓、缸溫信號(hào)）顯示到上位機(jī)程序中。通過改變上位機(jī)“虛擬機(jī)組”主令器、傳感器的狀態(tài)值驗(yàn)證程序的正確性。

2.時(shí)序?qū)Ρ确?/p>

時(shí)序?qū)Ρ确抡娣ㄊ峭ㄟ^理論設(shè)計(jì)的時(shí)序與實(shí)物仿真對(duì)比來驗(yàn)證程序邏輯正確性的一種仿真方法。PLC程序的狀態(tài)信號(hào)采用生存周期策略方法，邏輯時(shí)序圖能清晰的反映主令器件、傳感器的運(yùn)行狀態(tài)，仿真前應(yīng)繪制邏輯程序控制時(shí)序圖。對(duì)于程序中復(fù)雜的啟停機(jī)程序，時(shí)序如圖3所示，通過R slogix5000動(dòng)態(tài)表格監(jiān)控與圖一所示的時(shí)序圖對(duì)比可驗(yàn)證程序的正確性。

圖3 PLC啟停機(jī)時(shí)序圖

3.極端條件法

為驗(yàn)證機(jī)組出現(xiàn)故障后，程序能否快模擬停機(jī)，使用了極端條件法來仿真程序?qū)收系姆磻?yīng)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的油溫高、排壓高、油壓低等模擬量信號(hào)，可將上位機(jī)程序的輸入值調(diào)于停機(jī)值以外或者調(diào)高報(bào)警值，對(duì)于無油流、空冷器震動(dòng)等數(shù)字量信號(hào)，使用上位機(jī)制造人為故障來驗(yàn)證程序的正確性。

4.歸類仿真法

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

四、仿真試驗(yàn)

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(jī)建立的虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)和modtest 軟件建立的虛擬ESM和中控DC S可方便仿真壓縮機(jī)組運(yùn)行情況，在仿真過程中，通過不斷改進(jìn)程序，使得控制系統(tǒng)在零開機(jī)和零故障的情況下真實(shí)的模擬了現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組控制系統(tǒng)的基本情況。

五、結(jié)語

仿真系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，運(yùn)用半實(shí)物仿真技術(shù)設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)不需現(xiàn)場(chǎng)硬件連接，使用方便安全，能真實(shí)地模擬機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)降低了系統(tǒng)調(diào)試的費(fèi)用和安全風(fēng)險(xiǎn),特別是對(duì)大中型PLC控制系統(tǒng)的調(diào)試仿真,極具參考價(jià)值。

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