論文提要：隨著國際、國內(nèi)油氣工業(yè)的快速發(fā)展，特別是天然氣工業(yè)的飛速發(fā)展，用于天然氣增壓的往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)組被越來越多的使用，本文通過對L7044GSI/JGD4型往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)組的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，簡單介紹了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與控制功能的實現(xiàn)。

前 言

隨著國際、國內(nèi)油氣工業(yè)的快速發(fā)展，特別是天然氣工業(yè)的飛速發(fā)展，一種用于天然氣增壓的往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)組（簡稱機(jī)組）被越來越多的用在長輸管道增壓輸送，地下儲氣庫高壓注氣，油田氣舉采油，油田天然氣回注，煤層氣處理，天然氣發(fā)電，油氣處理廠等場合，雖然不同應(yīng)用場合下的機(jī)組的控制系統(tǒng)略有不同，本文通過對哈薩克斯坦KAM油田使用的美國HANOVER公司成撬的L7044GSI/JGD4型往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)WAHLE CONTROL SYSTEMS進(jìn)行分析，簡單介紹了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與控制功能的實現(xiàn)。

　　1.機(jī)組控制系統(tǒng)概述

機(jī)組控制系統(tǒng)（Unit Control System，簡稱UCS）或稱機(jī)組就地控制系統(tǒng)（Unit Local Control System，簡稱LCS）通常以就地控制柜的形式安裝在機(jī)組主撬上或機(jī)組主撬附近，由機(jī)組供應(yīng)商成套提供。

機(jī)組控制系統(tǒng)主要由過程控制單元、操作員工作站、數(shù)據(jù)通信接口等構(gòu)成，通常，過程控制單元采用可編程序邏輯控制器(PLC)，做為人機(jī)界面的操作員工作站采用帶觸摸屏的計算機(jī)。因此，機(jī)組控制系統(tǒng)實際上是一套以PLC為控制核心，用于機(jī)組邏輯順序控制，PID控制，實時數(shù)據(jù)處理，報警停機(jī)保護(hù)，聯(lián)網(wǎng)通訊的自動控制系統(tǒng)，可完成單臺機(jī)組及其輔助系統(tǒng)（空冷器系統(tǒng)、儀表氣系統(tǒng)等）的控制。機(jī)組控制系統(tǒng)自成體系，獨立于站控系統(tǒng)（SCS）以外。

UCS自動、連續(xù)地監(jiān)視和控制壓縮機(jī)組及其輔助系統(tǒng)的運行，保證人身和設(shè)備安全。具體來說，該系統(tǒng)至少滿足以下性能：根據(jù)命令或條件，按預(yù)定程序自動完成機(jī)組的啟動、加載、卸載和停機(jī)/緊急停機(jī)等操作；在所有工況下執(zhí)行對機(jī)組的保護(hù)；在系統(tǒng)故障或誤操作的情況下避免不安全的因素發(fā)生；在觸摸屏上顯示各種工藝變量及其它有關(guān)參數(shù)；提供聲光報警；與SCS交換信息；接受SCS的操作命令。

UCS可實現(xiàn)多種操作方式選擇，各種操作控制方式之間的切換無擾動且不會導(dǎo)致不安全的因素發(fā)生。因此，UCS可實現(xiàn)以下操作方式：就地（LOCAL）人工或自動控制、遠(yuǎn)程(REMOTE)自動控制(SCS或調(diào)度控制中心操作模式)、停機(jī)（OFF）。操作方式由安裝在UCP上的LOCAL/REMOTE/OFF選擇開關(guān)確定。就地控制方式優(yōu)先于遠(yuǎn)程控制方式。處于停機(jī)模式時，不能啟動機(jī)組，但各種變量/參數(shù)仍處于UCS的監(jiān)視之下。在就地控制時，UCS不接受SCS或調(diào)度控制中心的命令，但各種變量/參數(shù)仍處于SCS或調(diào)度控制中心的監(jiān)視之下。

ESD（緊急停機(jī)）控制命令優(yōu)先于任何操作方式。無論ESD命令從何處下達(dá)及UCS處于何種操作方式，ESD控制命令均能被立即按預(yù)定的順序執(zhí)行。所有ESD系統(tǒng)的動作將發(fā)出閉鎖信號，使機(jī)組在未接到人工復(fù)位的命令前不能再次啟動。ESD系統(tǒng)和各種保護(hù)系統(tǒng)均設(shè)計為故障安全型。

UCS全自動的完成對機(jī)組及其輔助系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)部分的監(jiān)控，如（但不局限于此）：啟動/停機(jī)順序控制（包括各個閥門的順序控制）；負(fù)荷控制；動力源控制（如電源等）；速度控制及保護(hù)停機(jī)；機(jī)組機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測及保護(hù)停機(jī)；緊急停機(jī)（ESD）；輔助系統(tǒng)控制及保護(hù)；超溫、過壓控制及保護(hù)停機(jī)。

　　2．機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

UCS的硬件組成主要包括可編程控制器（PLC）、就地控制柜（LCP）、就地檢測儀表、控制閥門、控制開關(guān)、ESD系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等。

2.1就地控制柜

就地控制柜通常包括觸摸屏、開關(guān)、按鈕、指示燈、24VDC電源等。就地控制柜選用鋼質(zhì)雙門或單門標(biāo)準(zhǔn)尺寸柜，門上帶安全鎖?？刂乒衽鋫渖嵬L(fēng)、照明等設(shè)施。控制柜的設(shè)計充分考慮了機(jī)柜內(nèi)部和外部電線/電纜的布線空間。柜內(nèi)機(jī)架與端子排的布置考慮了擴(kuò)展余地且方便維護(hù)、檢修，柜內(nèi)布線全部通過匯線槽，柜下端安裝接地母線。控制柜滿足所處環(huán)境的防爆等級要求。

2.1.1危險區(qū)域劃分與正壓通風(fēng)

通常情況下，控制柜危險區(qū)域劃分屬于：1類，2區(qū)，D組?？刂乒駜?nèi)的部件和控制柜本身的結(jié)構(gòu)也必須符合1類，2區(qū)，D組的危險區(qū)域的要求?？刂乒駷槲⒄龎菏?，用儀表風(fēng)吹掃，用于減輕現(xiàn)場環(huán)境對柜內(nèi)部件的損害，用戶負(fù)責(zé)向控制柜提供一個儀表風(fēng)供氣點。

2.1.2控制系統(tǒng)電源需求

用戶負(fù)責(zé)向控制柜提供符合要求的電源：220VAC，1Ph，50Hz。供應(yīng)商提供24VDC備用蓄電池。蓄電池安裝在控制柜內(nèi)。就地控制柜負(fù)責(zé)向發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)提供21.6-30VDC（最大尖峰電壓2V，最小電流12Amps），用于發(fā)動機(jī)控制和點火。同時，向控制面板和末端設(shè)備提供16 Amps電流，向成套撬裝電磁閥提供24 VDC。

2.1.3盤裝開關(guān)、按鈕和指示燈

控制柜前面板上安裝的開關(guān)、按鈕和指示燈主要有：控制盤電源開關(guān)、啟動按鈕、停機(jī)按鈕、指示燈測試/復(fù)位按鈕、空冷器風(fēng)扇電機(jī)HOA開關(guān)、控制盤電源指示燈、機(jī)組運行指示燈、準(zhǔn)備加載指示燈、測試模式指示燈、預(yù)潤滑指示燈、空冷器風(fēng)扇運行指示燈等。

2.2現(xiàn)場儀表

2.2.1成撬安裝壓力表

成撬安裝壓力表符合以下要求：用于工藝氣的表盤尺寸為4.5″,用于輔助設(shè)備的表盤尺寸為2.5″,實體表面，開關(guān)表，不銹鋼彈簧管、承孔和移動件，雙單位顯示，鋼制脈動緩沖器，1/2″NPT接口。

2.1.2成撬安裝溫度表

成撬安裝溫度表符合以下要求：雙金屬,不銹鋼構(gòu)件，壓封，表面調(diào)整，鋼化玻璃，硅樹脂涂層發(fā)條，雙單位顯示，全量程精度1%，3″表盤，1/2″NPT接口。

2.3 PLC

2.3.1 PLC組成

PLC安裝于就地控制柜內(nèi)，WAHLE CONTROL SYSTEMS使用AB公司的SLC500 PLC作為控制核心，主要由CPU模塊、I/O模塊、通訊模塊、電源模塊、安裝附件等構(gòu)成，采用模塊式結(jié)構(gòu)，圖1為模塊式PLC結(jié)構(gòu)示意圖。為保證系統(tǒng)的可靠性，PLC的處理器按熱備設(shè)計。PLC所選用的模塊為帶電可插拔型模塊，且每塊模塊帶有自診斷功能。PLC系統(tǒng)能夠滿足所需的熱備冗余配置要求。對硬件的地址分配設(shè)置、I/O的量化等采用組態(tài)的方式完成。

圖1 模塊式PLC結(jié)構(gòu)示意圖

WAHLE CONTROL SYSTEMS采用的SLC500 PLC主要由1個CPU模塊、1個10槽機(jī)架、1個7槽機(jī)架、2個電源模塊、3個16-PT輸入模塊、2個16-PT輸出模塊、1個8-PT 模擬輸入模塊、1個4-PT模擬輸出模塊、1個4-PT模擬輸入模塊、2個8-PT RTD輸入模塊、3個8-PT TC輸入模塊、1個通訊模塊、1條通訊電纜等組成。

作為控制系統(tǒng)的核心，SLC500通過專用通訊電纜與MMI（人機(jī)界面——觸摸屏控制面板）通訊，實現(xiàn)機(jī)組的實時監(jiān)控、參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)處理等，技術(shù)人員還可以通過工程師工作站與SLC500進(jìn)行通訊，進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限內(nèi)的操作。

2.3.2 SLC5/04 CPU模塊

SLC5/04 CPU模塊前面板由一個三位選擇開關(guān)、三個通訊接口和六個指示燈組成，側(cè)面有存儲器模塊、電池、跳線設(shè)定和銘牌等。圖2為SLC5/04 CPU模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 SLC5/04 CPU模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 I/O模塊

⑴模擬輸入模塊1746-NI8

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器為16位,共模抑制比100dB,輸入相互隔離。模擬量輸入模塊上有報警限位設(shè)定。供給現(xiàn)場兩線制變送器24VDC電源由PLC系統(tǒng)提供。輸入信號4～20mA或1～5VDC可任選，有源輸入或無源輸入可任選。

⑵模擬輸出模塊1746-NO4I

數(shù)/模轉(zhuǎn)換器為14位,輸出0～20mA或4～20mA信號，具有輸出隔離，具有短路保護(hù)和斷路報警等功能。帶負(fù)載能力不小于500Ω。

⑶熱電阻輸入模塊1746-NR8

接收現(xiàn)場采用的三線制或四線制熱電阻信號。熱電阻主要技術(shù)特性為：Pt100，α＝0.00385Ω/Ω/℃，100Ω@0℃。

⑷數(shù)字量輸入模塊1746-IB16

數(shù)字量輸入模塊采用光電隔離,工作電壓范圍10-30 VDC，額定輸入電流8mA（24VDC），輸入與地隔離?，F(xiàn)場觸點為無源型。所需24VDC電源由PLC系統(tǒng)提供。

⑸數(shù)字量輸出模塊1746-OW16

1746-OW16模塊電壓范圍5-146VDC&5-265VDC，接點容量：電感電路：0.22amps@125VDC，0.58amps@48VDC；電阻電路：1amp@125VDC，1.5 amps@48VDC，輸出有短路保護(hù)且與地隔離。

        2.3.4通信模塊3150MCM

SLC500采用MODBUS通信模塊，能完成不同通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，帶有2個Modbus通信接口，通信速度可在300～38400bit/s之間任選，1個TCP/IP接口。

2.3.5電源模塊1746-P3

PLC系統(tǒng)向現(xiàn)場二線制儀表回路、無源觸點以及繼電器提供符合要求的24VDC電源（冗余）。24VDC電源的配電由供貨商負(fù)責(zé)。為模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出等不同類型的I/O模塊提供獨立的24VDC供電回路，每個供電回路應(yīng)設(shè)置雙刀斷路器。

2.3.6安裝附件

用于安裝可編程序邏輯控制器，包括輸入/輸出模塊等設(shè)備的全部安裝附件、機(jī)架、內(nèi)部連接電纜（線）、與現(xiàn)場信號連接的端子排等,安裝附件按20%的余量設(shè)計。

2.4操作員工作站

供貨商為機(jī)組配備1套操作員工作站。操作員工作站即控制柜的控制面板。操作員工作站是操作人員與控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，操作員通過它可詳細(xì)了解運行情況，并可下達(dá)操作控制命令，從而完成對機(jī)組的監(jiān)控和管理。

操作員工作站將直接與PLC交換數(shù)據(jù)，它具有數(shù)據(jù)采集及處理、實時及歷史數(shù)據(jù)的管理、動態(tài)工藝流程及其他圖形的顯示、報警/事件管理、報表生成及打印等功能。在遠(yuǎn)控模式時，關(guān)閉操作員工作站不對UCS的信號傳輸、運行有任何影響。

2.5發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)—ESM®

ESM®是發(fā)動機(jī)總體管理系統(tǒng)，行使點火控制、速度控制、爆燃檢測、起停控制、故障診斷、故障記錄和報警停機(jī)等功能。

ESM®控制發(fā)動機(jī)啟停的邏輯框圖如下圖3-圖5：

圖3 啟動邏輯框圖

圖4 停機(jī)邏輯框圖

圖5 緊急停機(jī)邏輯框圖

　　1.5觸摸屏

WAHLE CONTROL SYSTEMS采用的觸摸屏為AB公司的PanelView1000+觸摸屏，帶有RS232串口通訊口、USB接口、TCP/IP接口、DH485、DH+等接口。

4．控制系統(tǒng)軟件

為完成機(jī)組控制任務(wù)，機(jī)組控制系統(tǒng)配備了如下軟件：

4.1 PLC程序編程軟件

SLC500采用RSLogix500編程軟件。

4.2 PLC用戶通訊軟件

SLC500采用RSLinx通訊軟件。

4.3 MMI組態(tài)軟件

PanelView1000+采用PanelBuilder32組態(tài)軟件。該軟件具有強大的圖形編輯、顯示功能，具有支持三維圖的編輯、顯示能力。支持多窗口顯示及動態(tài)畫面顯示。具有通信管理、數(shù)據(jù)庫管理、動態(tài)和靜態(tài)畫面編輯、文本編輯、在線幫助、實時趨勢編輯顯示、歷史趨勢編輯顯示、報警管理、事件管理、報告管理、打印等功能模塊。

　　5.結(jié)束語

此機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定可靠，具有很廣泛的使用性和適用性。