論文提要：隨著國(guó)際、國(guó)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(lái)越多的使用，本文通過(guò)對(duì)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(jiǎn)單介紹了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與控制功能的實(shí)現(xiàn)。

前 言

隨著國(guó)際、國(guó)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(jiǎn)稱機(jī)組）被越來(lái)越多的用在長(zhǎng)輸管道增壓輸送，地下儲(chǔ)氣庫(kù)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(chǎng)合，雖然不同應(yīng)用場(chǎng)合下的機(jī)組的控制系統(tǒng)略有不同，本文通過(guò)對(duì)哈薩克斯坦KAM油田使用的美國(guó)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(jiǎn)單介紹了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與控制功能的實(shí)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(jiǎn)稱UCS）或稱機(jī)組就地控制系統(tǒng)（Unit Local Control System，簡(jiǎn)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(guò)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(guò)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(jì)算機(jī)。因此，機(jī)組控制系統(tǒng)實(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，報(bào)警停機(jī)保護(hù)，聯(lián)網(wǎng)通訊的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可完成單臺(tái)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(dú)立于站控系統(tǒng)（SCS）以外。

UCS自動(dòng)、連續(xù)地監(jiān)視和控制壓縮機(jī)組及其輔助系統(tǒng)的運(yùn)行，保證人身和設(shè)備安全。具體來(lái)說(shuō)，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(dòng)完成機(jī)組的啟動(dòng)、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(duì)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(bào)警；與SCS交換信息；接受SCS的操作命令。

UCS可實(shí)現(xiàn)多種操作方式選擇，各種操作控制方式之間的切換無(wú)擾動(dòng)且不會(huì)導(dǎo)致不安全的因素發(fā)生。因此，UCS可實(shí)現(xiàn)以下操作方式：就地（LOCAL）人工或自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程(REMOTE)自動(dòng)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(kāi)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(shí)，不能啟動(dòng)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(shí)，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(wú)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(dòng)作將發(fā)出閉鎖信號(hào)，使機(jī)組在未接到人工復(fù)位的命令前不能再次啟動(dòng)。ESD系統(tǒng)和各種保護(hù)系統(tǒng)均設(shè)計(jì)為故障安全型。

UCS全自動(dòng)的完成對(duì)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）：?jiǎn)?dòng)/停機(jī)順序控制（包括各個(gè)閥門的順序控制）；負(fù)荷控制；動(dòng)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(cè)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(guò)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(cè)儀表、控制閥門、控制開(kāi)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(kāi)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?？刂乒竦脑O(shè)計(jì)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(guò)匯線槽，柜下端安裝接地母線?？刂乒駶M足所處環(huán)境的防爆等級(jí)要求。

2.1.1危險(xiǎn)區(qū)域劃分與正壓通風(fēng)

通常情況下，控制柜危險(xiǎn)區(qū)域劃分屬于：1類，2區(qū)，D組。控制柜內(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(xiǎn)區(qū)域的要求?？刂乒駷槲⒄龎菏剑脙x表風(fēng)吹掃，用于減輕現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)柜內(nèi)部件的損害，用戶負(fù)責(zé)向控制柜提供一個(gè)儀表風(fēng)供氣點(diǎn)。

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(dòng)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(dòng)機(jī)控制和點(diǎn)火。同時(shí)，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(pán)裝開(kāi)關(guān)、按鈕和指示燈

控制柜前面板上安裝的開(kāi)關(guān)、按鈕和指示燈主要有：控制盤(pán)電源開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)按鈕、停機(jī)按鈕、指示燈測(cè)試/復(fù)位按鈕、空冷器風(fēng)扇電機(jī)HOA開(kāi)關(guān)、控制盤(pán)電源指示燈、機(jī)組運(yùn)行指示燈、準(zhǔn)備加載指示燈、測(cè)試模式指示燈、預(yù)潤(rùn)滑指示燈、空冷器風(fēng)扇運(yùn)行指示燈等。

2.2現(xiàn)場(chǎng)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(pán)尺寸為4.5″,用于輔助設(shè)備的表盤(pán)尺寸為2.5″,實(shí)體表面，開(kāi)關(guān)表，不銹鋼彈簧管、承孔和移動(dòng)件，雙單位顯示，鋼制脈動(dòng)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(shù)脂涂層發(fā)條，雙單位顯示，全量程精度1%，3″表盤(pán)，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(jì)。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(duì)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(gè)CPU模塊、1個(gè)10槽機(jī)架、1個(gè)7槽機(jī)架、2個(gè)電源模塊、3個(gè)16-PT輸入模塊、2個(gè)16-PT輸出模塊、1個(gè)8-PT 模擬輸入模塊、1個(gè)4-PT模擬輸出模塊、1個(gè)4-PT模擬輸入模塊、2個(gè)8-PT RTD輸入模塊、3個(gè)8-PT TC輸入模塊、1個(gè)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(guò)專用通訊電纜與MMI（人機(jī)界面——觸摸屏控制面板）通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的實(shí)時(shí)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(guò)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(gè)三位選擇開(kāi)關(guān)、三個(gè)通訊接口和六個(gè)指示燈組成，側(cè)面有存儲(chǔ)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(bào)警限位設(shè)定。供給現(xiàn)場(chǎng)兩線制變送器24VDC電源由PLC系統(tǒng)提供。輸入信號(hào)4～20mA或1～5VDC可任選，有源輸入或無(wú)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(hào)，具有輸出隔離，具有短路保護(hù)和斷路報(bào)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(chǎng)采用的三線制或四線制熱電阻信號(hào)。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(chǎng)觸點(diǎn)為無(wú)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(diǎn)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(gè)Modbus通信接口，通信速度可在300～38400bit/s之間任選，1個(gè)TCP/IP接口。

2.3.5電源模塊1746-P3

PLC系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)二線制儀表回路、無(wú)源觸點(diǎn)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(dú)立的24VDC供電回路，每個(gè)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(chǎng)信號(hào)連接的端子排等,安裝附件按20%的余量設(shè)計(jì)。

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(guò)它可詳細(xì)了解運(yùn)行情況，并可下達(dá)操作控制命令，從而完成對(duì)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(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)的管理、動(dòng)態(tài)工藝流程及其他圖形的顯示、報(bào)警/事件管理、報(bào)表生成及打印等功能。在遠(yuǎn)控模式時(shí)，關(guān)閉操作員工作站不對(duì)UCS的信號(hào)傳輸、運(yùn)行有任何影響。

2.5發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)—ESM®

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

ESM®控制發(fā)動(dòng)機(jī)啟停的邏輯框圖如下圖3-圖5：

圖3 啟動(dòng)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(qiáng)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(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示。具有通信管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)畫(huà)面編輯、文本編輯、在線幫助、實(shí)時(shí)趨勢(shì)編輯顯示、歷史趨勢(shì)編輯顯示、報(bào)警管理、事件管理、報(bào)告管理、打印等功能模塊。

　　5.結(jié)束語(yǔ)

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。