天然气压缩机组控制系统程序设计

何青海　马　云

（吐哈油田公司机械厂，新疆 哈密 839009）



天然气压缩机组控制系统程序设计

何青海马云

（吐哈油田公司机械厂，新疆 哈密 839009）

摘 要：介绍了F3524GSI/2RDS-1天然气压缩机组的控制系统，阐述了机组程序设计的思想，设计了压缩机组控制程序，对编写其他压缩机组程序具有重要指导意义。

关键词：天然气压缩机组；F3524GSI/2RDS-1；控制系统；程序设计；设计思想

F3524GSI/2RDS-1天然气压缩机组是油田公司自动化程度最高的机组，其机组控制系统采用以PLC为控制器的控制系统，研究其编程技术对机组快速故障诊断及其他机组编程具有重要指导意义。

一、控制系统介绍

1.PLC控制系统

机组就地控制系统位于机组主撬压缩机端，是以罗克韦尔Compactlogix系列PLC为核心的下位机控制系统，其控制结构如图1所示。PLC将采集的控制柜面板数据、机组油温、油压、振动、缸温等模拟量信号、液位等数字量信号进行逻辑运算、顺序控制、状态检测、定时检测并通过数字模拟输出端口控制机组的启停机过程、转速、进排气阀开度、故障报警等。NVI69-EMBS通讯模块是将CompactlogixPLC内部通讯转化为modbus通讯协议的网关，该通讯模块共有两个端口，端口1作为主站接受来自发动机ESM的信息，端口2作为从站将机组运行参数发送给上位机DCS系统。PLC与HMI通讯使用高速、抗振动、防粉尘的工业以太网通讯进行数据交互。HMI选用PanelviewPlus1000人机界面，用于机组运行参数显示、手动测试、报警停机提示。

图1　控制系统结构图

2.ESM控制系统

ESM（Engine System Manager）是瓦克夏F3524 GSI发动机的一个独立控制系统，包括发动机启停机控制、点火控制、转速控制、爆振控制、故障诊断、故障记录存储和发动机停机保护、空燃比控制以及通信设置等。ESM通过通讯模块采集的数据有：最近5次报警停机代码、发动机采集的转速、各缸点火提前角等信息，通讯数据在PLC中经过程序处理并通过太网显示在就地柜HMI上。

二、控制系统编程思想

1.面向对象的程序方法

程序开发过程中，将压缩机组的模拟量信号、数字量信号、机组运行状态、ESM数据、DCS数据作为独立实体的对象，并将逻辑方法封装于块中，块的封装只提供输入输出接口，例如油温、缸温和压力等模拟量信号的对象封装，通过rslogix5000软件的add-on指令添加模拟信号处理对象，并将逻辑处理封装，封装的入口包括采集的工程量、低报触发选择、高报触发选择、低报延时继电器输入、高报延时继电器输入、恢复量程位输入、恢复工艺报警位输入等，封装的输出为模拟信号的实际值。

2.状态周期的设计方法

PLC状态周期的设计方法是指当执行某项操作时，该项操作的状态位被置一，直到机组的状态发生改变。此种方法能清新的表明压缩机组所处的状态。例如从压缩机组的启停机过程中包含了预润滑标志位、进排气阀故障检测位、压缩机油压到检测位、启机位、首发故障检测位，机组停机位等信号。其中润滑标志位是所有位的逻辑与基础。当发动机检测到机组停机信号后，预润滑标志位复位，预润滑标志位解锁其他状态位。

3.模块化编程的设计方法

模块化编程方法是根据控制要求把编程需要完成的控制任务划分为几个较小功能块，然后对每个功能块分别进行编程。rslogix5000软件可以通过JSR和SBR指令实现子程序的调用和返回。这种编程设计方法使各程序模块之间相对独立、功能单一，其具有清晰的结构，大大降低了难度，避免了重复劳动，同时获得了较高的程序质量。

三、程序设计

1.启机程序设计

启机预润滑时间通过瓦克夏ESP软件设置为180s，当机组进入启机阶段时，首先程序检查机组的故障信号、控制柜机旁远程按钮的位置、加减载按钮的位置等状态，当按钮位置位于机旁、减载位置时允许启机，其次程序控制启动预润滑泵、开启进排气阀和发送ESM两秒的发动机启机脉冲信号，当预润滑时间为30s时，通过阀的开闭信号判断进排气阀是否存在故障，90s时检查压缩机油压是否达到设定值，若达不到则发送ESM停机位低电平命令机组不开机，在240s后检测发动机是否处于运行状态，若不是则启动失败（图2）。

图2　启机程序结构图

启机阶段定义了预润滑标志位，该位由启动按钮信号置位并自锁，由停机脉冲、启机失败位、ESD信号、报警信号解锁。该位从预润滑到机组停机一直为高位信号。进排气阀各有一对逻辑反信号，当两个信号状态一致时说明进排气阀出现故障。启机阶段开始时发动机压缩机进入180s的预润滑阶段，180s时间到后ESM控制启动马达和打开燃气阀发动机进入ESM控制下的启机过程。

2.加减载程序设计

控制柜面板上加减载按钮为减载位置时，控制系统采集的加减载状态为低电平，当按钮为加载位置时为高电平，加载必须在暖机的情况下加载，加载过程分为三步。

第一步，加载运行位置位。加载运行位满足以下条件时该位置位：机组处于运行状态、无停机信号、进排气阀打开、加减载按钮为加载位置、转速大于加载设定转速、夹套水温大于最低设置加载水温、压缩机油温大于设定油温。其中前3项为程序判断，后3项为人机界面设定参数。

第二步，加载信号位置位。加载信号位为程序控制回流阀的触发位，当程序判断加载运行位置位并且无远程控制信号和停机信号时该位置位。置位后并自锁。

第三步，控制回流阀。回流阀为常开阀，控制信号为4～20ma标准信号。数据格式为工程量数据。当有ESD信号时，或者回流阀程序控制变量小于4000时，回流阀程序控制变量为4000，当回流阀程序控制变量大于20000时，回流阀程序控制变量为20000。当加载信号位置位时，每一秒中给回流阀程序控制变量加设定的回流阀增加量，当加载信号位复位时，回流阀程序控制变量每一秒减去设定的回流阀增加量。回流阀开度可根据工程量数据与回流阀程序控制变量的关系求得。

3.停机程序设计

机组停机分为3种情况：ESD停机、机组运转过程中的停机，预润滑下的停机。其中ESD停机、预润滑下的停机直接使机组停机，而机组运转过程中的停机需后润滑。ESM停机信号收到PLC短暂的低电平后会立刻执行停机指令。

机组运转过程中的停机是指机组转速大于600r/ min的停机，当按下停机按钮后，正常停机信号置位，此时240s的停机，定时器计时并产生一秒脉冲信号降转速，当机组处于加载情况下时，正常停机信号解锁加载信号，机组进入减载模式，减载模式下回流阀控制输出值每秒减少320，直至4000。若240s内机组停机（转速小于40r/min）则进入后润滑阶段，若240s内机组处于运转阶段，则正常停机脉冲置位，而正常停机脉冲可输出ESM停机信号，发动机停机。停机逻辑如图3所示。

图3　停机程序结构图

4.模拟信号处理程序设计

机组模拟量信号包括压缩机轴向径向振动、压缩机油压油温、进气排气温度压力、发动机轴向径向振动、发动机缸温、发动机油温油压等信号，这些信号都有报警停机输出，报警信号分为高报低报，停机信号分为低停高停，若将每种模拟信号单独编程编程劳动强度大，程序逻辑差。通过抽象的方法，将模拟量信号对象化，将重复的逻辑功能封装到函数块中，块只提供共性的输入输出接口。输入接口数据可设置为信号工程采集量、高低报警触发、高低停机触发、复位触发位、故障锁存位、高报报警延时定时器、高高报报警延时定时器、低报报警延时定时器、低低报报警延时定时器。输出接口数据设置为实际值。

函数首先将信号工程采集量转换为实际值，根据高低报警触发位的状态判断该信号是高报还是低报，同理根据高低停机触发的状态判断该信号是高停还是低停，并根据输入的定时器对报警停机信号延时。复位触发位复位传感器量程和工艺参数出厂值。

5.试验模式程序设计

试验模式是在机组运行阶段将故障信号屏蔽以测试或者修复传感器故障/工作状态的程序故障诊断模式。试验模式时间设定为300s，快速双击复位按钮可对试验模式复位。首发故障停机位解锁机组停机信号，当启动试验模式时，试验模式存在信号置位，并自锁首发故障停机位。试验模式结构如图4所示。在300s时间内，维修人员可对故障传感器进行故障诊断或测试。

图4　试验模式程序结构图

6.硬件检测程序设计

虽然PLC故障灯能发现故障，但不能确定哪个模块出现故障，PLC程序通过系统调用程序获取PLC各个模块的工作状态并通过组态显示在HMI上，方便维护人员查看硬件情况。

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收稿日期：（2016-01-11）

中图分类号：TP271

文献标识码：B

文章编号：1671-0711（2016）02-0045-03