压缩机控制系统功能模块配置方案的讨论

吴佳欢 王书惠 吴 刚

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085)

压缩机控制系统功能模块配置方案的讨论

吴佳欢 王书惠 吴 刚

(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085)

就系统实施、数据传输、安全防护、抗干扰性及后期维护等方面，对压缩机控制系统过程层的典型配置方案进行了讨论与对比，并给出推荐的配置方案。

压缩机控制系统 过程层 配置方案

压缩机是石油化工、天然气输送等领域广泛使用的大型关键增压设备[1]。为实现压缩机的各类复杂控制(防喘振控制[2]、负荷分配控制[3]等)和操作，确保压缩机及其输送管网的安全、稳定运行，满足实际生产要求，各类压缩机控制系统及系统的改进和优化方案相继出现[4,5]。张学军提出了一种采用分布式控制架构的天然气压缩机组过程监控系统，单机控制功能的分散提高了系统的可靠性，监视和操作的集中增强了系统功能[6]。陈曦和汤雪松设计了一种固定式压缩机站控系统，其结构合理，能够自动控制并调节整个生产过程，控制性能可靠，调节及时高效[7]。赵庆林从可靠性、可用性和可维护性角度给出了一种以以太网为基础的压缩机集群控制网络拓扑结构，包括硬件配置、软件配置和组态的设计原则[8]。

在压缩机控制系统设计中，系统各功能模块在压缩机撬内机箱、撬旁就地设备间和中央控制室的配置方案是系统设计的关键问题之一，对压缩机控制系统的实施、运行及后期维护等具有较大影响。为此，笔者从多方面对压缩机控制系统过程层的典型配置方案进行了详细讨论与对比，最终给出推荐的配置方案。

1 压缩机控制系统总体架构①

压缩机控制系统的硬件设备可分为3层，其总体架构如图1所示。第1层为现场执行层，主要包括检测仪表、传感器及执行器等现场设备，现场传输信号包括模拟信号、数字信号等。第2层为过程层，是压缩机控制系统的核心单元，主要包括数据采集模块、就地控制盘(LCP)、集中控制盘(UCP)及其他控制功能模块等。该层可按照组态好的控制策略对压缩机各生产过程进行实时控制，实现顺序控制、逻辑控制、防喘振控制及负荷分配控制等功能。第3层为监控与管理层，主要包括利用工业控制计算机构建的工程师站和操作员站，可实时监测压缩机相关工艺过程参数和装置的工作状态，实现压缩机组设备的自动开车、系统故障显示及自动停车等，并能实时查看、打印各项参数的动态曲线，对历史趋势进行调用分析。

图1 压缩机控制系统总体架构

2 配置方案

压缩机控制系统3层硬件设备的配置方案是系统设计的关键问题之一。现场执行层的测量元件、变送器及调节阀等通常配置在压缩机撬内机箱；监控与管理层通常配置在中央控制室；过程层根据实际工程或生产需求可配置在压缩机撬内机箱、压缩机撬旁就地设备间或中央控制室。为此，笔者着重对过程层的配置方案进行讨论。

方案一过程层配置在中央控制室(图2)。该方案中，压缩机撬内仅有测量元件、变送器及调节阀等。压缩机撬的所有信号通过电缆分别传送至中央控制室。系统的过程层、监控与管理层均配置在中央控制室。压缩机的监测、调试与控制均在中央控制室完成。

图2 过程层配置方案一

方案二、三过程层配置在压缩机撬内机箱(图3)、撬旁就地设备间(图4)。为实现在现场对压缩机进行监测、调试与控制，方案二中，压缩机撬内机箱配置液晶显示屏；方案三中，就地设备间配置液晶显示屏、工程师站或工程师兼操作员站等。方案二、三中，压缩机撬内机箱或撬旁就地设备间的压缩机监测与控制信号通过冗余光缆或电缆同步传送到中央控制室的机柜间。中央控制室的操作员站、工程师站也可以进行压缩机的监测、调试与控制。另外，在有些方案中中央控制室设置了辅助操作台，并配有操作按钮、紧急停车按钮及报警指示灯等。

关于中央控制室人机交互界面与就地设备间的一致性问题，通常，监测软件给出的压缩机运行监控数据可以进行实时同步。在该配置下，相关操作人员可在就地设备间或中央控制室对压缩机进行调试与控制。通常，压缩机的主要控制与调试将在中央控制室完成，压缩机撬内机箱的控制按钮只涉及压缩机的启停等简单控制。就地设备间的控制功能只在压缩机运行前期或调试、检修时采用，或在通信失败等紧急情况时作为远程备用操作。

图3 过程层配置方案二

注:某些控制功能要求相对简单的工程案例也可能不含UCP，由撬内LCP直接将压缩机相关信号通过光缆传送至中央控制室的过程控制系统中；UCP的安装位置可根据项目的实际情况进行调整，也可以安装在就地设备间或中央控制室。

图4 过程层配置方案三

3 配置方案讨论

压缩机控制系统实施的可行性、数据传输的可靠性、安全防护、就地振动、电磁干扰及后期维护等是系统运行的关键问题。针对这些问题，3种压缩机控制系统过程层配置方案的对比见表1。

表1 3种压缩机控制系统过程层配置方案的对比

方案一中，如果中央控制室与压缩机撬的距离在500m以上，就可能存在电缆成本较高、信号电缆阻抗较大及信号衰减严重等问题，降低了数据传输的可靠性。对于多台压缩机组控制信号量大、控制逻辑复杂的情况，方案一将造成大量电缆分散进入中央控制室，导致中央控制室内部电缆量过大，逻辑关系过于复杂，加大了后期维护的难度。

由于方案二对机箱的安全防护、防爆等级要求较高，而且受就地振动、电磁干扰、通风及防尘等环境因素影响较大，因此，方案二主要用于小型压缩机，如往复式压缩机、小型空压机等。

方案三缓解了就地振动、电磁干扰等环境因素对压缩机控制系统的影响，因而成为近年来大型石化项目中的主流设计方案，也是目前各压缩机厂家的常用优选方案。

4 结束语

笔者阐述了压缩机控制系统的总体架构及其过程层在中央控制室、压缩机撬内机箱和撬旁就地设备间的典型配置方案，并从系统的实施、数据传输、安全防护及后期维护等方面详细讨论了这3种典型配置方案的优缺点。指出将压缩机控制系统的过程层配置在压缩机撬旁就地设备间的方案具有良好的安全性、可靠性和可维护性，是近年来大型石化项目中的主流设计方案，可作为压缩机控制系统功能模块配置的推荐方案。

[1] 李鹤,杨铎,闻邦椿,等.大型压缩机管道系统振动现场测试与控制[J].振动与冲击,2007,26(4):158～160.

[2] 祝旭彤,张瑾.空气压缩机新型防喘振控制系统原理及应用[J].化工自动化及仪表,2005,32(5):71～72.

[3] 张鹏.管道压缩机的负荷分配控制[J].风机技术,2014,(z1):102～105.

[4] 史成武.裂解装置甲烷膨胀压缩机控制系统浅析[J].化工自动化及仪表,2003,30(4):62～64.

[5] 王乐.压缩机冷却风扇控制系统的技术改进[J].化工自动化及仪表,2004,31(1):76～77.

[6] 张学军.大型工业天然气压缩机站分布式监控系统[J].化工自动化及仪表,2010,37(1):105～108.

[7] 陈曦,汤雪松.基于PLC 的固定式压缩机站控系统[J].化工自动化及仪表,2015,42(9):1054～1056.

[8] 赵庆林.压缩机集中监控的实现[J].化工自动化及仪表,2012,39(3):403～407.

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DiscussionofFunctionModulesConfigurationofCompressorControlSystem

WU Jia-huan, WANG Shu-hui, WU Gang

(BeijingCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.，Beijing100085,China)

Starting with the control system implementation, data transmission, safety protection, anti-interference and maintenance, the process layer’s typical configuration of compressor’s control system was discussed and compared so as to propose a proper configuration scheme.

compressor control system, process layer, configuration scheme

TH862+.7

A

1000-3932(2016)10-1094-03

2016-04-14(修改稿)