压缩机组控制系统升级浅谈

刘功银，丁建辉，李 平

（国家管网西部管道公司，乌鲁木齐 830000）

西二线某燃驱压缩机组采用ControlLogix 5000 PLC作为机组核心控制系统，该机组已投产10年，控制系统部分硬件已停产，备件难以采购。同时，压缩机组在运行过程中频发模块通讯超时报警，导致机组误停车故障，影响站内正常输送工艺。

1 机组控制系统升级必要性及可行性分析

1.1 控制系统升级必要性

工业控制系统随投用年限增加，硬件性能逐渐衰退，控制系统稳定性随之降低，进而影响燃驱压缩机连续稳定运行。该压缩机因控制系统硬件老化，数次出现停车故障，影响站内正常输送工艺。

工控系统软硬件更新换代较快，如：该机组2010年投产使用1756-L61控制器硬件已经停产，备件难以采购。软件平台已升级，由Logix 5000升级至Studio 5000。

开展ControlLogix升级技术研究，根治ControlLogix由于硬件老化导致的“疑难杂症”，同时升级后硬件可正常采购。

1.2 控制系统升级可行性

机组控制系统投用已有10年，ROCKWELL公司AB PLC作为工业自动化主流产品，产品处于不断升级换代中，软硬件设计向下兼容，软硬件升级可行。

2 控制系统升级关键技术分析

机组控制系统包括：1套顺控系统（冗余系统）、1套发动机控制系统、1套安全仪表系统。控制器机架使用1756系列模块，包括：CPU模块、ControlNet模块、以太网模块、本地I/O模块，远程I/O使用FLEX I/O 1794系列模块，包括：数字量、模拟量、热电阻、热电偶模块。控制器机架通过不同的控制网（ControlNet）与远程I/O通信。

2.1 系统升级硬件选型

控制器机架模块已停产，远程I/O模块未停产，因此升级控制器机架及相应模块。硬件应采用当前主流且工作稳定的产品，选择1756-L73控制器及配套产品作为升级后硬件，L6x与L7x产品特性差异对比见表1[1]。

表1 L6x与L7x产品特性Table 1 L6x and L7x product characteristics

升级L7x硬件后，处理器由单核变为双核，控制器处理能力提升。

2.2 系统升级软件选型

系统软件升级：该机组目前使用Logix 5000 V15版本软件，由于该站工程电脑系统已安装Logix 5000 V20版本授权且1756-L73控制器支持V20版本软件，综合成本及稳定性，将程序升级为Logix 5000 V20版本。

2.3 系统升级冗余架构

燃驱机组顺控系统为冗余系统，系统要求主、备PLC机架：电源、机架、模块型号、模块布置一致[1]。

ControlLogix固件采用支持V20版本软件最新固件包“20.058 Enhanced_kit2”[2]。

2.4 控制网组态及优化技术

ControlNet是面向控制层的实时性现场总线网络，网络通讯速率5 Mbps，单网络支持99个节点，ControlNet网络优化包括：

1）NUT设置：网络刷新时间一般为2 ms～100 ms，NUT必须大于模块RPI，程序组态中模块RPI要求最高为5 ms，为降低网络负荷，升级后NUT设置为5 ms。

2）Keeper设置：Keeper为ControlNe网络配置文件，不建议将Keeper存放于冗余机架（冗余切换时Keeper随之变化，可能出现短暂的生产者/消费者数据丢失）。

3）模块RPI设定：模块请求发送中断时间，定义模块对控制器交换信息的时间间隔。燃机控制实时性要求较高，如燃料控制、ESD保护等，应检查升级前后每个模块RPI设定一致。

2.5 HMI及SCADA通信

机组采用Intouch软件作为HMI（人机界面），HMI通过OPC协议读取PLC数据。SCADA系统通过RCI（远程通讯网关）采集数据，通过协议转换模块（Prosoft）将CIP协议转换为Modbus协议，RCI将Modbus协议转换为IEC104协议，传输至SCADA。

2.6 控制系统升级后功能检查

机组控制系统软硬件升级，相当于燃驱机组的“换脑手术”，需验证升级前后控制逻辑不发生变化，升级后每一个被控对象均正确动作。检查内容包括：

1）逻辑程序检查：程序代码升级前后一致。

2）设备状态检查：现场所有模拟量、数字量与PLC状态一致，例如：进出口阀门状态、油温、油泵状态、油压等。

3）设备单体测试：停机状态下检查燃料气电磁阀、放空阀、可转导叶、防喘阀、启动放气阀强制动作正常；润滑油泵、合成油泵、箱体通风风机、矿物油油冷风机等冗余系统启动、停止命令正常。

4）PLC控制器之间通信、PLC与HMI通信、PLC与消防系统通信正常。

5）ESD功能、超速保护功能、消防保护功能、安全继电器保护、振动保护等联锁保护功能正常。

6）盘车状态下检查：燃机相关参数正常反馈，液压启动系统正常，燃机滑油供应曲线正常。

7）启机过程检查：燃机滑油供应曲线正常，燃机轴承振动正常，升速降速正常，完成72 h测试。

3 控制系统升级及效果验证

按照控制系统升级关键技术分析，准备对软硬件进行升级。升级后机组各项验证测试结果正常，机组完成72 h运行测试。

3.1 升级前后通信中断故障处置情况

1）升级前，该机组数次出现：“发动机控制系统与顺控系统之间通信握手超时报警LSS65UC119”，导致机组误停机。

“LSS65UC119”逻辑：发动机系统与顺控系统控制器采用看门狗程序检测通信是否正常，控制器接收对端发送时钟值不断变化，通信正常。接收时钟值不变持续2 s以上则通信超时，执行停车逻辑。

图2 升级后冗余切换通信正常Fig.2 After upgrading, the redundant switching communication is normal

排查发现：由于PLC硬件老化、性能下降，在顺控系统冗余切换时，发动机系统和顺控系统数据通信中断时间3.5 s，超过逻辑跳机报警阈值，导致停车。冗余切换扰动，如图1。

图1 升级前冗余切换通信中断Fig.1 Communication interruption of redundancy switch before upgrade

2）升级后：进行30次冗余切换测试，30次冗余切换均正常，发动机系统和顺控系统数据通信中断时间为0 s。

通过控制系统软硬件升级，根治冗余切换握手超时误报警故障。

3.2 升级前后模块性能提升

1）控制器性能提升

控制器由L61升级为L73，处理器由单核变为双核，控制器内存、处理能力显著提升，CPU使用率由82.6%降低至32.4%。

2）ControlNet模块

冗余系统要求ControlNet模块CPU使用率小于75%[3]。升级前ControlNet模块平均使用率在40%～50%，峰值CPU利用率可达80%，升级后ControlNet模块CPU使用率维持在15%左右。

4 小结及建议

小结：控制系统升级，解决了冗余切换时控制器通信握手超时故障，控制系统硬件内存、处理能力、通信连接性能显著提升。同时，避免硬件停产、备件不足问题，升级技术可为其他输油气管线升级提供借鉴参考。

优化建议：随着技术进步，Rockwell公司PLC内部通信正逐渐由ControlNet向工业以太网过渡，相比同轴电缆5 Mbps通信速率，工业以太网通信能力有着质的飞跃，后续工程建议采用工业以太网作为通讯媒介。