一种天然气压缩机组控制系统浅析
天然气压缩机组控制系统浅析
论文提要：随着国际、国内油气工业的快速发展，特别是天然气工业的飞速发展，用于天然气增压的往复式天然气压缩机组被越来越多的使用，本文通过对L7044GSI/JGD4型往复式天然气压缩机组的控制系统进行分析，简单介绍了控制系统的结构组成与控制功能的实现。
前言
随着国际、国内油气工业的快速发展，特别是天然气工业的飞速发展，一种用于天然气增压的往复式天然气压缩机组（简称机组）被越来越多的用在长输管道增压输送，地下储气库高压注气，油田气举采油，油田天然气回注，煤层气处理，天然气发电，油气处理厂等场合，虽然不同应用场合下的机组的控制系统略有不同，本文通过对哈萨克斯坦KAM油田使用的美国HANOVER公司成撬的L7044GSI/JGD4型往复式天然气压缩机组控制系统WAHLE CONTROL SYSTEMS进行分析，简单介绍了控制系统的结构组成与控制功能的实现。
1.机组控制系统概述
机组控制系统（Unit Control System，简称UCS）或称机组就
地控制系统（Unit Local Control System，简称LCS）通常以就地
控制柜的形式安装在机组主撬上或机组主撬附近，由机组供应商成套提供。
机组控制系统主要由过程控制单元、操作员工作站、数据通信接口等构成，通常，过程控制单元采用可编程序逻辑控制器(PLC)，做为人机界面的操作员工作站采用带触摸屏的计算机。因此，机组控制系统实际上是一套以PLC为控制核心，用于机组逻辑顺序控制，PID 控制，实时数据处理，报警停机保护，联网通讯的自动控制系统，可完成单台机组及其辅助系统（空冷器系统、仪表气系统等）的控制。机组控制系统自成体系，独立于站控系统（SCS）以外。
UCS自动、连续地监视和控制压缩机组及其辅助系统的运行，保证人身和设备安全。具体来说，该系统至少满足以下性能：根据命令或条件，按预定程序自动完成机组的启动、加载、卸载和停机/紧急停机等操作；在所有工况下执行对机组的保护；在系统故障或误操作的情况下避免不安全的因素发生；在触摸屏上显示各种工艺变量及其它有关参数；提供声光报警；与SCS交换信息；接受SCS的操作命令。
UCS可实现多种操作方式选择，各种操作控制方式之间的切换无扰动且不会导致不安全的因素发生。因此，UCS可实现以下操作方式：就地（LOCAL）人工或自动控制、远程(REMOTE)自动控制(SCS或调度控制中心操作模式)、停机（OFF）。操作方式由安装在UCP上的LOC AL/REMOTE/OFF选择开关确定。就地控制方式优先于远程控制方式。处于停机模式时，不能启动机组，但各种变量/参数仍处于UCS的监视之下。在就地控制时，UCS不接受SCS或调度控制中心的命令，但各种变量/参数仍处于SCS或调度控制中心的监视之下。
ESD（紧急停机）控制命令优先于任何操作方式。无论ESD命令从何处下达及UCS处于何种操作方式，ESD控制命令均能被立即按预定的顺序执行。所有ESD系统的动作将发出闭锁信号，使机组在未接到人工复位的命令前不能再次启动。ESD系统和各种保护系统均设计为故障安全型。
UCS全自动的完成对机组及其辅助系统和相关联部分的监控，如（但不局限于此）：启动/停机顺序控制（包括各个阀门的顺序控制）；负荷控制；动力源控制（如电源等）；速度控制及保护停机；机组机械状态监测及保护停机；紧急停机（ESD）；辅助系统控制及保护；超温、过压控制及保护停机。
2．机组控制系统的结构组成
UCS的硬件组成主要包括可编程控制器（PLC）、就地控制柜（L CP）、就地检测仪表、控制阀门、控制开关、ESD系统以及辅助系统等。
2.1就地控制柜
就地控制柜通常包括触摸屏、开关、按钮、指示灯、24VDC电源等。就地控制柜选用钢质双门或单门标准尺寸柜，门上带安全锁。控制柜配备散热通风、照明等设施。控制柜的设计充分考虑了机柜内部和外部电线/电缆的布线空间。柜内机架与端子排的布置考虑了扩展
余地且方便维护、检修，柜内布线全部通过汇线槽，柜下端安装接地母线。控制柜满足所处环境的防爆等级要求。
2.1.1危险区域划分与正压通风
通常情况下，控制柜危险区域划分属于：1类，2区，D组。控制柜内的部件和控制柜本身的结构也必须符合1类，2区，D组的危险区域的要求。控制柜为微正压式，用仪表风吹扫，用于减轻现场环境对柜内部件的损害，用户负责向控制柜提供一个仪表风供气点。
2.1.2控制系统电源需求
用户负责向控制柜提供符合要求的电源：220VAC，1Ph，50Hz。供应商提供24VDC备用蓄电池。蓄电池安装在控制柜内。就地控制柜负责向发动机控制系统提供21.6-30VDC（最大尖峰电压2V，最小电流12Amps），用于发动机控制和点火。同时，向控制面板和末端设备提供16 Amps电流，向成套撬装电磁阀提供24 VDC。
2.1.3盘装开关、按钮和指示灯
控制柜前面板上安装的开关、按钮和指示灯主要有：控制盘电源开关、启动按钮、停机按钮、指示灯测试/复位按钮、空冷器风扇电机HOA开关、控制盘电源指示灯、机组运行指示灯、准备加载指示灯、测试模式指示灯、预润滑指示灯、空冷器风扇运行指示灯等。
2.2现场仪表
2.2.1成撬安装压力表
成撬安装压力表符合以下要求：用于工艺气的表盘尺寸为4.5″,用于辅助设备的表盘尺寸为2.5″,实体表面，开关表，不锈钢弹簧管、承孔和移动件，双单位显示，钢制脉动缓冲器，1/2″NPT接口。
2.1.2成撬安装温度表
成撬安装温度表符合以下要求：双金属,不锈钢构件，压封，表面调整，钢化玻璃，硅树脂涂层发条，双单位显示，全量程精度1%，3″表盘，1/2″NPT接口。
2.3 PLC
2.3.1 PLC组成
PLC安装于就地控制柜内，WAHLE CONTROL SYSTEMS使用AB公司的SLC500 PLC作为控制核心，主要由CPU模块、I/O模块、通讯模块、电源模块、安装附件等构成，采用模块式结构，图1为模块式P LC结构示意图。为保证系统的可靠性，PLC的处理器按热备设计。P LC所选用的模块为带电可插拔型模块，且每块模块带有自诊断功能。PLC系统能够满足所需的热备冗余配置要求。对硬件的地址分配设置、I/O的量化等采用组态的方式完成。
图1 模块式PLC结构示意图
WAHLE CONTROL SYSTEMS采用的SLC500 PLC主要由1个CPU模块、1个10槽机架、1个7槽机架、2个电源模块、3个16-PT输入模块、2个16-PT输出模块、1个8-PT 模拟输入模块、1个4-PT模拟输出模块、1个4-PT模拟输入模块、2个8-PT RTD输入模块、3个8-PT TC输入模块、1个通讯模块、1条通讯电缆等组成。
作为控制系统的核心，SLC500通过专用通讯电缆与MMI（人机界面——触摸屏控制面板）通讯，实现机组的实时监控、参数调整、数据处理等，技术人员还可以通过工程师工作站与SLC500进行通讯，进行相应权限内的操作。
2.3.2 SLC5/04 CPU模块
SLC5/04 CPU模块前面板由一个三位选择开关、三个通讯接口和六个指示灯组成，侧面有存储器模块、电池、跳线设定和铭牌等。图2为SLC5/04 CPU模块结构示意图。
图2 SLC5/04 CPU模块结构示意图
2.3.3 I/O模块
⑴模拟输入模块1746-NI8
模/数转换器为16位,共模抑制比100dB,输入相互隔离。模拟量输入模块上有报警限位设定。供给现场两线制变送器24VDC电源由P
LC系统提供。输入信号4～20mA或1～5VDC可任选，有源输入或无源输入可任选。
⑵模拟输出模块1746-NO4I
数/模转换器为14位,输出0～20mA或4～20mA信号，具有输出隔离，具有短路保护和断路报警等功能。带负载能力不小于500Ω。
⑶热电阻输入模块1746-NR8
接收现场采用的三线制或四线制热电阻信号。热电阻主要技术特性为：Pt100，α＝0.00385Ω/Ω/℃，100Ω@0℃。
⑷数字量输入模块1746-IB16
数字量输入模块采用光电隔离,工作电压范围10-30 VDC，额定输入电流8mA（24VDC），输入与地隔离。现场触点为无源型。所需2 4VDC电源由PLC系统提供。
⑸数字量输出模块1746-OW16
1746-OW16模块电压范围5-146VDC&5-265VDC，接点容量：电感电路：0.22amps@125VDC，
2.3.4通信模块3150MCM
SLC500采用MODBUS通信模块，能完成不同通信协议间的转换，带有2个Modbus通信接口，通信速度可在300～38400bit/s之间任选，1个TCP/IP接口。
2.3.5电源模块1746-P3
PLC系统向现场二线制仪表回路、无源触点以及继电器提供符合要求的24VDC电源（冗余）。24VDC电源的配电由供货商负责。为模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出等不同类型的I/O模块提供独立的24VDC供电回路，每个供电回路应设置双刀断路器。
2.3.6安装附件
用于安装可编程序逻辑控制器，包括输入/输出模块等设备的全部安装附件、机架、内部连接电缆（线）、与现场信号连接的端子排等,安装附件按20%的余量设计。
2.4操作员工作站
供货商为机组配备1套操作员工作站。操作员工作站即控制柜的控制面板。操作员工作站是操作人员与控制系统的人机界面，操作员通过它可详细了解运行情况，并可下达操作控制命令，从而完成对机组的监控和管理。
操作员工作站将直接与PLC交换数据，它具有数据采集及处理、实时及历史数据的管理、动态工艺流程及其他图形的显示、报警/事
件管理、报表生成及打印等功能。在远控模式时，关闭操作员工作站不对UCS的信号传输、运行有任何影响。
2.5发动机控制系统—ESM?
ESM?是发动机总体管理系统，行使点火控制、速度控制、爆燃检测、起停控制、故障诊断、故障记录和报警停机等功能。
ESM?控制发动机启停的逻辑框图如下图3-图5
图3 启动逻辑框图
图4 停机逻辑框图
图5 紧急停机逻辑框图
1.5触摸屏
WAHLE CONTROL SYSTEMS采用的触摸屏为AB公司的PanelView10 00+触摸屏，带有RS232串口通讯口、USB接口、TCP/IP接口、DH48 5、DH+等接口。
4．控制系统软件
为完成机组控制任务，机组控制系统配备了如下软件
4.1 PLC程序编程软件
SLC500采用RSLogix500编程软件。
4.2 PLC用户通讯软件
SLC500采用RSLinx通讯软件。
4.3 MMI组态软件
PanelView1000+采用PanelBuilder32组态软件。该软件具有强大的图形编辑、显示功能，具有支持三维图的编辑、显示能力。支持多窗口显示及动态画面显示。具有通信管理、数据库管理、动态和静态画面编辑、文本编辑、在线帮助、实时趋势编辑显示、历史趋势编辑显示、报警管理、事件管理、报告管理、打印等功能模块。