天然氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)淺析論文_優(yōu)秀論文

1、 天然氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)淺析論文論文關(guān)鍵詞：天然氣壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)論文提要：隨著國際、國內(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)組被越來越多的使用, 本文通過對(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)。前言隨著國際、國內(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（簡稱機(jī)組）被越來越多的用在長輸管道增壓輸送, 地下儲(chǔ)氣庫高壓注氣, 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)

2、合下的機(jī)組的控制系統(tǒng)略有不同, 本文通過對(duì)哈薩克斯坦KAM油田使用的美國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)WAHLECONTROLSYSTEMS進(jìn)行分析, 簡單介紹了控制系統(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)（UnitControlSystem, 簡稱UCS）或稱機(jī)組就地控制系統(tǒng)（UnitLocalControlSystem, 簡稱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, 過程控制單元采用可編程序邏輯控制

3、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。具體來說, 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)

4、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SC

5、S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）：啟動(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

6、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)布線全部通過匯線槽, 柜下端安裝接地母線。控制柜滿足所處環(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?？刂乒駜?nèi)的部件和控制柜本身

7、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? 用儀表風(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16Amps電流, 向成套撬裝電磁閥提供24VDC。2.1.3盤裝開關(guān)、按鈕和指示燈控制柜前面板上安裝的開關(guān)、按鈕和指示燈主要有

8、：控制盤電源開關(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開關(guān)、控制盤電源指示燈、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：用于工藝氣的表盤尺寸為4.5,用于輔助設(shè)備的表盤尺寸為2.5,實(shí)體表面, 開關(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, 1/2NPT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, 硅樹脂涂層發(fā)條, 雙單位顯示, 全量程精度1%, 3表盤, 1/2NPT接

9、口。2.3PLC2.3.1PLC組成PLC安裝于就地控制柜內(nèi), WAHLECONTROLSYSTEMS使用AB公司的SLC500PLC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。WAHLECONTROLSYSTEMS采用的SLC500PLC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

10、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-PTRTD輸入模塊、3個(gè)8-PTTC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。2.3.2SLC5/04CPU模塊SLC5/04CPU模塊前面板由一個(gè)三位選擇開關(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S

11、LC5/04CPU模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖2SLC5/04CPU模塊結(jié)構(gòu)示意圖2.3.3I/O模塊模擬輸入模塊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)420mA或15VDC可任選, 有源輸入或無源輸入可任選。模擬輸出模塊1746-NO4I數(shù)/模轉(zhuǎn)換器為14位,輸出020mA或420mA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500。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, 0.003

12、85/, 1000。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10-30VDC, 額定輸入電流8mA（24VDC）, 輸入與地隔離?，F(xiàn)場(chǎng)觸點(diǎn)為無源型。所需24VDC電源由PLC系統(tǒng)提供。數(shù)字量輸出模塊1746-OW161746-OW16模塊電壓范圍5-146VDC&5-265VDC, 接點(diǎn)容量：電感電路：0.22amps125VDC, 0.58amps48VDC；電阻電路：1amp125VDC, 1.5amps48VDC, 輸出有短路保護(hù)且與地隔離。2.3.4通信模塊3150MCMSLC500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

13、個(gè)Modbus通信接口, 通信速度可在30038400bit/s之間任選, 1個(gè)TCP/IP接口。2.3.5電源模塊1746-P3PLC系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)二線制儀表回路、無源觸點(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

14、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WAHLECONTROLSYSTEMS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：4.1PLC程序編程軟件SLC500采用RSLogix500編程軟件。4.2PLC用戶通