天然气压缩机组控制系统浅析

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  【摘 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。
  【关键词】天然气 压缩机组 控制系统
  中图分类号:TD353.5 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)35-050-01
  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,本文通过对某压气站使用的美国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LOCAL/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(LCP)、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。(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)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。(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。(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)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。(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PLC结构示意图。为保证系统的可靠性,PLC的处理器按热备设计。PLC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。   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)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。
  (3)I/O模块。①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PLC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。②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。③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℃。④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24VDC电源由PLC系统提供。⑤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,0.58amps@48VDC;电阻电路:1amp@125VDC,1.5 amps@48VDC,输出有短路保护且与地隔离。
  (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。
  (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。
  (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
  1.5触摸屏。WAHLE CONTROL SYSTEMS采用的触摸屏为AB公司的PanelView1000+触摸屏,带有RS232串口通讯口、USB接口、TCP/IP接口、DH485、DH+等接口。
  3.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:(1)PLC程序编程软件。SLC500采用RSLogix500编程软件。(2)PLC用户通讯软件。SLC500采用RSLinx通讯软件。(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。
  4.结束语
  此机组控制系统结构紧凑,性能稳定可靠,具有很广泛的使用性和适用性。
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