天然氣壓縮機組控制系統(tǒng)仿真技術(shù)研究及應(yīng)用

何青海 馬 云 郝崇志

（吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密 839009）

天然氣壓縮機組控制系統(tǒng)仿真技術(shù)研究及應(yīng)用

何青海 馬 云 郝崇志

（吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密 839009）

通過半實物仿真技術(shù)建立了F3524GSI/ 2RDS-1天然氣壓縮機組PLC半實物仿真控制系統(tǒng)，并闡述了仿真系統(tǒng)的原理，同時開發(fā)了機組控制程序，總結(jié)了四種調(diào)試階段仿真方法，試驗仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可以真實地模擬現(xiàn)場機組運行情況。

仿真技術(shù)；F3524GSI/2RDS-1；天然氣壓縮機組；可編程邏輯控制器；控制系統(tǒng)；仿真方法

F3524GSI/2R DS-1天然氣壓縮機組控制系統(tǒng)屬于復(fù)雜控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測對象和物理量多、控制邏輯程序復(fù)雜，對于新設(shè)計的機組PLC控制系統(tǒng)來說，直接在現(xiàn)場進行PLC程序調(diào)試具有很大的風(fēng)險性，程序的某個錯誤或者缺陷有可能導(dǎo)致壓縮機組昂貴機械系統(tǒng)的損壞甚至危及到油氣處理場所的人身安全。半實物仿真是工程領(lǐng)域內(nèi)一種應(yīng)用較為廣泛的仿真技術(shù)，它更接近現(xiàn)場實際情況，能有效對壓縮機組控制邏輯進行有效實驗?zāi)M仿真。PLC硬件系統(tǒng)可以在現(xiàn)場安裝前對新編制的PLC程序、人機界面程序和通訊程序進行仿真調(diào)試、程序優(yōu)化，壓縮機組控制系統(tǒng)半實物仿真系統(tǒng)具有調(diào)試效果好、使用方便、安全等優(yōu)點，有效規(guī)避了機組現(xiàn)場測試風(fēng)險、縮短施工周期和降低了試機費用。

一、半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計

1.半實物仿真原理

為了模擬現(xiàn)場環(huán)境，將上位機人機界面程序的控件作為現(xiàn)場壓縮機組模擬設(shè)備，其包含啟動按鈕、ESD停機、加減載按鈕等主令器的仿真，機組震動、各缸缸溫等傳感器的仿真，發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制、回流閥等執(zhí)行器的仿真。使用modbus協(xié)議通訊軟件接收和發(fā)送通訊模塊數(shù)據(jù)來仿真瓦克夏ESM發(fā)送的發(fā)動機數(shù)據(jù)、DCS系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)。

2.仿真系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)下位機選用美國羅克韋爾公司的中型Compactlogix系列PLC，prosoft公司的NVI69-EMBS模塊是MODBUS 網(wǎng)絡(luò)和PLC之間的一個網(wǎng)關(guān)。其作為虛擬ESM和DCS系統(tǒng)的通訊模塊，現(xiàn)場觸摸屏選用panel View Plus 1000人機界面，工業(yè)以太網(wǎng)作為半實物仿真網(wǎng)絡(luò)，仿真計算機使用R Slogix5000軟件對整個系統(tǒng)進行仿真測試。整個半實物控制系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 半實物控制系統(tǒng)框架圖

F3524GSI/2R DS-1壓縮機組現(xiàn)場采集的信號多而雜，所以PLC還包括兩個1769-IQ16模塊，其用于采集現(xiàn)場機組啟動、停機、ESD停機等數(shù)字量輸入信號，1769-OB16模塊用于發(fā)送預(yù)潤滑、啟機等數(shù)字量輸出信號，1769-OF4模塊控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制和旁通閥，兩個1769-IF8和1769-IT6分別采集機組變送器和熱電偶模擬量輸入信號。發(fā)動機虛擬ESM發(fā)送的轉(zhuǎn)速、油壓等信號通過modbus協(xié)議傳送給NVI69-EMBS模塊，該模塊有兩個以太網(wǎng)接口，通過這兩個接口可與modbus設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，發(fā)動機的所有運行參數(shù)可通過modbus協(xié)議從ESM獲得，試驗中將端口一為主站，用于接收ESM的虛擬發(fā)動機信息，虛擬中控DCS需獲取機組運行參數(shù)，可設(shè)置端口2為從站。PLC將測試發(fā)動機運行參數(shù)通過NVI69-EMBS模塊發(fā)送至虛擬中控DCS系統(tǒng)。

二、軟件設(shè)計

1.控制器程序

C ompactlogix PLC系 列PLC程序開發(fā)使用的是R Slogix5000軟件，為提高編程效率，機組PLC程序采用模塊化編程思想，將機組控制器程序分為8個主子程序，程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對象是現(xiàn)實世界的實體或概念在計算機邏輯中的抽象表示。為提高編程效率，程序采用面向?qū)ο缶幊谭椒ǎ瑝嚎s機組對象包含溫度、液位、開關(guān)、震動等信號，經(jīng)過抽象，建立了機組運行狀態(tài)對象、模擬量采集對象、數(shù)字量采集等對象，通過采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ绦蜻M一步簡化、邏輯層級更加清晰。

2.HMI程序

通過Factorytalk view 提供的圖像控件、功能控件、權(quán)限策略、報警設(shè)置、故障記錄、可方便的將壓縮機組運行參數(shù)和控制器件顯示在HMI上，HMI程序包含panelview plus1000現(xiàn)場調(diào)試程序和用于模擬壓縮機組主令器件和傳感器的上位機程序。

3.PCB程序

PCB程序是NVI69-EMBS模塊的modbus配置程序、需對port1和port2端口的跳線、使能、主從站設(shè)置、波特率、奇偶校驗、停止位、modbus 設(shè)備地址、數(shù)據(jù)交換地址、失敗位校驗等設(shè)置，端口命令主要完成從機的站地址、指令的功能編碼、要讀寫數(shù)據(jù)的起始地址、讀寫數(shù)據(jù)的長度等，NVI69-EMBS模塊的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)分別寄存在readdata[60]和writedata[80]寄存器整數(shù)數(shù)值中，PLC通過該數(shù)組獲取ESM信息和發(fā)送DCS機組運行的工程量參數(shù)。

三、仿真方法

1.虛擬輸入調(diào)試法

圖2 PLC控制程序結(jié)構(gòu)圖

由于無法采集現(xiàn)場機組運行參數(shù)，可將代替輸入信號的中間繼電器做為數(shù)字量輸入信號。將代替輸入模擬信號的自定義整型函數(shù)作為輸入模擬量信號。具體做法是定義中間繼電器和整型數(shù)組，并且將其與輸入接口一一對應(yīng)，上位機程序作為對外部設(shè)備的仿真實現(xiàn)。通過Factorytalk view軟件制作上位機可視化操作程序，將控制柜按鈕（其包含啟動、預(yù)潤滑、停機、加減載按鈕、ESD停機按鈕）、機組數(shù)字量信號（如無油流開關(guān)、液位控制器、空冷器震動信號）、模擬量信號（發(fā)動機震動、進排壓、缸溫信號）顯示到上位機程序中。通過改變上位機“虛擬機組”主令器、傳感器的狀態(tài)值驗證程序的正確性。

2.時序?qū)Ρ确?/p>

時序?qū)Ρ确抡娣ㄊ峭ㄟ^理論設(shè)計的時序與實物仿真對比來驗證程序邏輯正確性的一種仿真方法。PLC程序的狀態(tài)信號采用生存周期策略方法，邏輯時序圖能清晰的反映主令器件、傳感器的運行狀態(tài)，仿真前應(yīng)繪制邏輯程序控制時序圖。對于程序中復(fù)雜的啟停機程序，時序如圖3所示，通過R slogix5000動態(tài)表格監(jiān)控與圖一所示的時序圖對比可驗證程序的正確性。

圖3 PLC啟停機時序圖

3.極端條件法

為驗證機組出現(xiàn)故障后，程序能否快模擬停機，使用了極端條件法來仿真程序?qū)收系姆磻?yīng)，對于現(xiàn)場的油溫高、排壓高、油壓低等模擬量信號，可將上位機程序的輸入值調(diào)于停機值以外或者調(diào)高報警值，對于無油流、空冷器震動等數(shù)字量信號，使用上位機制造人為故障來驗證程序的正確性。

4.歸類仿真法

歸類仿真法是將相似信號打包測試的仿真方法，通過此方法可提高測試效率，壓縮機組控制系統(tǒng)的相似信號可歸為7類，其分別為控制柜輸入信號、中控室輸入信號、現(xiàn)場開關(guān)量輸入信號、現(xiàn)場數(shù)字量輸出信號、溫度壓力變送器信號、熱電偶信號、發(fā)動機ESM信號。根據(jù)相似原則測試程序的正確性和可靠性，對于復(fù)雜的邏輯，需設(shè)置模擬數(shù)字混合仿真。

四、仿真試驗

控制系統(tǒng)各模塊按照如圖1所示的框架連接后，分別向 PLC和 panel V iew plus 1000下載程序，按照上述所述的四種仿真方法，通過上位機建立的虛擬發(fā)動機和modtest 軟件建立的虛擬ESM和中控DC S可方便仿真壓縮機組運行情況，在仿真過程中，通過不斷改進程序，使得控制系統(tǒng)在零開機和零故障的情況下真實的模擬了現(xiàn)場機組控制系統(tǒng)的基本情況。

五、結(jié)語

仿真系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，運用半實物仿真技術(shù)設(shè)計的壓縮機組控制系統(tǒng)不需現(xiàn)場硬件連接，使用方便安全，能真實地模擬機組現(xiàn)場環(huán)境，同時降低了系統(tǒng)調(diào)試的費用和安全風(fēng)險,特別是對大中型PLC控制系統(tǒng)的調(diào)試仿真,極具參考價值。

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