論文提要：隨著國際、國內油氣工業的快速發展，特別是天然氣工業的飛速發展，用于天然氣增壓的往復式天然氣壓縮機組被越來越多的使用，本文通過對L7044GSI/JGD4型往復式天然氣壓縮機組的控制系統進行分析，簡單介紹了控制系統的結構組成與控制功能的實現。
前 言
隨著國際、國內油氣工業的快速發展，特別是天然氣工業的飛速發展，一種用于天然氣增壓的往復式天然氣壓縮機組（簡稱機組）被越來越多的用在長輸管道增壓輸送，地下儲氣庫高壓注氣，油田氣舉采油，油田天然氣回注，煤層氣處理，天然氣發電，油氣處理廠等場合，雖然不同應用場合下的機組的控制系統略有不同，本文通過對哈薩克斯坦KAM油田使用的美國HANOVER公司成撬的L7044GSI/JGD4型往復式天然氣壓縮機組控制系統WAHLE CONTROL SYSTEMS進行分析，簡單介紹了控制系統的結構組成與控制功能的實現。
1.機組控制系統概述
機組控制系統（Unit Control System，簡稱UCS）或稱機組就地控制系統（Unit Local Control System，簡稱LCS）通常以就地控制柜的形式安裝在機組主撬上或機組主撬附近，由機組供應商成套提供。
機組控制系統主要由過程控制單元、操作員工作站、數據通信接口等構成，通常，過程控制單元采用可編程序邏輯控制器(PLC)，做為人機界面的操作員工作站采用帶觸摸屏的計算機。因此，機組控制系統實際上是一套以PLC為控制核心，用于機組邏輯順序控制，PID控制，實時數據處理，報警停機保護，聯網通訊的自動控制系統，可完成單臺機組及其輔助系統（空冷器系統、儀表氣系統等）的控制。機組控制系統自成體系，獨立于站控系統（SCS）以外。
UCS自動、連續地監視和控制壓縮機組及其輔助系統的運行，保證人身和設備安全。具體來說，該系統至少滿足以下性能：根據命令或條件，按預定程序自動完成機組的啟動、加載、卸載和停機/緊急停機等操作；在所有工況下執行對機組的保護；在系統故障或誤操作的情況下避免不安全的因素發生；在觸摸屏上顯示各種工藝變量及其它有關參數；提供聲光報警；與SCS交換信息；接受SCS的操作命令。
UCS可實現多種操作方式選擇，各種操作控制方式之間的切換無擾動且不會導致不安全的因素發生。因此，UCS可實現以下操作方式：就地（LOCAL）人工或自動控制、遠程(REMOTE)自動控制(SCS或調度控制中心操作模式)、停機（OFF）。操作方式由安裝在UCP上的LOCAL/REMOTE/OFF選擇開關確定。就地控制方式優先于遠程控制方式。處于停機模式時，不能啟動機組，但各種變量/參數仍處于UCS的監視之下。在就地控制時，UCS不接受SCS或調度控制中心的命令，但各種變量/參數仍處于SCS或調度控制中心的監視之下。
ESD（緊急停機）控制命令優先于任何操作方式。無論ESD命令從何處下達及UCS處于何種操作方式，ESD控制命令均能被立即按預定的順序執行。所有ESD系統的動作將發出閉鎖信號，使機組在未接到人工復位的命令前不能再次啟動。ESD系統和各種保護系統均設計為故障安全型。
UCS全自動的完成對機組及其輔助系統和相關聯部分的監控，如（但不局限于此）：啟動/停機順序控制（包括各個閥門的順序控制）；負荷控制；動力源控制（如電源等）；速度控制及保護停機；機組機械狀態監測及保護停機；緊急停機（ESD）；輔助系統控制及保護；超溫、過壓控制及保護停機。
2．機組控制系統的結構組成
UCS的硬件組成主要包括可編程控制器（PLC）、就地控制柜（LCP）、就地檢測儀表、控制閥門、控制開關、ESD系統以及輔助系統等。
2.1就地控制柜
就地控制柜通常包括觸摸屏、開關、按鈕、指示燈、24VDC電源等。就地控制柜選用鋼質雙門或單門標準尺寸柜，門上帶安全鎖。控制柜配備散熱通風、照明等設施。控制柜的設計充分考慮了機柜內部和外部電線/電纜的布線空間。柜內機架與端子排的布置考慮了擴展余地且方便維護、檢修，柜內布線全部通過匯線槽，柜下端安裝接地母線。控制柜滿足所處環境的防爆等級要求。
2.1.1危險區域劃分與正壓通風
通常情況下，控制柜危險區域劃分屬于：1類，2區，D組。控制柜內的部件和控制柜本身的結構也必須符合1類，2區，D組的危險區域的要求。控制柜為微正壓式，用儀表風吹掃，用于減輕現場環境對柜內部件的損害，用戶負責向控制柜提供一個儀表風供氣點。
2.1.2控制系統電源需求
用戶負責向控制柜提供符合要求的電源：220VAC，1Ph，50Hz。供應商提供24VDC備用蓄電池。蓄電池安裝在控制柜內。就地控制柜負責向發動機控制系統提供21.6-30VDC（最大尖峰電壓2V，最小電流12Amps），用于發動機控制和點火。同時，向控制面板和末端設備提供16 Amps電流，向成套撬裝電磁閥提供24 VDC。
2.1.3盤裝開關、按鈕和指示燈
控制柜前面板上安裝的開關、按鈕和指示燈主要有：控制盤電源開關、啟動按鈕、停機按鈕、指示燈測試/復位按鈕、空冷器風扇電機HOA開關、控制盤電源指示燈、機組運行指示燈、準備加載指示燈、測試模式指示燈、預潤滑指示燈、空冷器風扇運行指示燈等。
2.2現場儀表
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″,用于輔助設備的表盤尺寸為2.5″,實體表面，開關表，不銹鋼彈簧管、承孔和移動件，雙單位顯示，鋼制脈動緩沖器，1/2″NPT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,不銹鋼構件，壓封，表面調整，鋼化玻璃，硅樹脂涂層發條，雙單位顯示，全量程精度1%，3″表盤，1/2″NPT接口。
2.3 PLC
2.3.1 PLC組成
PLC安裝于就地控制柜內，WAHLE CONTROL SYSTEMS使用AB公司的SLC500 PLC作為控制核心，主要由CPU模塊、I/O模塊、通訊模塊、電源模塊、安裝附件等構成，采用模塊式結構，圖1為模塊式PLC結構示意圖。為保證系統的可靠性，PLC的處理器按熱備設計。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系統能夠滿足所需的熱備冗余配置要求。對硬件的地址分配設置、I/O的量化等采用組態的方式完成。
圖1 模塊式PLC結構示意圖
WAHLE CONTROL SYSTEMS采用的SLC500 PLC主要由1個CPU模塊、1個10槽機架、1個7槽機架、2個電源模塊、3個16-PT輸入模塊、2個16-PT輸出模塊、1個8-PT 模擬輸入模塊、1個4-PT模擬輸出模塊、1個4-PT模擬輸入模塊、2個8-PT RTD輸入模塊、3個8-PT TC輸入模塊、1個通訊模塊、1條通訊電纜等組成。
作為控制系統的核心，SLC500通過專用通訊電纜與MMI（人機界面——觸摸屏控制面板）通訊，實現機組的實時監控、參數調整、數據處理等，技術人員還可以通過工程師工作站與SLC500進行通訊，進行相應權限內的操作。
2.3.2 SLC5/04 CPU模塊
SLC5/04 CPU模塊前面板由一個三位選擇開關、三個通訊接口和六個指示燈組成，側面有存儲器模塊、電池、跳線設定和銘牌等。圖2為SLC5/04 CPU模塊結構示意圖。
圖2 SLC5/04 CPU模塊結構示意圖
2.3.3 I/O模塊
⑴模擬輸入模塊1746-NI8
模/數轉換器為16位,共模抑制比100dB,輸入相互隔離。模擬量輸入模塊上有報警限位設定。供給現場兩線制變送器24VDC電源由PLC系統提供。輸入信號4～20mA或1～5VDC可任選，有源輸入或無源輸入可任選。
⑵模擬輸出模塊1746-NO4I
數/模轉換器為14位,輸出0～20mA或4～20mA信號，具有輸出隔離，具有短路保護和斷路報警等功能。帶負載能力不小于500Ω。
⑶熱電阻輸入模塊1746-NR8
接收現場采用的三線制或四線制熱電阻信號。熱電阻主要技術特性為：Pt100，α＝0.00385Ω/Ω/℃，100Ω@0℃。
⑷數字量輸入模塊1746-IB16
數字量輸入模塊采用光電隔離,工作電壓范圍10-30 VDC，額定輸入電流8mA（24VDC），輸入與地隔離。現場觸點為無源型。所需24VDC電源由PLC系統提供。
⑸數字量輸出模塊1746-OW16
1746-OW16模塊電壓范圍5-146VDC&5-265VDC，接點容量：電感電路：0.22amps@125VDC，0.58amps@48VDC；電阻電路：1amp@125VDC，1.5 amps@48VDC，輸出有短路保護且與地隔離。
2.3.4通信模塊3150MCM
SLC500采用MODBUS通信模塊，能完成不同通信協議間的轉換，帶有2個Modbus通信接口，通信速度可在300～38400bit/s之間任選，1個TCP/IP接口。
2.3.5電源模塊1746-P3
PLC系統向現場二線制儀表回路、無源觸點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責。為模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸入、數字量輸出等不同類型的I/O模塊提供獨立的24VDC供電回路，每個供電回路應設置雙刀斷路器。
2.3.6安裝附件
用于安裝可編程序邏輯控制器，包括輸入/輸出模塊等設備的全部安裝附件、機架、內部連接電纜（線）、與現場信號連接的端子排等,安裝附件按20%的余量設計。
2.4操作員工作站
供貨商為機組配備1套操作員工作站。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的人機界面，操作員通過它可詳細了解運行情況，并可下達操作控制命令，從而完成對機組的監控和管理。
操作員工作站將直接與PLC交換數據，它具有數據采集及處理、實時及歷史數據的管理、動態工藝流程及其他圖形的顯示、報警/事件管理、報表生成及打印等功能。在遠控模式時，關閉操作員工作站不對UCS的信號傳輸、運行有任何影響。
2.5發動機控制系統—ESM®
ESM®是發動機總體管理系統，行使點火控制、速度控制、爆燃檢測、起停控制、故障診斷、故障記錄和報警停機等功能。
ESM®控制發動機啟停的邏輯框圖如下圖3-圖5：
圖3 啟動邏輯框圖
圖4 停機邏輯框圖
圖5 緊急停機邏輯框圖
1.5觸摸屏
WAHLE CONTROL SYSTEMS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．控制系統軟件
為完成機組控制任務，機組控制系統配備了如下軟件：
4.1 PLC程序編程軟件
SLC500采用RSLogix500編程軟件。
4.2 PLC用戶通訊軟件
SLC500采用RSLinx通訊軟件。
4.3 MMI組態軟件
PanelView1000+采用PanelBuilder32組態軟件。該軟件具有強大的圖形編輯、顯示功能，具有支持三維圖的編輯、顯示能力。支持多窗口顯示及動態畫面顯示。具有通信管理、數據庫管理、動態和靜態畫面編輯、文本編輯、在線幫助、實時趨勢編輯顯示、歷史趨勢編輯顯示、報警管理、事件管理、報告管理、打印等功能模塊。
5.結束語
此機組控制系統結構緊湊，性能穩定可靠，具有很廣泛的使用性和適用性。
