西門子 PLC在離心式壓縮機控制中的應用

內(nèi)容提要：本文以某壓氣站的離心式壓縮機為例，介紹西門子PLC在壓縮機控制系統(tǒng)中的應用。對系統(tǒng)從軟件、硬件及控制原理上進行詳細的說明。結(jié)合實際操作注意事項，希望對輸氣行業(yè)，特別是從事壓縮機運行行業(yè)的業(yè)內(nèi)人士有一定的幫助。 主題詞：離心式壓縮機  PLC  上位機  SCADA  ESD 伴隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各種產(chǎn)業(yè)對能源需求的急劇增長，天然氣作為一種新型、環(huán)保、廉價的能源越來越為眾多用戶所青睞。逐漸出現(xiàn)了一種供不應求的緊張局面。天然氣的高效輸送因此也成為了各大生產(chǎn)運行單位科研部門主要研究的方向及目標。 目前我國天然氣輸送行業(yè)主要以管道輸送為主，同時存在氣瓶輸送、固態(tài)輸送等多種形式。在長輸天然氣管道中，為增加輸氣效率，一般都建有中間壓氣站，即利用壓縮機將其他形式的能量，如電能、機械能等，轉(zhuǎn)化為壓力能，從而達到增加單位時間輸送量和輸送速度的目的。 而離心式壓縮機因為其效率高、維護量低、故障率低等諸多特點，漸漸在各類壓縮機中脫穎而出，成為新建壓氣站的首選機型。離心式壓縮機用于壓縮氣體的主要工作部件是高速旋轉(zhuǎn)的葉輪和通流面積逐漸增加的擴壓器。簡而言之，離心式壓縮機的工作原理是通過葉輪對氣體作功，在葉輪和擴壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓作用和降速擴壓作用，將機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能。 1．工藝簡介 本文系統(tǒng)主要由4臺壓縮機組組成，由SIEMENS公司的變頻調(diào)速電機驅(qū)動的MAN TURBO公司的RV050/04型離心式天然氣壓縮機組。機組進氣氣源設計有中、低壓兩種氣源。 2.控制系統(tǒng)配置及說明 2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)； 系統(tǒng)以西門子S7－400 系列PLC為核心控制部件，通過光纖以太網(wǎng)實現(xiàn)與現(xiàn)場下位機的通訊，上位機采用西門子WINCC工控軟件，通過人機界面HMI監(jiān)控運行參數(shù)、下發(fā)啟停機、工藝調(diào)整等命令。如圖1：

下位機，即單臺機組控制單元，同樣以西門子S7－400 PLC為核心控制元件，通過PROFIBUS專用網(wǎng)路與之相連的分布式I/O機架ET200M現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊，完成數(shù)據(jù)采集，下發(fā)啟停機、工藝調(diào)整等控制命令。通過硬接線的方式完成變頻器的監(jiān)控。同時還設置有如下相對獨立的檢測控制系統(tǒng)： 2．1.1 Bently震動檢測系統(tǒng)，通過modbus協(xié)議與之實現(xiàn)通訊。 2．1.2 HIMA ESD系統(tǒng)，通過PROFIBUS專用網(wǎng)絡與之實現(xiàn)通訊。系統(tǒng)采用了安全等級最高的故障安全型控制系統(tǒng)Planar 4，第四代固態(tài)邏輯硬接線系統(tǒng)。通過T?V的嚴格認證，系統(tǒng)達到目前國際上最高安全等級SIL4/ AK7。它被廣泛地用于高風險生產(chǎn)過程的安全保護，如高壓聚乙烯、加氫裂化、海上采油平臺的HIPPS等。具有自診斷和集中通訊功能，數(shù)據(jù)采集時間小于4ms。 2．1.3 MCC 馬達控制中心，通過PROFIBUS專用網(wǎng)絡與之實現(xiàn)通訊，完成機組冷卻風扇，潤滑油泵等的控制。 2．2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)； 本系統(tǒng)PLC軟件采用STEP 7軟件，程序語言使用連續(xù)功能圖CFC,使程序條理清晰，易于理解。上位機HMI采用工控軟件WINCC。震動檢測系統(tǒng)和HMIA ESD 系統(tǒng)分別有各自專用的組態(tài)軟件。 2．2.1 PLC下位機軟件 STEP 7是西門子公司PLC產(chǎn)品專用編程組態(tài)軟件，具有FDB、CFC、SFC、梯形圖等多種編程方式。根據(jù)工藝要求及壓縮機組控制特點，本工程采用CFC順序功能圖進行編程控制。程序主要分為一下幾部分： 2．2.1.1 壓縮機組單機控制程序：①數(shù)據(jù)采集；②閥門控制；③啟、停機順序控制；④油系統(tǒng)控制；⑤防喘控制；⑥第三方通訊；如圖2：數(shù)據(jù)采集邏輯程序

2．2.1.2 壓縮機組聯(lián)合控制：①進、出口壓力控制；②流量控制；③第三方通訊；如圖3：流量采集程序

2．2.2 上位機軟件 本系統(tǒng)上位機由互為冗余的兩臺服務器和一臺客戶端組成。硬件為主流配置的工控計算機，軟件采用西門子公司的WINCC工控軟件，WINCC是西門子公司與微軟公司聯(lián)合開發(fā)的產(chǎn)物，在Windows 98或NT4．0以及基于NT 核心的 Windows2000/ xp/2003 操作系統(tǒng)下運行。 WinCC是在生產(chǎn)過程自動化中解決可視化和控制任務的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、信息歸檔以及報表的功能模板。高性能的過程藕合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)傳送使其具有高度的實用性。 HMI人機界面主要由以下幾部分組成： 2．2.2.1 總攬圖：三臺機組的總攬圖，包括機組運行狀態(tài)，當前工藝流程狀態(tài)及重要的運行參數(shù)。 2．2.2.2 單機總攬圖：單擊的總攬圖，包括機組的各監(jiān)測點實時運行數(shù)值，當前工作狀態(tài)等。 2．2.2.3 防喘控制：運行機組的防喘控制界面，操作人員可通過此界面查看當前機組的運行工況是否穩(wěn)定，并及時進行調(diào)整。界面中給出了防喘控制線、安全線和安全線，三條臨界曲線，便于操作者直觀了解當前運行工況。如圖4：防喘控制

2．2.2.4 報警查看：查看機組實時報警和歷史報警，便于機組故障分析。 2．2.2.5 聯(lián)合控制：對3臺機組進行聯(lián)合運行控制，包括進出口壓力控制和流量控制。 2．2.2.6 邏輯圖：機組啟停機邏輯順序圖，便于對機組啟動、停機控制的分析，便于故障查找。 2．2.2.7 閥門、冷卻風扇等設備的單體控制界面。 2．2.3 Bently震動監(jiān)測系統(tǒng)的組態(tài)。 Bently 3500震動監(jiān)測系統(tǒng)是目前比較先進的機械監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠通過多種傳感器采集數(shù)據(jù)，例如：速度傳感器、電渦流傳感器、加速度傳感器等。系統(tǒng)專門用于關(guān)鍵設備的監(jiān)測，并且能夠為多個地點、多個人員提供現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行分析。系統(tǒng)通常由現(xiàn)場傳感器、監(jiān)測框架、軟件、監(jiān)控計算機組成。 組態(tài)軟件采用其專用的“rack configuration”軟件，組態(tài)內(nèi)容包括：框架模板位置、模板參數(shù)、報警點等，不再累述。    本文所介紹的系統(tǒng)，已在陜京輸氣管道成功投產(chǎn)、應用。系統(tǒng)設計層次鮮明，集成性高，運行穩(wěn)定。各子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測收集元件工作穩(wěn)定，響應迅速?？刂乒δ芡晟?，很理想的完成了輸氣生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)控制。系統(tǒng)完全滿足設計要求，具有操作方便、可靠性強、數(shù)據(jù)記錄完整、監(jiān)控動作及時等諸多特點，同時大大減輕了運行、維護人員的勞動工作強度，縮短了操作時間，提高了輸氣效率。