壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)升級淺談

劉功銀，丁建輝，李 平

（國家管網(wǎng)西部管道公司，烏魯木齊 830000）

西二線某燃驅(qū)壓縮機(jī)組采用ControlLogix 5000 PLC作為機(jī)組核心控制系統(tǒng)，該機(jī)組已投產(chǎn)10年，控制系統(tǒng)部分硬件已停產(chǎn)，備件難以采購。同時，壓縮機(jī)組在運(yùn)行過程中頻發(fā)模塊通訊超時報(bào)警，導(dǎo)致機(jī)組誤停車故障，影響站內(nèi)正常輸送工藝。

1 機(jī)組控制系統(tǒng)升級必要性及可行性分析

1.1 控制系統(tǒng)升級必要性

工業(yè)控制系統(tǒng)隨投用年限增加，硬件性能逐漸衰退，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性隨之降低，進(jìn)而影響燃驅(qū)壓縮機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。該壓縮機(jī)因控制系統(tǒng)硬件老化，數(shù)次出現(xiàn)停車故障，影響站內(nèi)正常輸送工藝。

工控系統(tǒng)軟硬件更新?lián)Q代較快，如：該機(jī)組2010年投產(chǎn)使用1756-L61控制器硬件已經(jīng)停產(chǎn)，備件難以采購。軟件平臺已升級，由Logix 5000升級至Studio 5000。

開展ControlLogix升級技術(shù)研究，根治ControlLogix由于硬件老化導(dǎo)致的“疑難雜癥”，同時升級后硬件可正常采購。

1.2 控制系統(tǒng)升級可行性

機(jī)組控制系統(tǒng)投用已有10年，ROCKWELL公司AB PLC作為工業(yè)自動化主流產(chǎn)品，產(chǎn)品處于不斷升級換代中，軟硬件設(shè)計(jì)向下兼容，軟硬件升級可行。

2 控制系統(tǒng)升級關(guān)鍵技術(shù)分析

機(jī)組控制系統(tǒng)包括：1套順控系統(tǒng)（冗余系統(tǒng)）、1套發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、1套安全儀表系統(tǒng)?？刂破鳈C(jī)架使用1756系列模塊，包括：CPU模塊、ControlNet模塊、以太網(wǎng)模塊、本地I/O模塊，遠(yuǎn)程I/O使用FLEX I/O 1794系列模塊，包括：數(shù)字量、模擬量、熱電阻、熱電偶模塊?？刂破鳈C(jī)架通過不同的控制網(wǎng)（ControlNet）與遠(yuǎn)程I/O通信。

2.1 系統(tǒng)升級硬件選型

控制器機(jī)架模塊已停產(chǎn)，遠(yuǎn)程I/O模塊未停產(chǎn)，因此升級控制器機(jī)架及相應(yīng)模塊。硬件應(yīng)采用當(dāng)前主流且工作穩(wěn)定的產(chǎn)品，選擇1756-L73控制器及配套產(chǎn)品作為升級后硬件，L6x與L7x產(chǎn)品特性差異對比見表1[1]。

表1 L6x與L7x產(chǎn)品特性Table 1 L6x and L7x product characteristics

升級L7x硬件后，處理器由單核變?yōu)殡p核，控制器處理能力提升。

2.2 系統(tǒng)升級軟件選型

系統(tǒng)軟件升級：該機(jī)組目前使用Logix 5000 V15版本軟件，由于該站工程電腦系統(tǒng)已安裝Logix 5000 V20版本授權(quán)且1756-L73控制器支持V20版本軟件，綜合成本及穩(wěn)定性，將程序升級為Logix 5000 V20版本。

2.3 系統(tǒng)升級冗余架構(gòu)

燃驅(qū)機(jī)組順控系統(tǒng)為冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)要求主、備PLC機(jī)架：電源、機(jī)架、模塊型號、模塊布置一致[1]。

ControlLogix固件采用支持V20版本軟件最新固件包“20.058 Enhanced_kit2”[2]。

2.4 控制網(wǎng)組態(tài)及優(yōu)化技術(shù)

ControlNet是面向控制層的實(shí)時性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通訊速率5 Mbps，單網(wǎng)絡(luò)支持99個節(jié)點(diǎn)，ControlNet網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化包括：

1）NUT設(shè)置：網(wǎng)絡(luò)刷新時間一般為2 ms～100 ms，NUT必須大于模塊RPI，程序組態(tài)中模塊RPI要求最高為5 ms，為降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，升級后NUT設(shè)置為5 ms。

2）Keeper設(shè)置：Keeper為ControlNe網(wǎng)絡(luò)配置文件，不建議將Keeper存放于冗余機(jī)架（冗余切換時Keeper隨之變化，可能出現(xiàn)短暫的生產(chǎn)者/消費(fèi)者數(shù)據(jù)丟失）。

3）模塊RPI設(shè)定：模塊請求發(fā)送中斷時間，定義模塊對控制器交換信息的時間間隔。燃機(jī)控制實(shí)時性要求較高，如燃料控制、ESD保護(hù)等，應(yīng)檢查升級前后每個模塊RPI設(shè)定一致。

2.5 HMI及SCADA通信

機(jī)組采用Intouch軟件作為HMI（人機(jī)界面），HMI通過OPC協(xié)議讀取PLC數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)通過RCI（遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)關(guān)）采集數(shù)據(jù)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊（Prosoft）將CIP協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus協(xié)議，RCI將Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC104協(xié)議，傳輸至SCADA。

2.6 控制系統(tǒng)升級后功能檢查

機(jī)組控制系統(tǒng)軟硬件升級，相當(dāng)于燃驅(qū)機(jī)組的“換腦手術(shù)”，需驗(yàn)證升級前后控制邏輯不發(fā)生變化，升級后每一個被控對象均正確動作。檢查內(nèi)容包括：

1）邏輯程序檢查：程序代碼升級前后一致。

2）設(shè)備狀態(tài)檢查：現(xiàn)場所有模擬量、數(shù)字量與PLC狀態(tài)一致，例如：進(jìn)出口閥門狀態(tài)、油溫、油泵狀態(tài)、油壓等。

3）設(shè)備單體測試：停機(jī)狀態(tài)下檢查燃料氣電磁閥、放空閥、可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉、防喘閥、啟動放氣閥強(qiáng)制動作正常；潤滑油泵、合成油泵、箱體通風(fēng)風(fēng)機(jī)、礦物油油冷風(fēng)機(jī)等冗余系統(tǒng)啟動、停止命令正常。

4）PLC控制器之間通信、PLC與HMI通信、PLC與消防系統(tǒng)通信正常。

5）ESD功能、超速保護(hù)功能、消防保護(hù)功能、安全繼電器保護(hù)、振動保護(hù)等聯(lián)鎖保護(hù)功能正常。

6）盤車狀態(tài)下檢查：燃機(jī)相關(guān)參數(shù)正常反饋，液壓啟動系統(tǒng)正常，燃機(jī)滑油供應(yīng)曲線正常。

7）啟機(jī)過程檢查：燃機(jī)滑油供應(yīng)曲線正常，燃機(jī)軸承振動正常，升速降速正常，完成72 h測試。

3 控制系統(tǒng)升級及效果驗(yàn)證

按照控制系統(tǒng)升級關(guān)鍵技術(shù)分析，準(zhǔn)備對軟硬件進(jìn)行升級。升級后機(jī)組各項(xiàng)驗(yàn)證測試結(jié)果正常，機(jī)組完成72 h運(yùn)行測試。

3.1 升級前后通信中斷故障處置情況

1）升級前，該機(jī)組數(shù)次出現(xiàn)：“發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)與順控系統(tǒng)之間通信握手超時報(bào)警LSS65UC119”，導(dǎo)致機(jī)組誤停機(jī)。

“LSS65UC119”邏輯：發(fā)動機(jī)系統(tǒng)與順控系統(tǒng)控制器采用看門狗程序檢測通信是否正常，控制器接收對端發(fā)送時鐘值不斷變化，通信正常。接收時鐘值不變持續(xù)2 s以上則通信超時，執(zhí)行停車邏輯。

圖2 升級后冗余切換通信正常Fig.2 After upgrading, the redundant switching communication is normal

排查發(fā)現(xiàn)：由于PLC硬件老化、性能下降，在順控系統(tǒng)冗余切換時，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和順控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中斷時間3.5 s，超過邏輯跳機(jī)報(bào)警閾值，導(dǎo)致停車。冗余切換擾動，如圖1。

圖1 升級前冗余切換通信中斷Fig.1 Communication interruption of redundancy switch before upgrade

2）升級后：進(jìn)行30次冗余切換測試，30次冗余切換均正常，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和順控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中斷時間為0 s。

通過控制系統(tǒng)軟硬件升級，根治冗余切換握手超時誤報(bào)警故障。

3.2 升級前后模塊性能提升

1）控制器性能提升

控制器由L61升級為L73，處理器由單核變?yōu)殡p核，控制器內(nèi)存、處理能力顯著提升，CPU使用率由82.6%降低至32.4%。

2）ControlNet模塊

冗余系統(tǒng)要求ControlNet模塊CPU使用率小于75%[3]。升級前ControlNet模塊平均使用率在40%～50%，峰值CPU利用率可達(dá)80%，升級后ControlNet模塊CPU使用率維持在15%左右。

4 小結(jié)及建議

小結(jié)：控制系統(tǒng)升級，解決了冗余切換時控制器通信握手超時故障，控制系統(tǒng)硬件內(nèi)存、處理能力、通信連接性能顯著提升。同時，避免硬件停產(chǎn)、備件不足問題，升級技術(shù)可為其他輸油氣管線升級提供借鑒參考。

優(yōu)化建議：隨著技術(shù)進(jìn)步，Rockwell公司PLC內(nèi)部通信正逐漸由ControlNet向工業(yè)以太網(wǎng)過渡，相比同軸電纜5 Mbps通信速率，工業(yè)以太網(wǎng)通信能力有著質(zhì)的飛躍，后續(xù)工程建議采用工業(yè)以太網(wǎng)作為通訊媒介。