壓縮機組控制系統升級淺談

劉功銀，丁建輝，李 平

（國家管網西部管道公司，烏魯木齊 830000）

西二線某燃驅壓縮機組采用ControlLogix 5000 PLC作為機組核心控制系統，該機組已投產10年，控制系統部分硬件已停產，備件難以采購。同時，壓縮機組在運行過程中頻發模塊通訊超時報警，導致機組誤停車故障，影響站內正常輸送工藝。

1 機組控制系統升級必要性及可行性分析

1.1 控制系統升級必要性

工業控制系統隨投用年限增加，硬件性能逐漸衰退，控制系統穩定性隨之降低，進而影響燃驅壓縮機連續穩定運行。該壓縮機因控制系統硬件老化，數次出現停車故障，影響站內正常輸送工藝。

工控系統軟硬件更新換代較快，如：該機組2010年投產使用1756-L61控制器硬件已經停產，備件難以采購。軟件平臺已升級，由Logix 5000升級至Studio 5000。

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

1.2 控制系統升級可行性

機組控制系統投用已有10年，ROCKWELL公司AB PLC作為工業自動化主流產品，產品處于不斷升級換代中，軟硬件設計向下兼容，軟硬件升級可行。

2 控制系統升級關鍵技術分析

機組控制系統包括：1套順控系統（冗余系統）、1套發動機控制系統、1套安全儀表系統。控制器機架使用1756系列模塊，包括：CPU模塊、ControlNet模塊、以太網模塊、本地I/O模塊，遠程I/O使用FLEX I/O 1794系列模塊，包括：數字量、模擬量、熱電阻、熱電偶模塊。控制器機架通過不同的控制網（ControlNet）與遠程I/O通信。

2.1 系統升級硬件選型

控制器機架模塊已停產，遠程I/O模塊未停產，因此升級控制器機架及相應模塊。硬件應采用當前主流且工作穩定的產品，選擇1756-L73控制器及配套產品作為升級后硬件，L6x與L7x產品特性差異對比見表1[1]。

表1 L6x與L7x產品特性Table 1 L6x and L7x product characteristics

升級L7x硬件后，處理器由單核變為雙核，控制器處理能力提升。

2.2 系統升級軟件選型

系統軟件升級：該機組目前使用Logix 5000 V15版本軟件，由于該站工程電腦系統已安裝Logix 5000 V20版本授權且1756-L73控制器支持V20版本軟件，綜合成本及穩定性，將程序升級為Logix 5000 V20版本。

2.3 系統升級冗余架構

燃驅機組順控系統為冗余系統，系統要求主、備PLC機架：電源、機架、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 控制網組態及優化技術

ControlNet是面向控制層的實時性現場總線網絡，網絡通訊速率5 Mbps，單網絡支持99個節點，ControlNet網絡優化包括：

1）NUT設置：網絡刷新時間一般為2 ms～100 ms，NUT必須大于模塊RPI，程序組態中模塊RPI要求最高為5 ms，為降低網絡負荷，升級后NUT設置為5 ms。

2）Keeper設置：Keeper為ControlNe網絡配置文件，不建議將Keeper存放于冗余機架（冗余切換時Keeper隨之變化，可能出現短暫的生產者/消費者數據丟失）。

3）模塊RPI設定：模塊請求發送中斷時間，定義模塊對控制器交換信息的時間間隔。燃機控制實時性要求較高，如燃料控制、ESD保護等，應檢查升級前后每個模塊RPI設定一致。

2.5 HMI及SCADA通信

機組采用Intouch軟件作為HMI（人機界面），HMI通過OPC協議讀取PLC數據。SCADA系統通過RCI（遠程通訊網關）采集數據，通過協議轉換模塊（Prosoft）將CIP協議轉換為Modbus協議，RCI將Modbus協議轉換為IEC104協議，傳輸至SCADA。

2.6 控制系統升級后功能檢查

機組控制系統軟硬件升級，相當于燃驅機組的“換腦手術”，需驗證升級前后控制邏輯不發生變化，升級后每一個被控對象均正確動作。檢查內容包括：

1）邏輯程序檢查：程序代碼升級前后一致。

2）設備狀態檢查：現場所有模擬量、數字量與PLC狀態一致，例如：進出口閥門狀態、油溫、油泵狀態、油壓等。

3）設備單體測試：停機狀態下檢查燃料氣電磁閥、放空閥、可轉導葉、防喘閥、啟動放氣閥強制動作正常；潤滑油泵、合成油泵、箱體通風風機、礦物油油冷風機等冗余系統啟動、停止命令正常。

4）PLC控制器之間通信、PLC與HMI通信、PLC與消防系統通信正常。

5）ESD功能、超速保護功能、消防保護功能、安全繼電器保護、振動保護等聯鎖保護功能正常。

6）盤車狀態下檢查：燃機相關參數正常反饋，液壓啟動系統正常，燃機滑油供應曲線正常。

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

3 控制系統升級及效果驗證

按照控制系統升級關鍵技術分析，準備對軟硬件進行升級。升級后機組各項驗證測試結果正常，機組完成72 h運行測試。

3.1 升級前后通信中斷故障處置情況

1）升級前，該機組數次出現：“發動機控制系統與順控系統之間通信握手超時報警LSS65UC119”，導致機組誤停機。

“LSS65UC119”邏輯：發動機系統與順控系統控制器采用看門狗程序檢測通信是否正常，控制器接收對端發送時鐘值不斷變化，通信正常。接收時鐘值不變持續2 s以上則通信超時，執行停車邏輯。

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

排查發現：由于PLC硬件老化、性能下降，在順控系統冗余切換時，發動機系統和順控系統數據通信中斷時間3.5 s，超過邏輯跳機報警閾值，導致停車。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：進行30次冗余切換測試，30次冗余切換均正常，發動機系統和順控系統數據通信中斷時間為0 s。

通過控制系統軟硬件升級，根治冗余切換握手超時誤報警故障。

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，處理器由單核變為雙核，控制器內存、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80%，升級后ControlNet模塊CPU使用率維持在15%左右。

4 小結及建議

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

優化建議：隨著技術進步，Rockwell公司PLC內部通信正逐漸由ControlNet向工業以太網過渡，相比同軸電纜5 Mbps通信速率，工業以太網通信能力有著質的飛躍，后續工程建議采用工業以太網作為通訊媒介。