第七章现场控制盘
在海上平台，一个大的处理系统，经常包含有多个子系统，如注水系统、分子筛干燥再生系统、热油炉供热系统、丙烷制冷系统、三甘醇脱水及再生系统等。这些子系统规模较小，控制简单且相对独立，这些子系统的控制因此也常常采用现场控制PLC来实现子系统的控制，子控制系统PLC经过通讯方式与主控制系统相连，把它的数据信息传递给主控制系统，主控制系统又可将ESD信号通过硬线送到就地控制盘，实施对就地盘的关断，从而实现整个控制系统的集中管理与监视。也实现了平台控制系统的控制分散和危险分散的概念。
一、现场控制盘所用的控制系统
许多子系统都采用了性能好、可靠性高的A-B公司PLC的SLC500系列控制器，下面主要介绍由SLC500系列控制器组成的现场控制系统。
1. 结构
SLC500系列控制器是为小规模应用而设计的可编程控制器，该系列有两种硬件结构：一种是用于固定式控制器，电源、CPU,I/O卡等都连为一体，不能随意配置；另一种用于模块式控制器，由于该系列可提供各种各样I/O模块，可以随意地、很经济地配置其控制系统。
一个SLC500系列的现场控制系统包括SLC硬件、显示终端、寻址、软件等。模块式现场控制系统的结构如图4－1所示。
图7－1 模块式现场控制系统结构图
2. 硬件
SLC硬件包括安装框架、处理器模块、I／O模块、电源块等。
SLC安装框架均需要电源向处理器CPU及每个I／O槽供电。
处理器模块是现场控制系统的核心部分，它负责整个控制系统的数据处理、通讯、工作方式等。在处理器模块上有一个钥匙开关，使用钥匙开关可以改变处理器的操作方式。在处理器上有三种操作模式：运行（RUN）、编程（PROG）、远程（REM）。如表7-1
表7－1 处理器三种操作模式
3. I／O模块
I／O模块将对从现场输入和输出到现场的信号进行隔离和转换，并通过数据通讯接口与处理器之间进行数据传送。I／O模块可分为六种类型：
①离散输入模块和块I／O模块：输入模块检测ON／OFF（开／闭）信号，离散信号可以是交流或直流。
②离散输出模块和块I／O模块：输出模块将信号传送到ON／OFF（开／闭）设备，离散信号可以是交流或直流。
③模拟量输入模块：将连续的模拟量信号转换成SLC处理器可接受的输入值。
④模拟量输出模块：将#)%处理器的输出信号转换成现场设备使用的模拟量信号。
⑸特种I／O模块：一般是特殊应用，如条形码阅读器、位置控制、外设通讯等。
⑥电源模块：电源模块为整个控制系统提供所需的电源。
4. 显示终端
显示终端通常用RS-232／485口与SLC500系列处理器相连，进行数据通讯。通过对显示终端的组态，在显示终端上可以显示报警信息、参数数据，并能从面板上输入参数值，修改处理器中的某些参数值。显示终端是一种人机界面设备，便于控制系统的监视和管理。
5. 寻址
由于可编程控制器的主要目的是控制诸如开关、阀门、热电偶等现场设备的输入和输出，这些输入和输出必须在处理器内存中占一空间，以便在控制器中可以对它们进行寻址。可连接到现场设备的输入和输出模块上的每一个端子都占用处理器内存中的一位。存放I／O地址的这一部分处理器存储器就是输入映像表和输出映像表。
I／O寻址可以帮助把I／O模块端子的物理位置和处理器内存中的位置相对应。一般寻址方式有2槽寻址、1槽寻址、1／2槽寻址三种。
6. 软件
现场控制PLC的软件包括编程软件和应用梯形图程序软件。
二、应用举例
1．气田外输天然气压缩机控制系统
（1）流程简介
从井口流出的高温天然气经冷却、三相分离、脱水后，部分天然气送到海南终端，大部分进入低温分离器，脱除丙烷、丁烷等重组分。经过低温分离器的气流，经入口涤气罐除去气体中的湿分和杂质，以防液体进入干气压缩机而损坏压缩机，然后流进干气压缩机，干气压缩机入口的压力为8.3MPa，温度为41℃。压缩机出口的压力为15.1MPa，温度可达96℃。气流通过出口冷却器，使温度降到43℃，然后，气流以15MPa的压力进入香港管线，在进入香港管线之前进行孔板计量。
（2）控制系统概述
图7－2是气田所用的离心式天然气压缩机的管道配置和控制系统及仪表的配置图，干气压缩机由Solar Mars透平机的热端输出轴所驱动。并联的两套压缩机组的每一套都安装有它自己的控制和检测仪表，用于当强震动、高轴温、滑油系统故障、透平机高排气温度或其他设备故障发生时保护关断压缩机。压缩机控制系统提供压缩机进、出口阀和透平机辅助设备的顺序控制，如润滑油泵、压缩机的启动装置等。
可编程逻辑控制器（PLC）压缩机的控制系统采用的是PLC-5/40系统，PLC将提供下列功能：①模拟控制：进、出站压力远程定值控制；②数字控制：起／停压缩机，控制站阀门或遥控启动压缩机站关断程序；③监测压力、温度、差压等模拟量数值；④监测全站的报警、泵状态、阀门状态等。
在压缩机站上配备VDU／固定键盘，与由软盘操作系统提供的彩色图形。经VDU显示可以监测站内所有的模拟信号、报警和状态。并由VDU／键盘完成压缩机的启停和转速定值控制以及喘振控制。确定控制范围、响应特性等的控制系统参数可以通过VDU／键盘进行组态，并装入PLC算法，用于压缩机站的转速和喘振控制。这种配置中，压缩机的PLC和主控PLC的接口是串行数据通讯信道（RS232C）。
（3）压缩机转速和压力控制
压缩机转速控制是通过控制单台透平机进口燃气流量来实现的。燃气流量的控制信号由压缩机站超前控制系统决定，并取决于进、出站的压力。来自显示终端的远程压力控制值为可编程。
控制器提供模拟给定值。压力超前控制系统的PID算法在站控制器的编程能力范围内进行组态，并提供必要的控制，有效地维持压缩机站在所要求的操作范围内工作。
图7－2 天然气压缩机流程图
（4）喘振控制
在离心式压缩机中，当试图增加其出口压力，减少流量时，压缩机内的流体则会从高压点流到机内的低压点，导致气体瞬间回流，从而造成喘振，当进入压缩机的流量不足时，或压缩机不具备产生足够的压头的能力时，也会产生喘振现象。压缩机配有一个防滑坡效应控制回路通过与FCV3506并列的调节阀FCV3507（又叫防滑坡控制阀）实现，但它专门由Petrotech 的模块控制。该控制回路根据压缩机入口的压力（设定点为8.3MPa出口压力设定点为15MPa）、压缩机的总流体通过量（入口流量），对压缩机的循环量进行控制，即控制FCV3507。如果压缩机压力和转速偏离正常的操作范围，一旦距离滑坡边缘小于20%的余地时，FCV3507根据控制模块当前所给的开度以跳跃的方式急速打开，使天然气重新循环到压缩机入口管线上，这种再循环可以充分降低压缩机的出口压力，使进、出口压力控制系统恢复控制，防止在任何情况下，压缩机出现滑坡。如果操作条件危险地持续接近或超过喘振线一定的时间，那么，喘振控制应用程序将发出一个指令，使压缩机停车。
图7－3 基本的喘振控制系统
基本的喘振控制系统示于图7－3。压缩机气流的测量采用孔板流量计及压差传感器。压缩机两侧的压差，即排出压力减去吸入压力，其测量在喘振控制器中进行。这两个参数可确定压缩机的操作点。将其与喘振极限曲线的算法对比，能确定旁通控制阀的控制输出流量。该阀具有快开和慢关程序，以控制压缩机的喘振。离心式压缩机的进出口压差与孔板流量计压差成正比关系。这就是喘振控制器的基础，并且用于该控制器内。压缩机必须保持一定的最小流量，以防止出现喘振条件。当达到预先设置的最小速度点时，控制软件可通过编程发出报警。喘振控制线的算法为：
式中P D———出口压力；
Ps———入口压力；
Ts———入口温度；
K———常数；
Q A———入口条件下的体积流量
如果压缩机站的喘振控制不完全有效，在压缩机站出站一侧有泄压阀进行保护控制。泄压阀的大小要满足能够泄放压缩机站全部气量去燃烧。进出站的压力开关保护管线，压力开关将连锁压缩机站关断和旁路。
（5）压缩机下游压力亏空时的控制
在试运转，或停产再启动时，由于香港管线内存气的亏空，压力低于6.9MPa时，就要打开压缩机的启动旁通管线，用回压控制阀,PCV3518控制低温分离器的压力，把从低温分离器出来的天然气直接引入香港管线，以把香港管线的压力升高到接近于正常的压缩机入口压力，然后启动压缩机，用回压控制阀PCV3518控制给管线加压，直到使管线的压力足够高，能满足压缩机压头-流量曲线的要求为止，才可以恢复正常的工作方式，气流正常从PCV3518的旁通阀流过。该旁通手动阀正常是打开的而PCV3518阀正常是关闭的。
2. 天然气压缩机PLC程序步骤
表4－2是OAKWELL3制造的油田天然气压缩机的PLC系统程序步骤，从该表我们可以了解到PLC就地控制的大概过程。
表7－2 PLC程序步骤