壓縮機(jī)控制系統(tǒng)

1、近十幾年來，DCS以其強(qiáng)大的控制功能、集中的操作顯示功能及高可靠性等，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用越來越多。然而，對(duì)一些較小的控制系統(tǒng)，投入一套DCS，從經(jīng)濟(jì)上考慮不怎么劃算；但使用一些常規(guī)儀表，又具有操作顯示不方便等諸多缺陷。因此，一些廠家從各方面考慮著手，生產(chǎn)了具有很強(qiáng)控制功能的智能化儀表。APACS353是美國 Moore Products公司近兩年推出的，具有DCS和PLC的許多優(yōu)點(diǎn)，可稱得上是一種專用小型控制系統(tǒng)。本文就APACS353在湖北一堿廠壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)該智能控制器作一介紹。1、MACS353智能控制器APACS353是一種獨(dú)立的、以微處理器為基礎(chǔ)的過程自動(dòng)化控制器。其應(yīng)用范圍特別

2、廣泛，既可用于小批量處理過程或連續(xù)過程，亦可用于離散控制過程。它具有如下特點(diǎn)：采用模板化結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要來靈活配置。其核心是一塊功能強(qiáng)大的微處理器MPU板，該板應(yīng)用了最新的微處理器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)單回路、串級(jí)及一些復(fù)雜的控制策略，且?guī)в凶约旱腎/O；若I/O不夠，可以增加一個(gè)I/O擴(kuò)展板，接收熱電偶、熱電阻、頻率等信號(hào)。為了集成全廠控制管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以配置局部儀表鏈接LIL網(wǎng)絡(luò)板、現(xiàn)場(chǎng)總線Lon Works板；可以支持25個(gè)控制回路，以解決復(fù)雜的控制問題。另外，每個(gè)回路的PID參數(shù)可以進(jìn)行自整定；可以組成開放式系統(tǒng)。 MPU板自帶的MODBUS通信提供主/從式網(wǎng)絡(luò)，使353容易地

3、與其它系統(tǒng)集成在一起；LIL通信可用來代替MODBUS，提供對(duì)等的高速網(wǎng)絡(luò)；支持最新的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。 Lon Works現(xiàn)場(chǎng)總線可以在其中得到應(yīng)用；該控制器既可用前端面板來組態(tài)和監(jiān)控操作，也可先在上位機(jī)組態(tài)好后下載到353中。其組態(tài)語言既可用功能塊語言，也可用梯形邏輯圖語言，靈活方便，易于組成各種控制方案以滿足控制對(duì)象的實(shí)際要求。此外，在該控制器中，還保存有一些通用的工廠組態(tài)方案庫，用戶可根據(jù)自己的需要調(diào)出相應(yīng)的庫，稍作修改后變?yōu)榧河?，這樣可以簡化組態(tài)。2、壓縮機(jī)控制系統(tǒng)壓縮機(jī)是一種將氣體壓縮從而提高氣體壓力或輸送氣體的機(jī)器，按能量轉(zhuǎn)換方式可分為動(dòng)力型和容積型兩類。離心壓縮機(jī)屬動(dòng)力型，其工作原

4、理是根據(jù)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能的原理，將流體加速到高速，然后降低速度，通過改變它的流向，把它所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，從而提高壓力。壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)或控制有兩個(gè)目的，一個(gè)是改變壓縮機(jī)的性能以適應(yīng)管網(wǎng)系統(tǒng)特性的變化，保證壓縮機(jī)的操作符合工藝要求；另一個(gè)是保證壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振和在嚴(yán)重情況下毀壞機(jī)器。21適應(yīng)管網(wǎng)特性變化壓縮機(jī)是與管網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合工作的，管網(wǎng)系統(tǒng)指與壓縮機(jī)聯(lián)合在一起運(yùn)行的各種裝置、設(shè)備、容器、閥和管道，壓縮機(jī)和管網(wǎng)的特性曲線如圖1所示。圖1中，曲線1為壓縮機(jī)的工作曲線，曲線2與2'為管網(wǎng)的特性曲線。當(dāng)管網(wǎng)的阻力系數(shù)在生產(chǎn)過程中穩(wěn)定時(shí)，壓縮機(jī)則穩(wěn)定在某一工況點(diǎn)工作。但是，在生

5、產(chǎn)運(yùn)行過程中，管網(wǎng)的阻力系數(shù)可能經(jīng)常變化(如工廠用氣量的變化)，這樣管網(wǎng)的特性曲線就發(fā)生變化，為適應(yīng)這一變化，保證管網(wǎng)對(duì)壓力或流量的要求，就需要改變壓縮機(jī)的性能，使其在新的工況點(diǎn)工作。例如，原來壓縮機(jī)工作在其穩(wěn)定工況點(diǎn)M，若管網(wǎng)特性由曲線2變?yōu)榍€2'，則此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力和流量均發(fā)生變化，若系統(tǒng)不允許這樣的變化，就需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)工藝要求，有以下三種調(diào)節(jié)：等壓力調(diào)節(jié)，通過改變壓縮機(jī)流量保持壓力穩(wěn)定：等流量調(diào)節(jié)，通過改變壓力保持流量穩(wěn)定；比例控制，用來保持壓力或流量的比例不變。22防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)在管網(wǎng)中，由于工況改變，流量明顯減少，出現(xiàn)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離，形成突變型失速：此時(shí)，工作輪雖旋轉(zhuǎn)，

6、但不能提高氣體壓力，壓縮機(jī)出口壓力顯著下降。而管網(wǎng)容量較大，反應(yīng)不靈敏，管網(wǎng)壓力并不馬上減低。于是可能出現(xiàn)管網(wǎng)壓力反大于壓縮機(jī)出口壓力的情況，因而管網(wǎng)中的氣體就向壓縮機(jī)倒流，直到管網(wǎng)壓力下降到低于壓縮機(jī)出口壓力為止。這時(shí)倒流停止，氣體又在葉片作用下正向流動(dòng)，壓縮機(jī)又開始向管網(wǎng)供氣。但當(dāng)管網(wǎng)壓力不斷回升，又回復(fù)到原有水平時(shí)，壓縮機(jī)正常排氣又受到阻礙，流量又下降，系統(tǒng)中的氣體又產(chǎn)生倒流。如此周而復(fù)始，在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了周期性的軸向低頻大振幅的氣流振蕩現(xiàn)象，即為喘振。喘振使壓縮機(jī)的性能顯著惡化，氣流參數(shù)(壓力、流量)產(chǎn)生大幅度脈動(dòng)，噪聲和振動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)足以損壞壓縮機(jī)。喘振的標(biāo)志是一最小流量點(diǎn)，低于這

7、個(gè)流量即出現(xiàn)喘振。因此，需要有一個(gè)防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振的控制系統(tǒng)，限制壓縮機(jī)的流量不會(huì)降低到這種工況下的最低允許值，即不會(huì)使壓縮機(jī)進(jìn)人喘振工況區(qū)域內(nèi)。壓縮機(jī)的防喘振條件為pa(p2±bp1)式中：p為進(jìn)口管路內(nèi)測(cè)量流量的孔板前后壓差；p1為進(jìn)口處壓力；p2為出口處壓力；，b為有關(guān)參數(shù)。3、應(yīng)用實(shí)例該控制系統(tǒng)的對(duì)象為堿廠的一臺(tái)CO2離心壓縮機(jī)，在純堿工業(yè)中，CO2的壓縮是一個(gè)極為重要的關(guān)鍵工序，因此壓縮機(jī)的作用很大。在我國早期建設(shè)的各種規(guī)模的純堿廠，多采用往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，目前，多以離心式和螺桿式壓縮機(jī)為主。31系統(tǒng)配置考慮到整個(gè)系統(tǒng)的安全性，一臺(tái)儀表或設(shè)備的故障不應(yīng)影響到其它設(shè)備，故在

8、設(shè)計(jì)時(shí)，把整個(gè)系統(tǒng)的功能分散，APACS353主要執(zhí)行調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖保護(hù)功能，所以在APACS353內(nèi)部只配置MPU板和I/O擴(kuò)展板。系統(tǒng)要求具有記錄功能，即一些重要數(shù)據(jù)要求記錄以便查詢，而單獨(dú)的353不具有該功能，所以另配4臺(tái)無紙記錄儀來完成該功能。盡管APACS353能實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，但報(bào)警僅體現(xiàn)在面板的棒條閃爍、報(bào)警LED燈亮，不直觀。系統(tǒng)要求具有聲光報(bào)警，使用一微機(jī)閃光報(bào)警器來實(shí)現(xiàn)。32等壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)及無擾切換該CO2離心壓縮機(jī)屬工藝流程壓縮機(jī)，結(jié)合制堿工藝的特點(diǎn)，要求壓縮機(jī)有穩(wěn)定的出口壓力。壓力調(diào)節(jié)可采用進(jìn)口節(jié)流和出口節(jié)流，但出口節(jié)流經(jīng)濟(jì)性很差，由于節(jié)流的原因，白白地?fù)p失了能量，所以采用進(jìn)

9、口節(jié)流的調(diào)節(jié)方法?？刂圃韴D如圖2所示。壓力變送器變送壓縮機(jī)的出口壓力，當(dāng)由于管網(wǎng)阻止變化，出口壓力偏離給定值時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)偏差信號(hào)，經(jīng)PID控制器調(diào)節(jié)后，使進(jìn)口閥門開度變化，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)，使出口壓力達(dá)到要求的給定值，這時(shí)，偏差信號(hào)消失，壓縮機(jī)在新的工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。圖3是等壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組態(tài)控制圖。圖3中省略了輸入/輸出功能塊、報(bào)警功能塊。SETPT為給定值塊，PID為PID控制塊，A/M為手動(dòng)/自動(dòng)塊，并且塊中一些不必要的輸入輸出沒有標(biāo)出。這里介紹MACS353是怎樣實(shí)現(xiàn)無擾切換的。當(dāng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，A/M功能塊的輸出NA為TRUE，而該輸出連到SETPT功能塊的TC輸入，故SET

10、PT塊的輸出01，即回路的給定值等于過程值，即SETPT塊的輸入TV。在這種情況下，過程值=給定值，系統(tǒng)無偏差。當(dāng)切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，閥門不會(huì)跳變。故，從手動(dòng)到自動(dòng)無擾：當(dāng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，回路的給定值可由353的面板進(jìn)行調(diào)節(jié)，絕大多數(shù)情況下不等于過程值。此時(shí)進(jìn)行PID算法調(diào)節(jié)，使過程值向給定值靠攏。當(dāng)切換到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，A/M塊的輸出AS=FAISE，而該輸出連到PID功能塊的輸入A，即PID塊處于手動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)PID算法被旁路，PID塊的輸出01=其輸入F，而F被連到A/M塊的輸出01，即正好為此時(shí)的閥門值，閥門不會(huì)跳變。故，從自動(dòng)到手動(dòng)元擾。33防瑞振調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)壓縮機(jī)的防喘振條件，壓縮機(jī)的防

11、喘振控制，原理圖如圖4所示?？装迩昂髩翰頿、進(jìn)口壓力p1、出口壓力p2通過各自的變送器檢測(cè)出，p1乘以系數(shù)b后與p2一起送入加減器，得出P2±bpl之值，該值與P經(jīng)過除法運(yùn)算，結(jié)果送到防喘振調(diào)節(jié)器中和給定信號(hào)值進(jìn)行比較，當(dāng)大于值時(shí)則系統(tǒng)正常，當(dāng)小于或等于值時(shí)，防喘振調(diào)節(jié)器工作，打開旁路調(diào)節(jié)閥，使一部分氣體旁路到壓縮機(jī)的人口，增大壓縮機(jī)的流量，達(dá)到防喘振的目的。其中全部運(yùn)算和調(diào)節(jié)功能均在AFACS353中實(shí)現(xiàn)。在AFACS353中，有一類ON/OFF控制功能塊，能對(duì)過程值和給定值進(jìn)行比較以執(zhí)行調(diào)節(jié)功能，正好作為防喘振調(diào)節(jié)器。34安全保護(hù)系統(tǒng)壓縮機(jī)除了防喘振之外，還有其它的安全要求。軸承

12、工作溫度不能過高，若軸承溫度過高，由于潤滑油的油性和粘性降低，易于引起局部油膜的破壞，潤滑失效，軸承的承載能力降低，甚至使?jié)櫥吞蓟l(fā)生燒瓦。為了保證系統(tǒng)正常地工作，必須有足夠的潤滑油強(qiáng)制循環(huán)潤滑，這就要求潤滑系統(tǒng)的最低供油壓力不得低于某一值。在控制系統(tǒng)中，排氣溫度、推力盤溫度和主軸承溫度均可對(duì)壓縮機(jī)的工作溫度進(jìn)行反應(yīng)口所以，在APACS353中，組態(tài)了排氣溫度調(diào)節(jié)回路，以使壓縮機(jī)的工作溫度不致過高。另外，還組態(tài)了緊急停車聯(lián)鎖回路，聯(lián)鎖原理圖如圖5所示。圖5中，壓縮機(jī)排氣溫度信號(hào)來自APACS353內(nèi)部，其余4個(gè)信號(hào)均來自無紙記錄儀。在APACS353中，用4個(gè)離散量輸入功能塊DIN來接收無

13、紙記錄儀來的開關(guān)量信號(hào)，并且353內(nèi)有直接繼電器輸出，可用來控制壓縮機(jī)停車用的接觸器。35PID參數(shù)的自整定在控制回路的PID控制功能塊中，若內(nèi)部參數(shù)AUTOTUNE設(shè)為YES，就可通過面板的TUNE按鍵來啟動(dòng)PID參數(shù)自整定過程。在自整定過程中，當(dāng)過程值的變化超過控制塊的內(nèi)部參數(shù)%HYS時(shí)，閥門變化%STEP，通過閥門的這種調(diào)節(jié)，了解過程的動(dòng)態(tài)變化，從而控制過程值逐步趨向給定值。然后，控制器運(yùn)用獲得的知識(shí)得出PID參數(shù)的設(shè)置。實(shí)際上，閥門的變化值也在動(dòng)態(tài)調(diào)整。在自整定的第11.5個(gè)循環(huán)周期中，變化值為%STEP，控制器從而得出一大概的P值。在剩下的過程中，控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整閥門的變化，以保證變化

14、前后的過程值差在參數(shù)%DEV的限制內(nèi)。整定結(jié)束后，P，I，D參數(shù)傳人控制器，控制器恢復(fù)正常的PID狀態(tài)。4、系統(tǒng)擴(kuò)展該系統(tǒng)經(jīng)安裝、調(diào)試，已全部正常工作。相比以前的手工操作或多個(gè)單回路調(diào)節(jié)器來說，目前的系統(tǒng)具有操作方便、顯示直觀、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但一個(gè)系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)不僅保證系統(tǒng)全部功能的可靠實(shí)現(xiàn)，而且為以后系統(tǒng)的擴(kuò)展做好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。下面介紹 Lon Works現(xiàn)場(chǎng)總線在系統(tǒng)擴(kuò)展中的應(yīng)用。在AFACS353控制器內(nèi)，安裝Lon Works現(xiàn)場(chǎng)總線板，該板使用自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的收發(fā)器，傳輸速率為78.1Kbps。此時(shí)，353背面的25，26號(hào)接線端子(IOA、IOB)可用，利用一對(duì)雙絞線與現(xiàn)場(chǎng)的智能變送器傳送信號(hào)，構(gòu)成高速數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可為星型、總線型、環(huán)型以及混合型。圖6表示了總線型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)最多只能接64臺(tái)設(shè)備。安裝完成后，還需要對(duì)Lon Works網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)，即對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)設(shè)備的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這可用一臺(tái)使用串行Link Talk適配器SLTA連到網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)絡(luò)管理器來在線完成，完成后的組態(tài)駐留在各自的設(shè)備中。到目前為止，全部完成了Lon Works網(wǎng)絡(luò)的安裝和設(shè)置，剩