石油化工离心压缩机控制系统的设计与实现-毕业论文

东北大学硕士学位论文 摘要 - I - 分类号 密级 UDC 学 位 论 文 石油化工离心压缩机控制系统的设计与实现 作者姓名： 指导教师： 教授 东北大学信息科学与工程学院 教授级高工 沈鼓集团自控公司 申请学位级别： 硕 士学科类别：专业学位 学科专业名称： 控制工程 论文提交日期： 年 10 月 10 日论文答辩日期： 年 12 月 日 学位授予日期： 年 月 答辩委员会席： 评阅人： 东 北 大 学 年 10 月 东北大学硕士学位论文 摘要 - II - 石油化工离心压缩机控制系统设计与实现 摘 要 离心式压缩机相比于其它压缩机具有很多优点，已经成为当今工业生产中应 用最为普遍的压缩机类型。但它也有一些固有的而且是难以消除的缺陷，例如稳 定工作区域窄，容易发生喘振等，常有可能因为微小的偏差造成严重事故，而且 这些事故的出现往往是迅速猛烈，单靠人工处理更是措手不及。随着计算机控制 技术的发展，急需改进离心式压缩机控制手段，提高其控制品质。 本论文以某厂离心压缩机控制系统为研究对象，完成了控制系统的架构设计， 提出一套离心压缩机综合控制策略，较全面地考虑离心压缩机运行中可能发生的 因素，使能源有效利用，改善防喘振品质。使用可变极限流量法，调节转速来保 证压缩机的负荷满足工艺上的要求。在系统中附加“阀跳变”和非线性两种控制， 其中“阀跳变”能够使控制器在原来输出的基础上阶跃某一开度，非线性控制在 防喘振过程中能动态的改变 PI 控制器的比例增益和积分时间常数，与以往的控制 算法相比，控制器反应更加迅速，能够更快和更有效的防止喘振的发生。在此基 础上，开发了基于 Intouch 10.0 软件的压缩机运行监控软件，其中包括测点清单、 报警画面、联锁画面、工艺画面、开车画面等，本项目增加首个联锁显示画面， 在开车画面中列出盘车逻辑等，对离心压缩机系统的稳定运行起到积极的作用。 通过研究，可以看出大型离心压缩机控制系统的发展还有很大的空间，可变 极限流量法可能将成为以后防喘振控制的主要算法，对汽轮机的调速等各种联锁 停车以及油泵自启等功能预先监测到问题，并提前做好处理，保护机组，保证正 常生产。 关键词： 防喘振；调速；离心压缩机；可变极限流量 东北大学硕士学位论文 Abstract - III - Design and Implementation of Centrifugal Compressor Control System in Oil Refinery Abstract Centrifugal Compressor has many advantages compared with other compressors. It is of small volume but large flow; it has excellent regulation performance and large regulation range of flowrate; it is also easy for maintenance having less easy worn parts and spare parts. These advantages have made Centrifugal Compressor the most widely used compressor in nowadays industrial production. As key equipment in industry, Centrifugal Compressor has some inherent disadvantages at the same time. It has narrow steady workspace and is prone to Surge. It is most happened that minor deviation leads to considerable damage. The accident usually happened in such a quick and violent way that manual handling can not manage at all. With the development of Computer Controlling Technology, it is urgent to improve the control methods of centrifugal Compressor, increase its control character. Architecture design of control system and proposes a comprehensive control strategy modeling on control system of Centrifugal Compressor is presented in the thesis. This new strategy gives overall consideration to the likely-happening factors during operation, not only makes efficient use of energy recourses, but improving the effect of anti surge. Variant limit flow is adopted to ensure the load of Centrifugal Compressor can meet the requirements by adjusting the speed of turbine. And valve jump makes output of the controller impulse. Nonlinear control can dynamically change the proportion and integral of PI controller. Compared with traditional method, this control method can more swiftly and efficiently perform anti surge. Operation and monitor process based on INTOUCH 10.0 is developed. It includes List Page, Alarm Page, Trip Page, Technics Page and Start Page. Besides, the first event indicator of trip is added into the process and turning gear motor logic is added to start page. Besides, the first event indicator of trip is added into the process and turning motor logic is added to start page. There is still a great potential for the development of the control system of large size Centrifugal Compressor. Since Mobility Limit Flux method has the advantage of 东北大学硕士学位论文 Abstract - IV - monitoring and dealing with problems such as adjusting the speed of turbine, trip and automatic startup of oil pump, it may become the main method for anti surge in the future. By applying this method, the machine set can be well protected and daily production can be ensured. At last this thesis indicates the research field for further study in the future. Keyword:Keyword: Anti-surge; Adjusting the speed of turbine; Centrifugal compressor; Variant limit flow 东北大学硕士学位论文 目录 - V - 目 录 独创性声明I 摘 要 II ABSTRACTIII 第一章 绪 论 .1 1.1 选题的意义 1 1.2 离心压缩机控制系统设计的要点 1 1.3 计算机控制系统选择 3 1.4 本文的组织形式 4 第二章 离心压缩机的工作原理.5 2.1 基本工作原理 5 2.2 性能曲线及管网特性 6 2.3 离心压缩机的调节 7 2.4 离心压缩机的控制和保护 8 2.5 小结 8 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计.9 3.1 系统功能需求 9 3.2 系统设计目标 10 3.2.1 性能指标10 3.2.2 功能指标11 3.3 系统硬件总体设计 12 3.3.1 TS3000 产品介绍.12 3.3.2 系统网络结构13 3.3.3 系统硬件总况13 3.3.3 系统外部 I/O 点数确定.15 3.4 系统 PLC 软件设计.16 3.4.1 TriStation 1131 介绍.16 3.4.2 功能模块简述17 3.5 系统 HMI 软件设计.19 3.5.1 Intouch10.0 介绍.19 3.5.2 HMI 功能简介20 3.6 系统安全设计 21 3.7 小结 21 东北大学硕士学位论文 目录 - VI - 第四章 离心压缩机防喘振控制器的设计.23 4.1 喘振 23 4.1.1 喘振现象23 4.1.2 影响喘振的因素24 4.1.3 喘振机理的研究27 4.1.4 喘振预测28 4.2 喘振控制策略 28 4.2.1 喘振被动控制方法28 4.2.2 喘振主动控制方法30 4.3 防喘振控制要点 31 4.4 防喘振控制器的设计 33 4.4.1 离心压缩机工作点及喘振线坐标的建立33 4.4.2 离心压缩机防喘振控制体系的建立34 4.4.3 离心压缩机防喘振控制的三种模式38 4.5 小结 38 第五章 离心压缩机控制系统的具体实现.39 5.1 机组功能的具体实现 39 5.1.1 机组 ESD 模块功能的实现 39 5.1.2 机组防喘振模块的实现43 5.1.3 机组调速模块的实现45 5.1.4 机组干气密封调节模块的实现48 5.1.5 机组 SOE 模块的实现 49 5.2 机组 HMI 的具体实现.50 5.2.1 机组开车监控52 5.2.2 机组工艺监控52 5.2.3 防喘振监控53 5.2.4 报警、联锁监控54 5.2.5 调速监控55 5.3 上下位机通讯的 DDE 设计及实现56 5.4 小结 58 第六章 离心压缩机控制系统的系统测试.59 6.1 系统测试的必要性 59 6.2 系统测试的基本方法 59 6.3 系统测试的工作流程 61 6.3.1 系统测试地点61 6.3.2 系统测试人员61 6.3.3 系统测试过程文档61 东北大学硕士学位论文 目录 - VII - 6.4 检测结果 62 6.5 小结 62 结 束 语.63 参考文献.65 致 谢.67 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 选题的意义 离心压缩机是冶金、石油化工、天然气输送、制冷以及动力等工业部门广 泛使用的大型关键设备，是一个复杂的机、电、油、气等综合系统，结构与工 作原理比较复杂，它的原动机有蒸汽离心、电机、蒸汽轮机或能量回收离心。 习惯上，把离心压缩机和原动机的组合体称为离心压缩机组。现在很多流体的 装置都采用了离心式压缩机，如合成氨装置的合成气、循环气，转化装置的天 然气和工艺气，尿素装置的二氧化碳气体以及炼油厂的催化、重整等装置。由 于经济条件限制等原因，这些机组大都是单机运行，没有备用机组，因此确保 这些相当于装置 “心脏”的机组安全稳定运行，就是控制系统必须解决的问题。 此课题来源于我公司为大连福佳大化石油化工有限公司设计并开发的大 型离心压缩机控制系统。福佳大化芳烃项目是在国家实施振兴东北老工业基 地的战略背景下建设的大型现代化芳烃联合装置，该项目的兴建，延伸了大连 石化产业园区从炼油到 PX，到 PTA 的石化“黄金产业链” ，填补了大连石化工 业只有“油头”没有“化尾”的空白。压缩机作为炼油厂中装置的动力系统， 是相当重要的核心部件。它的故障来源既有结构性的也有参数性的，导致系统 具有强耦合性、时变性及非线性等。所以要极高重视离心压缩机保护和调节系 统的开发，此系统的开发成功对以后顺利投产以及安全运行将起到很大的支持 作用，也将为今后开发同类产品起到理论指导作用，并且节约了开发时间，提 高了科技含量及经济效益。 1.2 离心压缩机控制系统设计的要点 离心压缩机的基本控制要求是在保证安全平稳运转的前提下充分利用其允 许的工作区，让机组工作在工艺要求的压力和流量变化范围内，工况稳定可靠， 操作方便，自动化程度高。离心压缩机的工作状态尽可能地对操作人员透明， 便于分析和操作，有较长的历史趋势可查，当联锁停车时，可能会由于一个轴 温高停车，机组收到联锁停车后会打开放空阀，卸去大部负荷，这时可能会出 现其它点，如轴位移过大等联锁反应，为方便查询故障原因，应加入报首次联 锁条件以及 SOE 功能等。伴随微电子和信息技术的发展，国内外有关厂家和学 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 - 2 - 者已将电子器件的信息处理和控制功能揉和到机械装置中，应用机械电子、信 息等相关技术，使装置的功能水平和自动化程度大大提高，使产品一般具有自 动控制、自动补偿、自动校验、自选量程、自动调节、自诊断、自恢复等各种 功能1。 但是值得指出的是，目前国内仍有很多企业的压缩机控制系统以经典控制 理论为基础，采用模拟调节器，对其运行中的有关参数(如排气量、排气压力、 排气温度等)分别作必要的调节，构成单回路的并联控制系统。控制件也多为机 械式的双位或比例调节器以及一些保护继电器。这种控制系统模式虽然能对参 数进行一定的调节，以保证装置正常安全运行，实现必要的工艺要求，但调节 器难以适应大的负荷变化和工况变化，更顾及不到机组总体最佳的节能运行， 因此升级改造势在必行。 近年来发展起来的模糊控制及神经元网络技术，为压缩机的智能控制奠定 了基础。模糊控制技术不需要确切地了解对象的数学模型，而是用语言来描述 受控系统的模型，从而充分利用有经验的优秀操作者对过程细微的、独特的认 识，在复杂的条件下提供适当的输出。而神经元网络技术是一个由大量简单处 理单元连接组成的人工网络，用来模拟大脑神经系统的结构和功能，可用于压 缩机的负荷预测、系统分析和控制，以及某些多变量函数最优值的求取等方面， 成为压缩机理想的控制技术2。 综上所述，总结离心压缩机组控制系统的设计要点如下： （1）控制系统硬件平台的选择。单片机小巧、灵活、成本低、易于产品化、 能方便组装各种智能控制设备和仪器；可编程控制器 PLC 体积小、可靠性强、 技术成熟，特别是它的抗干扰能力强，适合压缩机运行的恶劣环境，可实现故 障自诊断和智能控制；集散控制系统 DCS 合理地吸收了仪表控制系统和计算机 控制系统的长处，构成横向分散、纵向分层的体系结构，实现了信息操作管理 集中化而控制分散化的目的，特别是数据通讯网络技术的应用，将各分散装置 有机地结合在一起，使整个系统的信息沟通起来更加方便3。上述三种选择各 有特点，这就要求我们必须依据工业现场的实际运行条件，以及用户对系统未 来的可扩展性、可维护性的要求程度，还有用户当前的经济状况等等，进行严 密的方案论证并最终选择一个切实可行的硬件平台作为依托。 （2）软件开发平台的选择。很多国外进口的压缩机组，供货商都会一并提 供配套的控制系统，针对性比较强，控制效果比较理想。也可以购买第三方厂 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 - 3 - 家的通用工控组态软件来直接进行上位机监控系统的开发，这样可以缩短开发 周期，但无疑增加了成本。还可以选择自行设计开发专用于离心压缩机组控制 的软件平台，这需要开发人员对压缩机组的特性有比较好的了解，需要较长的 开发时间，但是适当降低了成本。 （3）控制策略的选择。离心压缩机组工艺流程回路复杂，需要监控的参数 众多，涉及到水路、油路、气路的压力、温度和流量控制，以及机组的调速控 制、防喘振控制，机组振动和温度监控，甚至包括同步驱动电机、蒸汽轮机和 变频调速控制等等4。对于这些需要进行控制的对象和回路，我们是选择传统 的 PID 控制技术，还是应用近些年来蓬勃发展的智能控制技术，或者是将两者 相结合即采用先进 PID 控制技术，是个值得深思熟虑的问题，这也是整套离心 压缩机自动控制系统的核心之所在。 1.3 计算机控制系统选择 国际电工委员会(IEC)制定了 PLC 的标准，并给出了它的定义：“可编程序 控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采 用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计 数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类 型的机械或生产过程。 在 PLC 诞生之前，继电器控制系统已广泛地应用于工业生产的各个领域。 继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规 模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统己愈来愈难以适应， 因为继电器控制电路通常是针对某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它 的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制、定时、计数等这样一些简单的控制，一 旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须进行重新设计、布线、装配和调试。 显然，这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需 要。20 世纪 80 年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以 16 位 和 32 位微处理器构成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念 上、设计上、性能价格比等方面有了重大的突破。PLC 具有高速计数、中断技 术、PID 控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序 控制器的应用范围和领域不断扩大。可编程序控制器及其有关的设备，都应按 易于工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则而设计。综上所述， 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 - 4 - PLC 是以微处理器为基础，作为新一代的工业控制器，因其具用通用性高，可 靠性高、维修方便、编程方法容易等广泛应用于工业领域，它是综合了计算机 技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种 装置具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别 是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。 因此，鉴于 PLC 的众多优势，考虑到用户的需求，决定这套离心压缩机控制系 统采用了基于 PLC 的控制系统。 1.4 本文的组织形式 本文在第二章分析了离心压缩机的工作原理、性能曲线和管网特性。在第 三、四、五章以福佳大化芳烃项目离心压缩机组控制系统开发为背景，完成 了用大型 PLC 实现系统的逻辑控制和在工控机上编制人机交互界面，对其自动 控制系统的组成原理和功能设计，特别是对核心部分防喘振控制问题进行了比 较系统地阐述，并以以太网为架构完成整个控制系统，在第六章介绍了控制系 统的测试方案及结果。 东北大学硕士学位论文 第二章 离心压缩机的工作原理 - 5 - 第二章 离心压缩机的工作原理 2.1 基本工作原理 离心式压缩机属于动力式空气压缩机（活塞、滑片、螺杆都是容积式压缩 机） 。其基本工作原理是用高速回转的叶轮提升气体分子动能，再经过扩压器使 气体分子的动能转化为压力能（这时就实现气体的压缩） 。在文献5中详细介绍 了压缩机，大致分为以下两种： (1) 离心压缩机：指气体在压缩机中的运动是沿垂直于压缩机轴的径向进 行的。离心压缩机排气均匀，气流无脉冲，无油，性能曲线平坦，操作范围较 宽。离心压缩机可分为水平剖分型离心压缩机、垂直剖分型离心压缩机和多轴 式离心压缩机等型式。 (2) 轴流压缩机：指气体在压缩机中的运动是沿压缩机轴的轴向进行的。 轴流压缩机排气均匀，气流无脉冲，无油，外形尺寸小，容量大，占地面积小， 效率高。轴流压缩机的多变效率一般要比离心压缩机高。但轴流压缩机只适用 于大流量、低压力的场合；而离心压缩机可用于大中流量，高中低压力，性能 曲线比较平坦。 离心式压缩机的结构：离心式压缩机转动的部件统称为转子，不能转动的 零部件称为静子。压缩机的级由叶轮及其相配合的固定元件组成。气体压缩过 程中的中间冷却，需要将压缩机分为多段。每个机壳所包括的机器本体称为缸。 离心式压缩机的主要零部件如下： (1)转子 转子是离心式压缩机的主要零部件，它由主轴、叶轮和平衡盘等 组成。 (a)主轴 主轴上安装所有的零部件，其作用就是支持旋转零件及逆转矩。 (b)叶轮 叶轮也称工作轮，是压缩机中最重要的一个部件。气体在叶轮片 的作用下，随叶轮高速旋转，气体由于受旋转离心力的作用以及在叶轮里的扩 压运动，使气体压力提高。此外，使气体压力提高，这时气体速度也得到提高。 (c)平衡盘 在多级离心式压缩机中，由于每级叶轮两侧的气体作用力不等， 使转子受到一个低压端的合力，即轴向力。轴向力对于压缩机的正常运转十分 不利，它会使转子向一侧窜动，甚至使转子与机壳相碰，造成事故。因此，应 东北大学硕士学位论文 第二章 离心压缩机的工作原理 - 6 - 设法平衡（消除）它。 (2)静子 静子中所有的零部件不能转动。它由机壳、扩压器、弯道、回流 器、涡室和密封等组成。 (a)机壳：机壳又称气缸，是静子中最大的零件。它通常用铸铁或铸钢浇铸 出来的。对于高压离心式压缩机，均采用圆筒锻钢机壳。机壳一般有水平中分 面，便于装配。上下机壳用定位销定位，螺栓连接。 (b)扩压器：叶轮对气体做功，使气体的压力和速度均得到提高。为了充分 利用速度能。常在叶轮后面设置扩压器，把气体的速度能转换为压力能。 (c)弯道：在多级离心式压缩机中，通过弯道是气体拐弯进入下一级，弯道 是由机壳和隔析构成的弯环形空间。 (d)回流器：使气流按所需的方向均匀地进入下一级。它由隔板和倒流叶片 组成。 (e)涡室：其作用是把扩压器后面或叶轮后面的气流汇集起来，把气体引到 压缩机外面去，流向气体输送管道或流到冷却器去进行冷却。 (f)密封：其作用是防止气体在级间倒流及向外泄露。密封有隔板密封、轮 盖密封和轴端密封6。 2.2 性能曲线及管网特性 离心压缩机的运行工况常常发生变化。为了反映不同工况下压缩机的性能， 通常把在一定进气状态下对应各种转速、进气流量与压缩机的排气压力、功率 及效率的关系用曲线形式表示出来，这些曲线就称为压缩机的性能曲线7。对 于工业用压缩机，性能曲线一般只给出排气压力或压比、功率与流量的关系。 性能曲线用数学关系式表示为： (或)=(，或) (2.1)Pd e fn a QG 式中，为压缩机进气容积流量；为质量流量；为压缩机转速； a QGn 为排气压力； 为压缩机出口和进口压比。Pd e 离心压缩机的性能曲线可以通过计算方法、试验方法和试验计算相结合的 方法来获取。但是由于计算中需要做出这样或那样的假设，计算结果必然是近 似的，因此，有时可靠和更为准确的特性曲线还是要通过整机试验来获得。试 验时，当压缩机在一个转速下稳定运行后，调好一个流量，维持转速不变，待 各参数稳定后，再测量并记录所有测量点的数据。如此测量相对于不同流量点 东北大学硕士学位论文 第二章 离心压缩机的工作原理 - 7 - 的数据，经过整理就可以绘成在这一个转速下的特性曲线。改变压缩机的转速， 按上述方法进行，又可以得到其他转速下的流量特性曲线，以至整个转速范围 内的全部特性曲线。如此获得的特性曲线是在特定的进气条件下得到的。显然， 进气条件发生变化，特性曲线也要发生变化。利用相似原理，可以得出不随进 气条件变化的通用性能曲线，在文献8中对此进行了详细的论述。 压缩机性能曲线是压缩机变动工况性能的图像表示，它清晰的表明了各种 工况下的性能，稳定工作范围，是操作运行、分析变工况性能的重要依据。 管网定义如下：离心压缩机在使用时，总是和其他设备管道联系起来，与 驱动机用传动机构连接起来，构成一个统一的系统。通常把为输送气体连接压 缩机的管道、容器等全套设备，包括进、排气管线等。 离心压缩机在运行时要适应管网的要求，一般来说管网的要求可以分为三 大类： 其一，流量改变但要求气体压力维持不变，满足这类要求的调节常称为定 压调节； 其二，压力改变时，流量维持不变，这类调节常称为定量调节； 其三，压力和流量按一定规律变化。 离心压缩机的喘振情况与管网特性有关。管网容量越大，喘振的振幅越大， 而频率越低；管网容量越小，则相反。 离心压缩机运行时，为适应不断变化着流量或压力的管网要求，压缩机也 应该不断改变着排气压力和流量，也就是要不断改变运行工况。改变压缩机运 行工况是由压缩机本身和管网特性共同决定的。 2.3 离心压缩机的调节 离心压缩机是与其它装置(或者压力容器)联合工作的。当装置的阻力系数 在生产运行过程中很稳定时，压缩机则稳定在某一工况点(一般应为设计工况点)工 作。但是，在生产运行过程中，装置的阻力或者流量要求经常变化(即管网特性 曲线变化)。为了适应管网特性曲线变化时，保证装置对压力(或者流量)特定值 的要求，就需要改变压缩机的性能，使其在新的工况点工作。这种改变压缩机 性能的方法被称之为调节9。 根据工艺流程的不同要求，按调节的任务可分为: (1)等压力调节:改变压缩机流量，保持压力稳定。 (2)等流量调节:改变压缩机压力，保持流量稳定。 东北大学硕士学位论文 第二章 离心压缩机的工作原理 - 8 - (3)比例调节:保持压力(或者流量)比例不变。 为达到上述调节任务，离心压缩机可以采用各种调节方法。由于离心压缩 机和轴流压缩机在气动特性和结构特点等方面有所不同，故其调节方法也不尽 相同。对离心式压缩机来说，有如下结论成立： (1) 变转速调节是调节范围最大、经济性最好的调节方法。适用于汽轮机、 燃气轮机等可变转速原动机拖动的离心压缩机和离心鼓风机。 (2) 进口节流调节是调节方法简单、具有较宽的调节范围、经济性较好的 调节方法。为一般固定转速的离心压缩机和离心鼓风机所广泛采用。 (3) 进口气流旋绕是调节范围较大、经济性好、但结构比较复杂的调节方 法。正旋绕调节为固定转速的离心压缩机所采用；负旋绕调节为某些运输式离 心压缩机所采用。 (4) 出口节流调节是方法简单、经济性最差的调节方法。为小功率的离心 鼓风机和通风机所采用。 (5) 变扩压器叶片角度调节，是使离心压缩机性能曲线基本上平移，扩大 压缩机稳定工况范围最有效、经济性好、结构比较复杂的调节。对于某些流量 变化范围很大，而压力要求稳定的离心压缩机可采用这种调节方法。 (6) 为了扩大离心压缩机的工作范围，可采用几种调节方法联合使用的调 节方案10。 2.4 离心压缩机的控制和保护 离心压缩机的控制和保护的目的是:为了保证离心压缩机的稳定和安全运行。 比较典型的需要控制和保护的工艺环节如下： (l)离心压缩机的温度保护:缸、段间进气温度的保护，轴承温度的保护，润 滑 系统油温和冷却系统水温的保护等等。 (2)离心压缩机的压力保护:排气压力控制，油压保护，水压保护等等。 (3)离心压缩机的机械保护:轴向位移(轴向推力)保护，机械振动保护等等。 (4)轴流压缩机的逆流保护和防阻塞控制11。 2.5 小结 本章对离心压缩机的工作原理、性能曲线、管网特性、调节和保护措施等 内容，限于篇幅，只是做了最简单地陈述，细节请参考相关的书籍文献。 东北大学硕士学位论文 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 - 9 - 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 为确保压缩机的安全高效运行，须有一套完整全面的控制系统做后盾，因 为控制系统对轴温、轴振、位移、油压等各种信号监测，当出现实测值超出联 锁值时会发出报警，当油压低时会自启辅油泵等，控制系统对防喘振也实施了 控制。开发出具有运行控制功能和跟踪保护功能的压缩机测控系统，已成为生 产厂家和广大用户面临的较为迫切的问题。伴随微电子、计算机和信息技术的 发展，采用继电器实现其相关联锁逻辑功能，实现手段不仅落后，维护工作量 大，而且还经常出现原因不明的意外停车，防喘振控制系统运行也不理想。因 无 SOE 功能（顺序事件记录）无法查明误动作原因，为装置生产运行造成许多 隐患。因此如何利用先进的控制技术，代替压缩机传统的开关、继电器控制， 从而提高压缩机的可靠性，及时发现故障并进行故障诊断、故障排除等一系列 的问题，已愈来愈受国内外生产厂家和学者的关注。本章将根据用户的要求对 系统进行需求分析，确定系统的总体架构及各模块的应具备哪些功能。 3.1 系统功能需求 (1) 数据采集及处理 需采集的数据包括：压缩机转速；压力(各级进气压力、排气压力、润滑油 压力等)；温度(各级进气温度、排气温度、油温、冷却水温、压缩机轴瓦温度、 电机温度等)。在整个运行过程中，计算机系统应对压缩机的气、油、水路三大 系统的主要性能参数、关键运行参数和空压机的轴向位移进行连续、循环监侧。 (2) 性能参数的自动调节 压缩机排气量调节：进出口温度、压力的自动调节；油路、水路系统运行 参数的自动调节等。 (3) 自动控制系统 测控系统根据编制的工艺流程和规定的操作程序，对机器设备执行一定的 顺序控制或程序控制，如实现压缩机的程序启动与停车、自动卸载以及通过与 机组性能模拟参数的比较，不断调整工况参数，使机组运行在最佳工况点等。 (4) 故障报警和故障分析系统 当压缩机出现欠压、短路、电动机过载、油位偏低、油压不足、冷却水量 东北大学硕士学位论文 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 - 10 - 不足、排气温度过高、排气压力过高等情况时，监控系统能进行声光报警，同 时运用屏幕显示或打印机打印进行故障记忆，从而根据超限测点及相关参数判 断并指明故障部位、故障属性、故障原因及排除故障的方法。 (5) 紧急停车系统(ESD) 当压缩机或者汽轮机出现紧急情况时，如温度、转速过高、油压过低等， 系统应紧急停汽轮机，对压缩机提供保护。 (6) 性能参数的屏幕显示 显示内容主要包括：压力参数、温度参数、控制参数、压力变化趋势、温 度变化趋势、控制参数、变化趋势及流程图等 3.2 系统设计目标 系统设计是以工艺流程的特点和应用要求作为主要依据，按照易于与工业 控制系统形成一个总体，易于扩展其功能的原则选型所选用的 PLC 应是相关领 域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC 的软硬件配置、功能要求应与装置规模 和控制要求相适应，这样才能更好的实现设计目标。 3.2.1 性能指标 （1）输入表决的自校正功能，保证处理器收到的是正确的表决值，抗电气、 抗噪声干扰。 （2）容错功能，即使出现各种系统故障，控制器仍能继续工作，控制器在 一个主处理器的工作下也能正常使用，自诊断特性始终存在，无需编程。 （3）合理使用 ETP，ETP 是连接各卡件通道到现场的接线端子集成件，合 理选择 ETP 对故障处理起到很重要的作用，例如，DI 输入卡件，ETP 各通道必 须选择在带保险管与发光二极管组合的型号。由于系统选择事故安全型设计， 当保险管坏时，发光二极管马上就亮，这样可以迅速检查出故障点。 （4）机组控制系统的可靠性和可用性 机组控制系统生产厂应提供所有设备的最小的平均无故障时间(MTBF)和平 均故障修复时间(MTTR)。 （5）机组控制系统各级负荷 控制站 CPU 的负荷不应高于 50%；当控制站满负荷时，系统的电源、软件 的负荷不应高于 50%；各级通讯负荷不应高于 50%；其它各种负载应具有至少 40%以上的工作裕量；I/O 卡件插槽要求预留 15%的余量。 东北大学硕士学位论文 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 - 11 - （6）机组系统的可用率应不低于 99.99% 机组控制系统的设计应是故障安全型的，系统内发生故障时，应能按照故 障安全的方式停机。 3.2.2 功能指标 （1）故障诊断功能 用 TRICONEX 公司提供的 CPU 诊断软件及专用串口电缆，通过安装在计 算机上软件进行故障诊断。 （a）系统卡件故障诊断。当系统内或卡件有一任意故障时， 当系统内或 卡件有任意一个故障时，系统将输出一个报警信号。诊断报警信号的原因可以 通过系统给出的故障地址代码，在上位机 HMI 进行直观检查故障。它的每一个 故障报警地址连接可以从 TRICONEX 公司提供的硬件手册中查到。 （b）采用组态软件 Tristation 1131 故障诊断。 在线运行时， Tristation 1131 诊断监视器可以显示版本号，存储器大小和用来在 TRICON 中 控制程序执行的扫描时间信息，以及系统故障状态。详细的诊断显示，描述了 系统机架及 I/O 卡的运行状态。如果系统出现故障，可提供全部详细的故障信 息点及处理方法。 （c）通讯诊断方法。可以通过 Tristation 1131 软件编一个小程序，让上位 机 HMI 不停地向系统写 0 和 1 数据， 2 秒钟翻转一次，如果翻转时间超过 5 秒 钟时，就输出通讯故障报警。认为计算机可能死机或通讯故障。 （d）TS-3000 系统内部始终对卡件通道进行诊断，诊断的方法是始终向卡 件每一个通道发送微信号脉冲，如果系统外开路，该通道就无法诊断故障。故 TS-3000 系统必须采用事故安全型设计。另外要特别注意，当采用模拟输出卡 件时，输出通道中的备用通道必须加 250 短接线，否则系统将出现故障报警 显示。 系统除靠近 CPU 通讯卡为单卡外，其余机架上的卡件槽位，均可以插双卡 运行，插双卡时，在带电情况下，最后插入的卡件为主卡（运行卡） ，另一块卡 在热备状态，当主卡出现故障时，系统会自动诊断出来，并自动切换到另一块 卡上运行。 每一卡的每一个输入通道均采用三重化设计，即一个信号进入卡件的一个 通道时，分别分成三路独立的通道在经过表决电路后进入系统，故输入信号可 靠性非常高，即便系统内部有一路故障报警，系统还能继续正常工作（安全性 东北大学硕士学位论文 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 - 12 - 差） 。 运行状态通过卡件上的发光二极管显示。 （2）与外部通讯功能 使用 TCM 通讯卡提供的 RS-232/RS-422/RS-485 通讯口，以 MODBUS 协 议作为标准，控制器与目前使用的 DCS 系统都能实现通讯，与 BENTLY 实现 通讯，并且十分稳定。 TCM 通讯卡上的 NET1 口支持 TRICON 子系统对等点对点通讯，各子系统 时间同步；NET2 口支持开放网络，使用 TCP/IP 或 IEEE802.3 协议，通讯速率 可达 100 兆波特率。 （3）DDE 功能 设计为 HMI 通讯的软件，设置方便简单，使用十分灵活，可以和多个结点 实现通讯。 （4）SOE 功能 系统内具有 SOE 功能设计。当事件发生时，以毫秒级时间记录发生的事件。 每一个块设计最大记录点数 20000 点（自动刷新） ，总共可以 60000 点，只要在 刷新之前用 SOE 软件分析每一时刻发生的事件（只能数字量并且不包括输出数 字量和模拟 I/O 量） ，就可以分析出事件的先后动作顺序。 （5）防喘振功能 系统内提供专门的函数块来实现压缩机的防喘振控制，各种功能提供丰富 的控制手段和调试手段。 3.3 系统硬件总体设计 3.3.1 TS3000 产品介绍 TS3000 系统由美国 TRICONEX 公司提供的大型 PLC 产品，它以三重化冗 余（TMR）为主要特色。TMR 就是所有重要电路都实现三重化或物理三重化并 且具备冗余功能，安全等级必须具备 TUV 6 级或 SIL-3 级认证。它克服了以往 分散控制系统的缺点，把机组的各个控制部分，包括：机组联锁 ESD、SOE 事 件顺序记录、机组控制 PID(例如：防喘振控制、调速控制等)及常规指示记录功 能，故障诊断功能等完美地结合在一起，集成为一套机组综合控制系统。 TS3000 系统具有三重化冗余处理器(TMR)，可用于控制及信息处理，它提 供了高级的编程特点和多种通讯方式满足你独特的应用。它为具有特定 I/O 要 求的大规模顺序和调节控制应用以及与其它处理器和设备协调的需要而设计的。 它包括如下功能： 东北大学硕士学位论文 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 - 13 - （1）支持多种编程语言：梯形图、结构文本、功能流程块图。 （2）先进的指令集：包括基本的和先进的 ASCII 串指令，先进的算术功能。 （3）多种函数块。 （4）内置的通讯：RS232/485，远程 I/O 控制网络，远程 I/O 通讯。 （5）TS3000 通讯模块提供了以太网端口，端口提供了嵌入的 TCP/IP 通讯 功能，使处理器能够和以太网口主机通讯。 3.3.2 系统网络结构 在整个压缩机控制系统中，通过以太网进行通讯的设备已经在系统结构里 介绍过，从系统结构图中也可以清楚的看到。还有几个部分通过 MODBUS 协 议进行通讯。TS3000 系统可以通过配置 TCM 通讯卡的四个串口与 3500 测振系 统和 DCS 进行通讯。这些端口在系统做从站时可以选择使用 ASCII 或 RTU MODBUS 传输协议，支持 RS-232 或 RS-485 通讯。MODBUS 是一种主从协议， 规定了网络主从设备通讯的建立和断开，信息交换，错误检测等。本系统考虑 到传输距离，都采用 RS-485 通讯模式。控制器与 3500 系统之间通讯时，控制 器做主站，3500 系统做从站，3500 被设定为一个从设备，只能响应主设备的传 输请求。通过简单的通讯连接，3500 能够直接把压缩机的压缩机轴振动、位移 等参数传输到控制器中。与 DCS 系统通讯时，DCS 系统做主站，TS3000 系统 做从站，选用 RTU 协议，控制器把压缩机各参数传送到 DCS 系统上显示。 3.3.3 系统硬件总况 按行业习惯把 PLC 控制器称为下位机，操作站、工程师站称为上位机，它 们之间通过以太网线连接起来，通讯使用 TCP/IP 和 DDE 协议，双网冗余。下 位机的就地和远程机架间因距离过远，用光纤连接。机组控制系统设置一台工 程师站，安装在中心控制室的工程师室内，通过冗余的通讯方式连接在控制器 的通讯接口上，用于控制器的组态、除错、修改、测试、软件装载及维护。工 程师站具备打印组态数据和图形功能。工程师站具备顺序事件记录(SOE)功能， 配置整套顺序事件记录软件。工程师站的 PC 机的规格与操作站的相同，并配 备软盘驱动器、光盘驱动器，并留有人机接口(HMI)。两台操作站，用于操作员 操作。一台数字报警灯屏(具备操作站功能)用于安装按钮、开关、指示灯等。 控制器与操作站通过冗余的光纤连接。系统的结构图如图 3.1 所示。 东北大学硕士学位论文 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 - 14 - TS3000 控制系统由主机架、扩展机架组成。系统硬件采用模块化结构，包 括电源模块、处理器模块、通信模块、输入/输出模块及安全栅等相应附件，如 表 3.1 所示。 东北大学硕士学位论文 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 - 15 - 图 3.1 控制系统结构图 Fig.3.1 Scheme of control system 东北大学硕士学位论文 第三章 离心压缩机控制系统的总体设计 - 16 - 表 3.1 TS3000 系列控制器配置清单 Table 3.1 TS3000 controller configuration list 序号说明型号数量 01三冗余（TMR）控制器主机架81101 02 增强的主处理器（EMP）10.3 版操作系 统 30083 03网络通讯模块 TCM4351A2 04220VAC 电源模块83128 05远程 I/O BUS 电缆 3 根/套90003 06扩展机架81113 07DI 模块 24VAC/DC 隔离 32 点 TMR3503E5 08DI 模块 24VAC/DC 端子 16 点9563-81010 09DO 模块 24VAC/DC 隔离 32 点 TMR36253 10DO 模块 24VDC 端子 16 点9662-1106 11AI 模块 4-20mADC 偶合 32 点 TMR3700A9 12AI 模块 4-20mADC 端子 16 点9762-21018 13AO 模块 4-20mADC 8 点 TMR3805E5 14AO 模块 4-20mADC 端子 8 点9853-6105 15PI 模块 24VDC 隔离 8 点 TMR35112 16PI 模块 24VDC 端子 8 点9753-1102 17空槽盖板810516 18FAR 与 CCS 间冗余通讯光缆1400 米 19 中心控制室机柜与操作站、工程师站、 网络打印机之间的电缆及其接头 1 套 3.3.3 系统外部 I/O 点数确定 三台离心压缩机组的 I/O 模块在机架上的布置在物理上独立，彼此间不混 用。汽轮机的三取二超速保护在压缩机控制系统中实现