压缩机控制系统

近十几年来， dcs 以其强大的控制功能、集中的操作显示功能及高可靠性等，在现场应用越来越多。然而，对一些较小的控制系统，投入一套dcs ，从经济上考虑不怎么划算； 但使用一些常规仪表， 又具有操作显示不方便等诸多缺陷。因此，一些厂家从各方面考虑着手，生产了具有很强控制功能的智能化仪表。apacs353是美国moore products公司近两年推出的， 具有 dcs 和plc的许多优点， 可称得上是一种专用小型控制系统。本文就apacs353在湖北一碱厂压缩机控制系统中的应用，对该智能控制器作一介绍。1、macs353智能控制器apacs353是一种独立的、以微处理器为基础的过程自动化控制器。其应用范围特别广泛，既可用于小批量处理过程或连续过程，亦可用于离散控制过程。它具有如下特点：采用模板化结构，用户可根据自己的实际需要来灵活配置。其核心是一块功能强大的微处理器mpu板，该板应用了最新的微处理器技术，可以实现单回路、串级及一些复杂的控制策略，且带有自己的i/o；若 i/o 不够，可以增加一个i/o扩展板，接收热电偶、热电阻、频率等信号。为了集成全厂控制管 理网络系统，可以配置局部仪表链接lil 网络板、现场总线lon works板；可以支持25个控制回路，以解决复杂的控制问题。另外，每个回路的pid 参数可以进行自整定；可以组成开放式系统。mpu 板自带的modbus通信提供主 /从式网络，精品资料使 353 容易地与其它系统集成在一起；lil 通信可用来代替modbus ，提供对等的高速网络；支持最新的现场总线技术。lon works现场总线可以在其中得到应用；该控制器既可用前端面板来组态和监控操作，也可先在上位机组态好后下载到 353 中。其组态语言既可用功能块语言，也可用梯形逻辑图语言，灵活方便，易于组成各种控制方案以满足控制对象的实际要求。此外，在该控制器中，还保存有一些通用的工厂组态方案库，用户可根据自己的需要调出相应的库，稍作修改后变为己用，这样可以简化组态。2、压缩机控制系统压缩机是一种将气体压缩从而提高气体压力或输送气体的机器，按能量转换方式可分为动力型和容积型两类。离心压缩机属动力型，其工作原理是根据动能转换为势能的原理，将流体加速到高速，然后降低速度，通过改变它的流向，把它所具有的动能转换为势能，从而提高压力。压缩机的调节或控制有两个目的，一个是改变压缩机的性能以适应管网系统特性的变化，保证压缩机的操作符合工艺要求；另一个是保证压缩机的安全运行，防止压缩机发生喘振和在严重情况下毁坏机器。2.1 1 适应管网特性变化压缩机是与管网系统联合工作的，管网系统指与压缩机联合在一起运行的各种装置、设备、容器、阀和管道，压缩机和管网的特性曲线如图1 所示。图 1 中，曲线 1 为压缩机的工作曲线，曲线 2 与 2为管网的特性曲线。当管网的阻力系数在生产过程中稳定时，压缩机则稳定在某一工况点工作。但是，在生产运行过程中，管网的阻力系数可能经常变化 (如工厂用气量的变化 )，这样管网的特性曲线就发生变化， 为适应这一变化， 保证管网对压力或流量的要求， 就需要改变压缩机的性能，使其在新的工况点工作。例如，原来压缩机工作在其稳定工况点 m，若管网特性由曲线 2 变为曲线 2，则此时对应的压力和流量均发生变化，若系统不允许这样的变化，就需要进行调节。根据工艺要求，有以下三种调节：等压力调节，通过改变压缩机流量保持压力稳定：等流量调节，通过改变压力保持流量稳定；比例控制，用来保持压力或流量的比例不变。2.2 2 防喘振调节系统在管网中，由于工况改变，流量明显减少，出现严重的旋转脱离，形成突变型失速：此时，工作轮虽旋转，但不能提高气体压力，压缩机出口压力显著下降。而管网容量较大，反应不灵敏，管网压力并不马上减低。于是可能出现管网压力反大于压缩机出口压力的情况，因而管网中的气体就向压缩机倒流， 直到管网压力下降到低于压缩机出口压力为止。这时倒流停止，气体又在叶片作用下正向流动，压缩机又开始向管网供气。但当管网压力不断回升，又回复到原有水平时，压缩机正常排气又受到阻碍，流量又下降，系统中的气体又产生倒流。如此周而复始，在整个系统发生了周期性的轴向低频大振幅的气流振荡现象，即为喘振。喘振使压缩机的性能显著恶化，气流参数 (压力、流量 )产生大幅度脉动，噪声和振动加剧，严重时足以损坏压缩机。喘振的标志是一最小流量点，低于这个流量即出现喘振。因此，需要有一个防止压缩机发生喘振的控制系统，限制压缩机的流量不会降低到这种工况下的最低允许值，即不会使压缩机进人喘振工况区域内。压缩机的防喘振条件为pa(p2 bp1)式中：p 为进口管路内测量流量的孔板前后压差；p1 为进口处压力； p2 为出口处压力； ，b 为有关参数。3、应用实例该控制系统的对象为碱厂的一台 co2 离心压缩机，在纯碱工业中， co2的压缩是一个极为重要的关键工序，因此压缩机的作用很大。在我国早期建设的各种规模的纯碱厂，多采用往复活塞式压缩机，目前，多以离心式和螺杆式压缩机为主。3.1 1 系统配置考虑到整个系统的安全性，一台仪表或设备的故障不应影响到其它设备， 故在设计时，把整个系统的功能分散，apacs353主要执行调节、联锁保护功能，所以在apacs353内部只配置mpu 板和 i/o 扩展板。系统要求具有记录功能，即一些重要数据要求记录以便查询，而单独的353 不具有该功能，所以另配4 台无纸记录仪来完成该功能。尽管apacs353能实现报警功能，但报警仅体现在面板的棒条闪烁、报警 led 灯亮，不直观。系统要求具有声光报警，使用一微机闪光报警器来实现。3.2 2 等压力调节系统及无扰切换该 co2 离心压缩机属工艺流程压缩机，结合制碱工艺的特点， 要求压缩机有稳定的出口压力。压力调节可采用进口节流和出口节流，但出口节流经济性很差，由于节流的原因，白白地损失了能量，所以采用进口节流的调节方法。控制原理图如图2 所示。压力变送器变送压缩机的出口压力，当由于管网阻止变化，出口压力偏离 给定值时，产生一个偏差信号，经pid 控制器调节后，使进口阀门开度变化， 对压缩机进行进口节流调节，使出口压力达到要求的给定值，这时，偏差信号 消失，压缩机在新的工况点稳定运行。图3 是等压力调节系统的组态控制图。图3中省略了输入 /输出功能块、报警功能块。setpt为给定值块， pid为 pid 控制块，a/m 为手动/自动块，并且块中一些不必要的输入输出没有标出。这里介绍macs353是怎样实现无扰切换的。当处于手动状态时，a/m功能块的输出na 为true ，而该输出连到setpt功能块的 tc 输入，故setpt块的输出 01 ，即回路的给定值等于过程值， 即 setpt块的输入 tv 。在这种情况下， 过程值=给定值， 系统无偏差。当切换到自动状态时，阀门不会跳变。故，从手动到自动无扰：当处于自动状态时，回路的给定值可由353 的面板进行调节，绝大多数情况下不等于过程值。此时进行pid 算法调节，使过程值向给定值靠拢。当切换到手动状态时， a/m 块的输出 as=faise ，而该输出连到pid 功能块的输入a，即pid 块处于手动状态，此时pid 算法被旁路， pid 块的输出 01= 其输入f，而f 被连到 a/m 块的输出 01 ，即正好为此时的阀门值，阀门不会跳变。故，从自动到手动元扰。3.3 防瑞振调节系统根据压缩机的防喘振条件，压缩机的防喘振控制，原理图如图4 所示。孔板前后压差p、进口压力p1、出口压力p2通过各自的变送器检测出，p1 乘以系数b 后与p2 一起送入加减器，得出p2 bpl 之值，该值与 p 经过除法运算，结果送到防喘振调节器中和给定信号值进行比较，当大于值时则系统正常，当小于或等于值时，防喘振调节器工作，打开旁路调节阀， 使一部分气体旁路到压缩机的人口，增大压缩机的流量， 达到防喘振的目的。其中全部运算和调节功能均在afacs353中实现。在afacs353中，有一类 on/off控制功能块， 能对过程值和给定值进行比较以执行调节功能，正好作为防喘振调节器。3.4 4 安全保护系统压缩机除了防喘振之外，还有其它的安全要求。轴承工作温度不能过高， 若轴承温度过高，由于润滑油的油性和粘性降低，易于引起局部油膜的破坏， 润滑失效，轴承的承载能力降低，甚至使润滑油碳化而发生烧瓦。为了保证系统正常地工作，必须有足够的润滑油强制循环润滑，这就要求润滑系统的最低供油压力不得低于某一值。在控制系统中，排气温度、推力盘温度和主轴承温度均可对压缩机的工作温度进行反应口所以，在 apacs353中，组态了排气温度调节回路，以使压缩机的工作温度不致过高。另外，还组态了紧急停车联锁回路，联锁原理图如图5 所示。图 5 中，压缩机排气温度信号来自apacs353内部，其余4 个信号均来自无纸记录仪。在apacs353中，用4 个离散量输入功能块din 来接收无纸记录仪来的开关量信号，并且353 内有直接继电器输出，可用来控制压缩机停车用的接触器。3.5 5pid 参数的自整定在控制回路的pid 控制功能块中， 若内部参数autotune设为 yes ，就可通过面板的tune 按键来启动pid 参数自整定过程。 在自整定过程中， 当过程值的变化超过控制块的内部参数%hys时，阀门变化 %step ，通过阀门的这种调节，了解过程的动态变化，从而控制过程值逐步趋向给定值。然后，控制器运用获得的知识得出pid 参数的设置。实际上，阀门的变化值也在动态调整。在自整定的第11.5个循环周期中， 变化值为 %step ，控制器从而得出一大概的p值。在剩下的过程中，控制器 动态调整阀门的变化，以保证变化前后的过程值差在参数%dev的限制内。整定结束后， p， i，d 参数传人控制器，控制器恢复正常的pid 状态。4、系统扩展该系统经安装、调试，已全部正常工作。相比以前的手工操作或多个单回路调节器来说，目前的系统具有操作方便、显示直观、价格低廉等优点。但一个系统的成功设计不仅保证系统全部功能的可靠实现，而且为以后系统的扩展做好坚实的基础。下面介绍 lon works 现场总线在系统扩展中的应用。在 afacs353控制器内，安装lonworks现场总线板，该板使用自由拓扑结构的收发器，传输速率为78.1kbps 。此时， 353 背面的25，26 号接线端子(ioa 、iob) 可用，利用一对双绞线与现场的智能变送器传送信号，构成高速数字现场总线。网络拓扑结构可为星型、总线型、环型以及混合型。图6 表示了总线型网络的拓扑结构。该现场总线网最多只能接64 台设备。安装完成后，还需要对lonworks网络进行组态，即对网络上的每一台设备的有关参数进行设置，这可用一台使用串行 link talk适配器 slta 连到网络上的网络管理器来在线完成，完成后的组态驻留在各自的设备中。到目前为止，全部完成了lon works网络的安装和设置，剩下的工作就是在353中使用相应的设置变量。这比较简单，只需在353的