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    前言

    原料空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)空分裝置而言，空氣壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到所有的后續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，目前空壓機(jī)的控制方式有機(jī)器廠家自帶PLC控制器，或在DCS上實(shí)現(xiàn)控制，而后者被越來(lái)越多的應(yīng)用，空壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在整個(gè)儀控設(shè)計(jì)中同樣有著極為重要的作用，空壓機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)化水平的高低直接影響了整套空分裝置的自動(dòng)化水平。

    河北前鋼21000Nm3/h空分裝置主體設(shè)備由杭氧生產(chǎn)，空壓機(jī)采用的是美國(guó)Copper 公司3MSG25/ 10型三級(jí)壓縮的壓縮機(jī), 配套的電機(jī)是美國(guó)西屋公司10000kW電機(jī), DCS控制系統(tǒng)采用的是美國(guó)HONEYWELL公司的PKS（ R301版本）系統(tǒng)，通過(guò)PKS系統(tǒng)的控制組態(tài)軟件Control Build 可以創(chuàng)建控制模塊（CMs），順序控制模塊（SCMs），及硬件設(shè)備，通過(guò)執(zhí)行下位程序的編寫(xiě)和運(yùn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)各種控制策略的組態(tài)；通過(guò)流程圖組態(tài)軟件HMIweb Display Build則可以實(shí)現(xiàn)繪制用戶(hù)流程圖、連接顯示數(shù)據(jù)、組態(tài)數(shù)據(jù)及圖形參數(shù)，并且利用強(qiáng)大VB代碼可以實(shí)現(xiàn)包括動(dòng)態(tài)顯示在內(nèi)的各種功能；而通過(guò)第三方控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)軟件Quick Builder可以建立上位軟件與下位硬件之間讀取數(shù)據(jù)的接口，從而在操作站軟件上搭建監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，從而真正達(dá)到DCS系統(tǒng)的分散控制，集中操作、分級(jí)管理。

    空壓機(jī)系統(tǒng)控制要求

    （1）恒壓控制

    原料空壓機(jī)的作用就是滿(mǎn)足工藝要求送出一個(gè)壓力恒定的氣流，為分餾塔分餾提供原料空氣，所以它的最基本的控制要求就是恒壓控制。

    （2）防喘振控制

    喘振工況是空壓機(jī)系統(tǒng)的非正常工況，也是離心式壓縮機(jī)特有的工況之一，具有破壞性。如果空壓機(jī)出現(xiàn)喘振，則會(huì)直接損壞空壓機(jī)設(shè)備，造成空分停車(chē)事故，所以必須要避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生，以免造成更大的損失。

    （3）故障聯(lián)鎖邏輯控制

    在空壓機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，只要有任意一個(gè)監(jiān)控參數(shù)達(dá)到聯(lián)鎖值，為了避免損壞設(shè)備，必須將空壓機(jī)停車(chē)。這也是空壓機(jī)的故障聯(lián)鎖控制的基本要求。

    （4）輔助安全控制

    高壓保護(hù)控制：為了防止出口壓力過(guò)高，空壓機(jī)的出口壓力設(shè)置一個(gè)安全保護(hù)范圍，使它工作在正常范圍之內(nèi)。
    電機(jī)過(guò)載保護(hù)控制：為了防止空壓機(jī)電機(jī)超負(fù)荷工作，限制入口導(dǎo)葉無(wú)限開(kāi)大，通過(guò)電機(jī)過(guò)載保護(hù)控制器調(diào)節(jié)導(dǎo)葉而減小負(fù)荷。

    （5）空壓機(jī)自動(dòng)加載和自動(dòng)卸載

    實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的自動(dòng)加載大大方便了操作人員的操作，避免了操作升壓時(shí)誤操作而引起空壓機(jī)喘振，縮短了人工加載的加載時(shí)間，具有升壓快，升壓電流小，節(jié)能的特點(diǎn)。

    通過(guò)了解以上各個(gè)控制要求，我們控制策略的設(shè)計(jì)必須合理、有效的把各個(gè)要求都在我們的控制系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)空壓機(jī)的可靠運(yùn)行提供重要的保障。

    空壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    在先前的介紹中，我們已經(jīng)了解可以通過(guò)Control Build實(shí)現(xiàn)控制策略的組態(tài)，而在整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)控制模塊CM、順序控制模塊SCM，將以上幾個(gè)控制要求很好的結(jié)合在一起，并且各司其職。既實(shí)現(xiàn)了各種控制要求，又實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加載、卸載，停車(chē)邏輯等保護(hù)。

    空壓機(jī)系統(tǒng)中被控對(duì)象就是兩個(gè)閥門(mén)：入口導(dǎo)葉IGV1001,放空閥BOV1002。通過(guò)各個(gè)控制模塊的組合設(shè)計(jì)，讓各個(gè)控制器在該起作用的時(shí)候就接過(guò)控制權(quán)，控制閥門(mén)動(dòng)作，使其工作在穩(wěn)定、安全的工作區(qū)域。圖1、圖2分別是入口導(dǎo)葉IGV1001和防空閥BOV1002的控制框圖。

               

                                              圖1 入口導(dǎo)葉控制

    圖1中，HC1001是入口導(dǎo)葉手操器，PIC1019B是入口導(dǎo)葉壓力控制器，IIC1060是電流保護(hù)控制器，UNLOAD_RAMP是卸載爬坡器， IGV_RAMP是入口導(dǎo)葉爬坡器，CALC是一個(gè)計(jì)算模塊。PIC1019B和HC1001的信號(hào)通過(guò)高選器輸出，之后再與電流保護(hù)控制器的輸出低選，最后通過(guò)與導(dǎo)葉的最小開(kāi)度計(jì)算作為最終的輸出信號(hào)，最后的計(jì)算公式的意義也就是保證了導(dǎo)葉開(kāi)度在20%-100%之間調(diào)整。電流保護(hù)控制器一般有兩種控制方法，一種就是與電流保護(hù)控制器信號(hào)低選，另一種就是直接減去（100-電流控制器信號(hào)），若是選擇了第一種則需要對(duì)電流控制器的輸出做一個(gè)跟蹤，從而保證過(guò)流控制器在過(guò)流的情況下馬上進(jìn)行減負(fù)荷。

               

                                         圖2 放空閥控制

    圖2中，HC10012是放空閥手操器，PIC1019A是放空閥壓力控制器，IIC1061是防喘振控制器，BOV_RAMP是放空閥爬坡器，有0-100%和100-0%兩段。防喘振控制不管采用哪種方式原理都是類(lèi)似的，都是根據(jù)出口壓力計(jì)算出的設(shè)定值，這也就決定了防喘振控制器必須投串級(jí)控制，該計(jì)算公式則在做完喘振曲線之后通過(guò)平移計(jì)算得出，此外喘振控制器的輸出需要跟蹤。圖中HC1002與BOV_RAMP的輸出高選作為PIC1019A控制器的低限跟蹤信號(hào)，同時(shí)將PIC1019A的模式置為串級(jí)，在自動(dòng)加載中也正是利用這一塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)放空閥的自動(dòng)控制，當(dāng)PIC1019A的輸出大于低限跟蹤信號(hào)時(shí)，加載完成，放空閥處于自動(dòng)控制。

    自動(dòng)加載簡(jiǎn)單說(shuō)就是通過(guò)用程序和邏輯控制自動(dòng)完成對(duì)閥門(mén)的控制達(dá)到設(shè)定壓力的步驟?？辗种谐Ｓ玫淖詣?dòng)加載有兩種：一種是入口導(dǎo)葉和放空閥同時(shí)動(dòng)作，另一種是導(dǎo)葉和防空閥分時(shí)動(dòng)作，保證調(diào)節(jié)的時(shí)候始終只有一個(gè)閥門(mén)在動(dòng)作。顯然，第一種控制方案對(duì)PID參數(shù)設(shè)置的要求更高，相當(dāng)于MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)，對(duì)于第二種方案，相當(dāng)與兩個(gè)SISO（單輸入單輸出）系統(tǒng)，參數(shù)調(diào)整相對(duì)容易些，但是必須解決好兩個(gè)控制器之間轉(zhuǎn)換的銜接問(wèn)題，控制回路相對(duì)復(fù)雜。筆者此次項(xiàng)目空壓機(jī)控制方式采用的是第二種控制方式，本加載控制系統(tǒng)由兩個(gè)程序和之前介紹的控制模塊組成。整個(gè)加載控制方案的程序框圖見(jiàn)圖3、圖4。
在每次啟動(dòng)空壓機(jī)之前，將程序置在運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)始程序之后，程序?qū)⒊跏蓟髂K的參數(shù)，程序在等待空壓機(jī)運(yùn)行信號(hào)和加載信號(hào)到來(lái)之后，程序觸發(fā)入口導(dǎo)葉爬坡器IGV_RAMP，入口導(dǎo)葉也將從0開(kāi)始向20%爬坡，同時(shí)這個(gè)開(kāi)度也將作為入口導(dǎo)葉的最小開(kāi)度(該開(kāi)度廠家確定)，在程序判斷導(dǎo)葉到達(dá)最小開(kāi)度之后，選擇自動(dòng)加載或手動(dòng)加載，同時(shí)判斷放空電磁閥邏輯是否得電。若是選擇手動(dòng)加載，程序?qū)?zhí)行手動(dòng)加載程序，將HC1001、HC1002模式置為手動(dòng)，UNLOAD_RAMP輸出置為100%，BOV_RAMP輸出置為0%，PIC1019A置為串級(jí)，通過(guò)操作手操器實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)的加載，在出口壓力接近PIC1019A的設(shè)定值之后，該控制器將起作用，放空閥將處于自動(dòng)控制狀態(tài)，到此手動(dòng)加載程序完成；

                

                                    圖3 空壓機(jī)自動(dòng)加載主程序框圖

    若是選擇自動(dòng)加載，則只要操作員按下自動(dòng)加載按鈕，程序開(kāi)始執(zhí)行自動(dòng)加載程序，自動(dòng)加載程序的動(dòng)作將按如下步驟進(jìn)行，首先繼續(xù)動(dòng)作入口導(dǎo)葉，將PIC1019B的輸出按一定速率開(kāi)到合適開(kāi)度（接近正常工作開(kāi)度），該開(kāi)度可以根據(jù)實(shí)際情況可調(diào)，之后觸發(fā)BOV_RAMP下降段開(kāi)始提壓,當(dāng)PIC1019A的輸出大于BOV_RAMP的輸出時(shí)放空閥處于自動(dòng)控制，到此，空壓機(jī)自動(dòng)加載程序完成。需要注意的是，IIC1060、IIC1061兩個(gè)控制器只要空壓機(jī)運(yùn)行就分別投自動(dòng)模式、串級(jí)模式，不允許修改。

    上述過(guò)程中，只是把空壓機(jī)達(dá)到了設(shè)定壓力，沒(méi)有向后續(xù)系統(tǒng)送氣，所以在開(kāi)始向后續(xù)系統(tǒng)送氣的過(guò)程中，放空閥會(huì)繼續(xù)在PIC1019A的控制下關(guān)小，當(dāng)BOV的開(kāi)度小于1%之后，恒壓控制的任務(wù)將由PIC1019B 控制器來(lái)完成，PIC1019B的模式將變成自動(dòng)模式，同時(shí)為了防止放空閥同時(shí)動(dòng)作，PIC1019A的設(shè)定值將自動(dòng)增加0.03MPA。PIC1019B的模式置為自動(dòng)之后，操作員可以人為干預(yù)，從而防止失調(diào)現(xiàn)象，而該P(yáng)ID模式的轉(zhuǎn)換，可以通過(guò)圖5小程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

               

                              圖4 空壓機(jī)結(jié)束程序 圖5導(dǎo)葉控制器模式轉(zhuǎn)換程序

    在加載完成之后，程序等待在卸載步，分為自動(dòng)卸載和緊急卸載，自動(dòng)卸載可用在計(jì)劃停車(chē)時(shí)，而緊急卸載則是根據(jù)卸載邏輯來(lái)觸發(fā)，后續(xù)系統(tǒng)故障、空壓機(jī)進(jìn)入安全線等都將觸發(fā)程序緊急卸載，從而讓空壓機(jī)工作在安全狀況下。卸載的結(jié)果都將是放空閥全開(kāi)，入口導(dǎo)葉在最小位置，當(dāng)故障排除之后，可以通過(guò)畫(huà)面上的按鈕從新來(lái)選擇加載方式進(jìn)行加載。

    空壓機(jī)加載程序由主程序和結(jié)束程序組成，且兩者具有優(yōu)先級(jí)，結(jié)束程序優(yōu)先于主程序，這樣就很好的保護(hù)了空壓機(jī)，在加載的任意時(shí)間，只要有故障邏輯或則停電，空壓機(jī)程序?qū)⒘⒖套呓Y(jié)束程序，自動(dòng)完成各參數(shù)初始化。

    4、總結(jié)

    通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，整個(gè)加載程序達(dá)到了預(yù)期的目的，整個(gè)加載過(guò)程快速而又平穩(wěn)，圖6即為在現(xiàn)場(chǎng)使用程序后的加載歷史曲線圖。

               

                                    圖3 空壓機(jī)加載曲線

    從圖中我們可以看到在升壓的過(guò)程中，快速而又平穩(wěn)，在達(dá)到設(shè)定壓力之后，三條曲線都很穩(wěn)定，且在開(kāi)始向后續(xù)系統(tǒng)送氣之后，出口壓力還是穩(wěn)定在設(shè)定值處，也就達(dá)到了我們自動(dòng)控制的要求，取得了比較滿(mǎn)意的效果。