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压缩机全自动协调控制系统

田 盛 冯丽艳 邢国明 / 沈阳鼓风机集团有限公司    

摘要:压缩机控制系统是对实时数据进行监视和控制,为压缩机的稳定运行提供重要保障。针对压缩机控制系统的特性,从实际应用角度出发,以节约能源、人力为目的,提出了全自动控制系统思想,实现了一键开、停压缩机,同时机组并网完成后,由协调柜根据工艺需求来串级调节各台压缩机流量。现场投用证明,该控制系统工作稳定,控制效果显著,验证了整套方案的可行性。
关键词:压缩机控制系统;协调柜;并网;串级

中图分类号:TP332.3 文献标志码:B
Automatic Coordinated Control System for Compressors
Abstract: Compressor control system can ensure steady operation of compressor by supervising and controlling real time data. The idea of full automatic control system is proposed based on characteristic of compressor control system to save energy and human source. This full automatic control system can realize start and stop of compressor by only one button. Coordinate cabinet can also coordinate flow of all compressors after network incorporation according to process requirement. Site operation proves that this control system has a steady running and notable control effect, thus further proving the feasibility of whole scheme.
Key words:compressor control system; coordinate cabinet; network incorporation; cascade
0 引言
  目前,国内压缩机全自动控制系统在国内尚属空白,国外有部分控制系统厂家已实现全自动控制系统。国内仍然以传统控制为主流,传统控制系统由简单PID方法实现,现控制对象本身多具有时变性、非线性、时滞性,过程模型难以建立,参数调整往往比较困难,使用简单PID控制无法防止工艺扰动。同时传统控制系统工作方式由人工调节,控制精度差、浪费人力,且存在不安全因素,这无疑增大了操作难度。针对控制系统现况,在传统控制的基础上进行优化,利用在传统PID的基础上增加算法,建立数学模型,实现对压缩机的全自动控制。
因国外全自动控制系统具有价格高、服务难、操作不方便等特性,对国内压缩机全自动控制系统需求强烈,作为压缩机专业厂家,开发出全自动控制系统不但满足了用户要求,而且开启了国产控制系统的先河。
1 项目主要内容
1.1 压缩机全自动控制系统结构

  此套控制系统的结构见图1,主要由一台协调柜控制7台压缩机,协调柜和7台单机使用的PLC均为Siemens 300系列产品,各CPU之间通讯采用Profibus DP口进行传递。协调柜在此套系统既作为控制和通讯中心,又配备一张CP342通讯卡与DCS进行通讯,因为全自动开停机在中控室操作,协调柜在此起到承上启下的作用。
       此套控制系统设计了两套控制模式:远程控制(全自动模式)、就地控制(手动模式),模式之间为无扰动切换,使用西门子Step7实现编程。全自动模式为本章介绍的重点,手动模式则为紧急策略, 如协调柜CPU出现故障、通讯链路中断、现场阀位触点故障等原因,在非正常的情况下以手动方式启停压缩机,见图1。

1.1.1 压缩机自动开机流程
  操作员在DCS系统下达3#机准备开机命令,通过协调柜传输到3#机控制系统后,3#机控制系统开始准备开机允许条件,如发出防喘振阀全开、进口导叶微开、油泵自启、油加热器启动等要求,在仪电控条件全具备后,单机通过协调柜将信息反馈给DCS系统,因高速设动,以安全为主线,DCS系统收到允许后点击确认开机。当机组越过波动进入平稳期后,开始自动控制进口导叶,为机组装载负荷,进入半负荷期则自动关防喘振阀,此时两个调节动作为相反方向,调节难度大。观察其压力、流量逐渐上升后,此时则开始并网操作,当并网顺利完成,自动投入到由协调柜来分配流量[3] ,根据协调柜分配的流量来控制负荷,见图2。
1.1.2 压缩机自动停机流程
  如操作员下达停3#机命令,通过协调柜传输到3#机控制系统后,3#单机控制系统收到指令后,立即开始停机准备,对机组实施部分卸载后,再逐步进行退网,机组负荷低于30%时执行停压缩机。因为离心转动设备可长期运行,但不允许频繁出现工况急剧变化,所以正常停车时需先卸掉70%负荷,使机组停车有序进行,以免机组进入剧烈难控的局面,操作流程标准化,对延长机组寿命起到决定作用。
1.2 压缩机手动模式
  手动模式在开、停、运行全部由人工进行控制,如准备开3#机,需要操作员启动油泵、油加热器、开阀、关导叶等,在机组运行后手动使机组装载负荷,由操作人员运用经验来判断并网时间,并网顺利完成后需手动控制机组负荷。在机组停机时,需操作人员手动卸去部分负荷,寻找时机进行退网操作,但如果退网操作不当,易进入复杂、难以操控的阶段,剧烈的波动反复出现,将导致机械磨损严重、轴瓦间隙大等严重情况。

1.3 压缩机全自动控制系统解决方案
1.3.1 退守策略

  鉴于国内控制系统现场接地不标准、外配的仪表精确度低、出错率高,传统控制系统的设计方案单一,作用体现在监视和控制功能,极少将现场仪表纳入到整套系统中,以致对由外在附件引起的停车无能为力,放任多次误停车。传统方案影响了用户的生产,损害了机组的部件。现采用了退守策略,优化了控制系统方案,深层次挖掘控制系统的优势。
       退守策略主要为以下几个方面:当流量计遇到干扰、高低压管漏气等现象时,CPU经过判断会瞬间开阀,机组稳定的工况遇到突然卸压,结局是停车或管网遭受冲击。现面对以上情况,程序会根据预先设定的判断,检测出为仪表误信号,则取流量的设定值或者上一循环时值,同时发出流量紧急报警信号,告知维护人员快速处理,压力、温度等也同样做了保护。
1.3.2 两位出口阀的变通
  此项目为7台机组共享一个性能网络,为使整个性能网络波动小,要求单机出口阀具备调节功能,两位阀则难以完成并网工作,因两位阀只有两个状态,全开或全关。原因为当新增加的机组欲并入网内时,保险的策略为机组压力与管网压力相近时并入,但管网压力经常在90%的负荷下运行,此时单机并网出现两难境地,一方面单机并网前达不到与管网相近的工况压力;另一方面提前并网导致管网压力冲击大,引起压缩机的外因喘振,接着控制系统瞬间开阀或振动大停车,并网操作简直如履薄冰。
  但用户为节省资金订购出口阀为两位阀,现场条件已成定局,只有动用智慧由程序执行补救措施。第一种设计方案是由协调柜对已运行机组进行串级降压,使管网内压力降到工况的1/3后,将新增加机组并入网内,并入后由协调柜对各台进行升压,使管网内压力达到工况点。经过细致而周密的分析,得出此方案不周全,一是并网周期长;二是管网波动较大,容易使压缩机组失控,损害严重。最后经过不断的探索和分析,得出了第二种方案。
  首先用计时器对出口阀开关阀时间实况记录[1] ,供编程时延时使用;程序在考虑单机实时数据时,也要兼顾管网数据,且必须完整、正确,无扰切换稳定等,经过数次实验,由两位阀蜕变的调节阀性能良好,稳定准确。此方案据用户估计,7台设备至少节省十万元资金。
1.3.3 负荷分配优化
  本控制系统由协调柜分配负荷,在做好本职工作的同时,协调柜还具备谨慎分配流量的功能,从大局上控制整个性能网络,使之平稳且节省能源。
  本项目由国外的美生化系统实时计算出装置所需流量,由协调柜根据总管实测流量与需求进行PID计算,将计算的结果作为单台机组的流量设定值,再由单机通过串级PID对进口导叶进行控制。
  传统串级算法控制能力弱,易引起管网振荡及单台进口导叶频繁操作,对机组及进口导叶造成损伤。因本系统控制要求较高,具有多种复杂的控制回路,在此系统上实现了复杂的控制方案。一方面充分使用PID的优势,不仅在对比例、积分的配比上做了多次实验,而且在单台机组内部PID使用了保护策略,如导叶或喘振自动调节时开关变化快,编程使阀位在开、关5%度时PID算法停止,延时一分钟后再使能PID进行计算,防止实测值与设定值误差大时波动剧变,调节稳定时该算法不使能。程序中已考虑触发PID使能的条件、停车时处理,手自动无扰切换等。
  另一方面在协调控制的多样化[2] 。首先,考虑到美生化系统测试时总管流量实时波动,导致协调柜不断计算,附带着单机也不停计算,但单机进口导叶是无法长期处于动状态,因此需在协调柜及单机上进行死区设定,死区的范围要适当,否则适得其反。其次,运行中如果流量持续不足到允许时间后,同时已运行的机组已满负荷工作,协调柜会发出增加一台机组的请求;当流量富余超过一定时间,且每台机组已调节至最低限负荷后,协调柜发出减少台机组的请求。再次,当总管流量大幅度不足时,需增加整个管网负荷。但由于单台机组性能、进口导叶误差等问题,且各台机组的流量具有差异性,如果将协调柜计算出的输出统一分配给单台,则可能出现有时单台流量大于或小于协调柜输出的流量,性能网内本应提高或减少负荷,根据PID特性反倒在关阀或开阀,则导致工况不稳,远离调节目标,见图3。

1.3.4 现场测试
  压缩机全自动控制系统在国内产品尚属空白,无成功案例参考,开发阶段困难重重,在工厂调试时进行多次实验,模拟整个开车过程,观察在运行中遇到、可预测到的问题。在投入运行期间,与机械工程师密切配合,不断地发现问题到修正问题,且每一次更改都需要细致的思考,稍有不慎,高速运转的压缩机将会发生无法预测的灾难。
2 项目技术特点及关键
  1)开、停压缩机的操作流程由程序自动执行;
  2)在机组并网时,将两位出口阀由软件和硬件结合,实现调节阀功能;
  3)在协调柜程序中建立数学模型,对各台机组进行负荷平衡分配,节约能源,保护机组。
3  结论
  此项目在污水装置使用以来,经过长时间的运行,其工作稳定、性能可靠,能够确保污水装置的稳定运行。此项目的成功开发并投用,打破了国外全自动控制系统的垄断,提高国产控制系统的市场竞争力。在工业自动化技术日新月异的今天,压缩机全自动控制系统将成为当今仪表行业的主流,它以其崭新的体系结构、技术面貌和控制方式,使国产压缩机全自动控制技术水平提升。

参 考 文 献

[1] 孙增圻.智能控制理论与技术[M].北京:清华大学出版社,1997.
[2] 张俊波,李奇,刁翔.基于专家控制器的水厂加氯串级控制系统[J].自动化仪表,2007(10):49-50.
[3] 王树青.先进控制技术及应用[M]. 北京:化学工业出版社,2000.
[4] 崔坚.西门子S7可编程控制器-STEP7编程指南[M].机械工业出版社,2007.

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  评论人:荷兰网   打分:0 分  发表时间:2015-9-14 12:26:44
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  评论人:uhhhowcgy   打分:85 分  发表时间:2014-11-24 23:03:08
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