梅鋼煤氣加壓機(jī)組的三電控制設(shè)計(jì)

李永剛

（上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210039）

1 簡要工藝流程

1.1 主要工藝設(shè)備

現(xiàn)煤氣加壓車間有貫通的加壓機(jī)廠房一座，廠房內(nèi)由東到西依次布置有AII1200型離心式混合煤氣加壓機(jī)3臺(tái)，D700-12-2型混合煤氣加壓機(jī)3臺(tái)，及L48x66WD-1型羅茨焦?fàn)t煤氣加壓機(jī)2臺(tái)。

2臺(tái)羅茨焦?fàn)t煤氣加壓機(jī)一用一備，出口壓力為0.06 MPa，最大送氣能力為4500 m3/h，擔(dān)負(fù)著部分生活用城市煤氣、鋼廠RH爐等火炬點(diǎn)火用氣的供氣任務(wù)。

隨著梅鋼的改造及擴(kuò)建，現(xiàn)有2臺(tái)羅茨焦?fàn)t煤氣加壓機(jī)已不能滿足最終規(guī)模的需求，需進(jìn)行改造，拆除1臺(tái)L48x66WD-1型羅茨煤氣加壓機(jī)和1臺(tái)D700-12-2型離心混合煤氣加壓機(jī)，新增2臺(tái)HL83WD型羅茨煤氣加壓機(jī)。

對于焦?fàn)t煤氣加壓機(jī)組，改造后共有3臺(tái)加壓機(jī)，分別為2臺(tái)新加壓機(jī)及1臺(tái)舊加壓機(jī)，正常工作時(shí)為2臺(tái)新加壓機(jī)一用一備的工作形式，1臺(tái)舊加壓機(jī)作為極端情況下的備用。

1.2 工藝流程

改造后的3臺(tái)加壓機(jī)并聯(lián)布置，其入口及出口均設(shè)電動(dòng)閥門，入口出口間設(shè)旁通回流閥門，用于加壓機(jī)輕載啟動(dòng)，保護(hù)加壓機(jī)，另在入口總管和出口總管間也設(shè)有總回流調(diào)節(jié)閥門，調(diào)節(jié)總出口壓力。焦?fàn)t煤氣經(jīng)入口總管進(jìn)入加壓機(jī)組，經(jīng)過3臺(tái)加壓機(jī)后煤氣管道壓力由15～17.5 kPa升至60～80 kPa，通過調(diào)節(jié)加壓機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)總回流閥開度等手段保持穩(wěn)定的出口壓力，滿足用戶的需求。

新增2臺(tái)加壓機(jī)電機(jī)均采用變頻調(diào)速控制，正常工作時(shí)采用變頻調(diào)速維持壓力穩(wěn)定。

2 三電控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)

2.1 供配電及傳動(dòng)控制系統(tǒng)

本工程用電設(shè)備為2臺(tái)煤氣加壓機(jī)電機(jī)設(shè)備，電機(jī)功率為400 kW，常規(guī)情況下應(yīng)采用6 kV或10 kV等級(jí)的電機(jī)，同時(shí)配備相關(guān)的高壓配電柜、高壓變頻裝置。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)便利性比較，本工程采用另外一種方案，即采用AC690 V電壓等級(jí)的電機(jī)，配置650 kVA，6 kV/0.69 kV整流變壓器，及AC690 V電壓等級(jí)的變頻裝置，配套Profibus-DP通訊接口。同時(shí)設(shè)置旁路主回路，即采用常規(guī)MCC控制，在變頻器故障時(shí)可直接啟動(dòng)、運(yùn)行加壓機(jī)，此時(shí)不具備加壓機(jī)調(diào)速功能。

不要求調(diào)速的設(shè)備電機(jī)采用MCC控制，如加壓機(jī)電機(jī)的冷卻風(fēng)機(jī)、相關(guān)電動(dòng)閥門等，每臺(tái)電機(jī)設(shè)一個(gè)控制回路，采用傳統(tǒng)的硬接線方式將相關(guān)信號(hào)送至PLC系統(tǒng)。

2.2 儀表檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)總管出口流量、壓力檢測，加壓機(jī)本體進(jìn)出口溫度、壓力檢測及軸振動(dòng)、軸溫檢測，冷卻水管進(jìn)出口溫度檢測等。由于現(xiàn)場為氣體防爆區(qū)域，PLC柜內(nèi)設(shè)隔離安全柵，現(xiàn)場信號(hào)經(jīng)隔離后進(jìn)入PLC系統(tǒng)。

2.3 基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

本工程基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用SIEMENS S7-300系列PLC，包括控制器、通訊模塊、I/O模塊、現(xiàn)場總線等。設(shè)置1臺(tái)工業(yè)PC機(jī)作為HMI操作員站，用于生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備的監(jiān)控及操作，同時(shí)作為工程師站，用于PLC和HMI軟件的開發(fā)和維護(hù)。

系統(tǒng)采用兩級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)，一級(jí)采用現(xiàn)場工業(yè)總線Profibus-DP，主要用于控制主機(jī)和遠(yuǎn)程I/O、傳動(dòng)設(shè)備的連接和通訊；另一級(jí)采用工業(yè)以太網(wǎng)Industrial-EtherNet，主要用于操作員站/工程師站與PLC間的通訊，以及與能源管理系統(tǒng)（EMS）網(wǎng)絡(luò)間連接。

信號(hào)輸入輸出系統(tǒng)采用西門子ET200M遠(yuǎn)程I/O結(jié)構(gòu)，開關(guān)量輸入信號(hào)電源由PLC系統(tǒng)提供，外部均為無源接點(diǎn)，開關(guān)量輸出信號(hào)均為繼電器無源接點(diǎn)輸出，開關(guān)量I/O模塊均采用DC24V信號(hào)電源。

2.4 操作方式

根據(jù)工藝生產(chǎn)及安全要求，設(shè)自動(dòng)、手動(dòng)兩種操作方式，其中手動(dòng)方式設(shè)現(xiàn)場手動(dòng)和集中手動(dòng)兩種模式：

自動(dòng)操作：根據(jù)工藝生產(chǎn)情況，在滿足聯(lián)鎖條件下，加壓機(jī)人工畫面（HMI）啟停，設(shè)定好出口壓力后，加壓機(jī)電機(jī)運(yùn)行速度調(diào)節(jié)自動(dòng)完成，保持出口壓力的穩(wěn)定。

手動(dòng)操作：操作人員通過畫面（HMI）或在設(shè)備現(xiàn)場機(jī)旁操作箱上完成設(shè)備的起、停操作，僅設(shè)必要的安全聯(lián)鎖。

自動(dòng)用于正常生產(chǎn)，機(jī)旁手動(dòng)僅用于檢修、單機(jī)調(diào)試。

3 應(yīng)用軟件組態(tài)及編制

PLC系統(tǒng)軟件采用STEP7，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用WINCC，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出PLC應(yīng)用軟件和監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制。

應(yīng)用軟件能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控現(xiàn)場各設(shè)備的工作狀態(tài)，顯示生產(chǎn)過程中的工作曲線，當(dāng)參數(shù)超過設(shè)定范圍或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可根據(jù)組態(tài)發(fā)出不同等級(jí)的聲光報(bào)警，可根據(jù)報(bào)警信息切換到相應(yīng)的監(jiān)控畫面，所有的報(bào)警信息均被記錄在報(bào)警數(shù)據(jù)庫中，便于以后的事故分析使用，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)表和圖形打印以及各種事件和報(bào)警實(shí)時(shí)打印。

4 羅茨加壓機(jī)的控制說明

從工藝角度來說，加壓機(jī)的最終目標(biāo)是保持系統(tǒng)管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，在受到外界工況變化產(chǎn)生壓力波動(dòng)時(shí)，可通過兩種方式進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，一個(gè)是加壓機(jī)的轉(zhuǎn)速變頻調(diào)節(jié)，另一個(gè)是總回流閥的開度調(diào)節(jié)，其中：加壓機(jī)轉(zhuǎn)速增大，管網(wǎng)壓力也增大（在總回流閥開度一定的情況下）；總回流閥的開度增大，管網(wǎng)壓力則減小（在加壓機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下）。

4.1 常規(guī)控制方式

根據(jù)本工程的情況，壓力控制一般可采用兩種常規(guī)控制方式，即：

方式1：單一PID控制，設(shè)定值:目標(biāo)壓力，過程值：實(shí)時(shí)壓力，PID運(yùn)算后的輸出給執(zhí)行元件，即變頻器或總回流閥，從節(jié)能角度考慮，應(yīng)首選變頻器調(diào)節(jié)方式。

方式2：分段PID控制，與方式1區(qū)別在于當(dāng)壓力在不同的范圍內(nèi)變化時(shí)控制不同的執(zhí)行元件。

兩種常規(guī)控制方式均有一定的缺點(diǎn)：

方式1：因?yàn)楸竟こ痰膱?zhí)行元件有兩個(gè)，而單一的調(diào)節(jié)回路只能控制一個(gè)執(zhí)行元件。如果我們只做一個(gè)回路來控制壓力，雖然也有可能實(shí)現(xiàn)壓力的穩(wěn)定，但是調(diào)節(jié)設(shè)備的利用率不高，調(diào)節(jié)范圍有限，同時(shí)節(jié)能效果差。

方式2：確定好壓力的分段點(diǎn)后，在某一壓力區(qū)間采用變頻器作PID調(diào)節(jié)，在另一區(qū)間采用總回流閥作PID調(diào)節(jié)。但由于管網(wǎng)工況是時(shí)刻變化的，壓力分段人為固定后，不會(huì)隨工況變化，雖然調(diào)節(jié)效果比方式1要好，但是它不能將節(jié)能效果作到完美。

4.2 最佳控制方式

為實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)范圍最大化，并且節(jié)能效果最佳，在本工程中采用了兩個(gè)PID調(diào)節(jié)回路，即：變頻器的PID調(diào)節(jié)回路和總回流閥的調(diào)節(jié)回路，相互間根據(jù)自己的調(diào)節(jié)能力相互切換。為了后續(xù)闡述方便，下文稱變頻器的PID調(diào)節(jié)回路為變頻回路，稱總回流閥的調(diào)節(jié)回路為回流回路。其控制框圖如圖1、2，其中框內(nèi)部分在PLC內(nèi)。

兩個(gè)回路的唯一區(qū)別在于執(zhí)行元件不同，其他結(jié)構(gòu)相同，這就存在一個(gè)問題，即兩個(gè)回路不能同時(shí)參與調(diào)節(jié)，因此一定要找到彼此間的關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻，一個(gè)調(diào)節(jié)回路起作用，一個(gè)不起作用，這樣達(dá)到控制目的。為了使兩個(gè)回路配合密切，控制采用如下方式：

圖1 變頻器閉環(huán)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)框圖

圖2 總回流閥閉環(huán)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)升壓時(shí)，先調(diào)節(jié)回流閥，回流閥調(diào)到下限壓力還不能滿足要求，則再調(diào)節(jié)變頻器回路使壓力達(dá)到設(shè)定值；當(dāng)降壓時(shí)，先調(diào)節(jié)變頻器，變頻器調(diào)到下限壓力還不能滿足要求，再調(diào)節(jié)大回流閥回路使壓力達(dá)到設(shè)定值。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，其實(shí)只需將兩個(gè)回路作好互鎖即可實(shí)現(xiàn)上述功能。用回流回路的輸出下限來置位變頻回路的自動(dòng)，用變頻回路本身的輸出下限來復(fù)位自己的自動(dòng)，使其以當(dāng)前值輸出。同理，用變頻回路的輸出下限來置位回流回路的自動(dòng)，用回流回路本身的輸出下限來復(fù)位自己的自動(dòng)，使其以當(dāng)前值輸出。

PID控制塊本身都是做到了自動(dòng)跟隨手動(dòng)，但大多數(shù)PID功能塊都沒有做到手動(dòng)值跟隨自動(dòng)值，為此在軟件上，要自己做一個(gè)手動(dòng)值跟隨自動(dòng)值的功能。變頻回路和回流回路兩個(gè)之間的相互關(guān)系如圖3所示。

5 結(jié)束語

本工程于2011年底開始施工，并于2012年2月調(diào)試并熱負(fù)荷試車成功，三電控制系統(tǒng)功能完全滿足工藝要求，至今已順利生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)月，對于梅鋼煤氣管網(wǎng)送氣質(zhì)量的提高起到重要作用。

圖3 變頻回路與回流回路相互關(guān)系框圖

說明：（1）PID調(diào)節(jié)器當(dāng)Man_on為1時(shí)PID手動(dòng)輸出，為0時(shí)，PID自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（2）RS觸發(fā)器為復(fù)位優(yōu)先。

（3）“○”為連接符。