和利時(shí)T880控制系統(tǒng)在制冷壓縮機(jī)中的應(yīng)用

劉寧霞

摘 要：制冷壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的核心和心臟，將熱量從低溫環(huán)境排放到高溫環(huán)境，供工藝生產(chǎn)使用。由于環(huán)境溫度是經(jīng)常變化的，故壓縮機(jī)大部分時(shí)間是處于部分負(fù)荷狀態(tài)，易發(fā)生喘振。和利時(shí)專為壓縮機(jī)組的控制研發(fā)了三重冗余容錯(cuò)控制系統(tǒng)和基于無(wú)關(guān)坐標(biāo)系防喘振計(jì)算和控制算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的安全可靠的控制，并有效避免喘振的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：和利時(shí)T880控制系統(tǒng)；制冷壓縮機(jī)；無(wú)關(guān)坐標(biāo)系

中圖分類號(hào)：TB65 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0160-02

某公司是一個(gè)以合成氨生產(chǎn)為龍頭，集化肥化工產(chǎn)品為一體的化工企業(yè)，公司的產(chǎn)品有合成氨、尿素、三聚氰胺、純堿、氯化銨等。原尿素裝置中的制冷壓縮機(jī)組采用電機(jī)拖動(dòng)方式，控制系統(tǒng)采用TRICON系統(tǒng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制，并對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2015年完成由電機(jī)拖動(dòng)到汽輪機(jī)拖動(dòng)的形式，并將控制系統(tǒng)替換成杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司的三重冗余容錯(cuò)（TMR）控制系統(tǒng)，即T880控制系統(tǒng)。

1 和利時(shí)T880控制系統(tǒng)概況

1.1 架構(gòu)圖

T880系統(tǒng)具有安全、可靠、配置方便、控制周期短等特點(diǎn)，能夠最大限度地保證壓縮機(jī)組在正常生產(chǎn)期間不發(fā)生誤動(dòng)作停車，最大程度地提高機(jī)組的運(yùn)行效率。如圖1所示，是和利時(shí)公司T880控制系統(tǒng)的架構(gòu)圖，這種系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)保護(hù)與控制的相對(duì)獨(dú)立、提高系統(tǒng)安全性，CPU三冗余配置、通道三冗余配置、通訊卡雙卡雙網(wǎng)冗余，降級(jí)運(yùn)行模式3-2-1-0。根據(jù)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)特征設(shè)計(jì)專用控制模板、進(jìn)行壓縮機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵回路設(shè)計(jì)，快速任務(wù)與慢速任務(wù)在不同的CPU內(nèi)運(yùn)行、保證快速任務(wù)的實(shí)時(shí)性，快速回路控制速度快、典型應(yīng)用控制周期≤20ms，IO采集速度快、數(shù)據(jù)更新時(shí)間≤2ms，通用DCS結(jié)構(gòu)、通訊功能強(qiáng)大、并支持遠(yuǎn)程IO。

1.2 控制目標(biāo)

和利時(shí)T880控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)包括保證制冷壓縮機(jī)在安全性高的條件下運(yùn)行、并能夠提供持續(xù)的喘振防護(hù)，喘振防護(hù)功能在保證運(yùn)行安全的同時(shí)盡量不引起工藝的波動(dòng)、不給生產(chǎn)活動(dòng)帶來(lái)能源浪費(fèi)，最大程度地避免誤停機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生，并將機(jī)組運(yùn)行效率最大化。機(jī)組控制系統(tǒng)（CCS）必須是整個(gè)裝置控制系統(tǒng)的一部分，方便實(shí)現(xiàn)與DCS和其他控制設(shè)備進(jìn)行通訊等。

2 制冷壓縮機(jī)的和利時(shí)T880控制系統(tǒng)

2.1 硬件配置

硬件主要包括主機(jī)籠SGM101、擴(kuò)展機(jī)籠SGM110及專用控制機(jī)籠ETM100，控制器SGM206、通訊卡SGM216、AI采集卡SGM416、AO采集卡SGM526、DI采集卡SGM616、DO輸出卡SGM716、防喘振控制專用模塊ETM281及對(duì)應(yīng)的端子模塊等。根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模，配置不同的硬件數(shù)量。

2.2 軟件配置

軟件使用和利時(shí)自主研發(fā)的壓縮機(jī)集成軟件包V1.2版本，主要通過(guò)任務(wù)配置、硬件配置、程序創(chuàng)建、變量定義等實(shí)現(xiàn)算法的組態(tài)。組態(tài)簡(jiǎn)單直觀，并且提供反編譯功能。

2.3 和利時(shí)速度控制器功能

速度控制器的目的是在工藝正常生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷變化時(shí)可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)速的手段，達(dá)到機(jī)組動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)調(diào)大汽門(mén)的開(kāi)度，增大汽輪機(jī)的進(jìn)氣量，當(dāng)負(fù)荷突然減小時(shí)，則要防止甩負(fù)荷造成的嚴(yán)重后果。和利時(shí)提供的汽輪機(jī)速度控制器完全可以在操作員界面上實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、升速、暖機(jī)、過(guò)臨界、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制、串級(jí)控制等功能，并提供超速回避保護(hù)、電超速跳車、超加速跳車、外部ESD跳車、啟動(dòng)安全故障跳車、調(diào)速器失速跳車等安全保護(hù)措施。和利時(shí)速度控制器的樣式如圖2所示，通過(guò)該種控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制能控制在±5RPM，三冗余測(cè)速模塊具備超速保護(hù)功能。

2.4 壓縮機(jī)性能控制

和利時(shí)T880控制系統(tǒng)還能對(duì)壓縮機(jī)性能進(jìn)行很好的控制。性能控制包括定風(fēng)量控制，即將風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量作為過(guò)程參數(shù)，控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到滿足工藝要求的送風(fēng)流量。定風(fēng)壓控制，即將風(fēng)機(jī)的排氣壓力作為過(guò)程參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到滿足工藝要求的排風(fēng)壓力。性能控制可以與轉(zhuǎn)速控制串聯(lián)控制，形成完全的自動(dòng)化控制。

2.5 和利時(shí)壓縮機(jī)防喘振器功能

喘振是壓縮機(jī)固有的一種特性，是壓縮機(jī)與管道耦合后的振蕩現(xiàn)象，反映在當(dāng)壓縮機(jī)的流量減少到某一數(shù)值時(shí)，壓縮機(jī)出現(xiàn)的極為不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，引起機(jī)組的劇烈震動(dòng)，從而造成葉輪的斷裂等。壓縮機(jī)防喘振控制是要避免壓縮機(jī)因發(fā)生喘振造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞與停工，避免壓縮機(jī)因發(fā)生喘振對(duì)工藝操作造成巨大的擾動(dòng)。

和利時(shí)的防喘振控制算法是基于無(wú)關(guān)坐標(biāo)系防喘振計(jì)算與控制算法。該控制算法將壓縮機(jī)的喘振極限線SLL與分子量MW、入口壓力Ps、入口溫度Ts、入口比熱比ks和入口氣體壓縮因子Zs無(wú)關(guān)，只與壓縮機(jī)組內(nèi)部構(gòu)造有關(guān)。

基于無(wú)關(guān)坐標(biāo)系的防喘振控制算法，通過(guò)公式計(jì)算將壓縮機(jī)在不同工況下的多組性能曲線換算到無(wú)關(guān)坐標(biāo)系中，再依據(jù)無(wú)關(guān)坐標(biāo)系中的性能曲線獲取到機(jī)組喘振極限線。為了提前有效地防止壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象發(fā)生，在機(jī)組喘振極限線的右邊通過(guò)可調(diào)參數(shù)設(shè)置安全裕量，形成喘振控制線，這樣就可以在機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)達(dá)到喘振極限線之前開(kāi)始動(dòng)作，增加壓縮機(jī)的流量，從而阻止喘振情況發(fā)生，保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。為了保證工藝系統(tǒng)的平穩(wěn)性，在喘振極限線與控制線中間設(shè)置快開(kāi)響應(yīng)線，如果運(yùn)行點(diǎn)超過(guò)快開(kāi)響應(yīng)線，防喘振控制算法將快速小開(kāi)度打開(kāi)防喘振控制閥。又在快開(kāi)響應(yīng)線與喘振極限線中間設(shè)置了安全響應(yīng)線，即定義一個(gè)操作極限，如果運(yùn)行點(diǎn)超過(guò)這個(gè)極限，則表明壓縮機(jī)已經(jīng)發(fā)生喘振，安全響應(yīng)將增加喘振控制線的裕度，并階梯大開(kāi)度地打開(kāi)防喘振閥，迅速制止喘振，達(dá)到安全生產(chǎn)的工藝要求。

壓縮機(jī)喘振控制器的HMI面板提供三種操作方式：（1）全自動(dòng)控制：防喘振閥的控制信號(hào)完全由預(yù)設(shè)的程序控制輸出。（2）軟手動(dòng)控制：當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)處在安全區(qū)域，防喘振閥的開(kāi)度由操作者控制，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)處在非安全區(qū)域時(shí)，由系統(tǒng)自行切換到全自動(dòng)控制模式，此過(guò)程中防喘振調(diào)節(jié)閥按照程序調(diào)節(jié)，不會(huì)一次開(kāi)到100%，最大程度的保證工藝的穩(wěn)定性。（3）硬手動(dòng)控制：防喘振閥的開(kāi)度完全由操作者控制，所以在正常生產(chǎn)過(guò)程中不建議長(zhǎng)時(shí)間在該控制方式下運(yùn)行。只有當(dāng)喘振信號(hào)源故障時(shí)，切到該控制方式下檢修儀表，當(dāng)故障消除后，應(yīng)及時(shí)切回到全自動(dòng)控制或者軟手動(dòng)控制方式下。壓縮機(jī)防喘振控制界面如圖3所示，圖中機(jī)組運(yùn)行在低負(fù)荷狀態(tài)下，防喘振的控制均在自動(dòng)狀態(tài)下。

3 結(jié)束語(yǔ)

和利時(shí)T880控制系統(tǒng)是完全國(guó)產(chǎn)化的，基于無(wú)關(guān)坐標(biāo)系的防喘振計(jì)算與控制算法，為壓縮機(jī)的控制帶來(lái)了較為明顯的優(yōu)化，汽輪機(jī)的控制完全在操作員界面上實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組控制系統(tǒng)一體化、集成化。該廠的制冷壓縮機(jī)組自2016年7月投運(yùn)以來(lái)，轉(zhuǎn)速控制可靠，防喘振控制始終運(yùn)行在自動(dòng)運(yùn)行模式下，最大程度地降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]范戰(zhàn)松.和利時(shí)PLC在螺桿式壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2012，05：73-74.

[2]鄭慶偉，陳玲，鄭傳經(jīng)，等.OMRON中小型PLC在制冷壓縮機(jī)試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào)（四川），2012，05：467-470.

[3]李志宏，秦悅明.國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)在甲醇合成氣改造中的應(yīng)用[J].通用機(jī)械，2014，05：34-38.