SPC在乙烯裂解氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

劉宗林 陳文勇 涂勝華 張華平

(福建聯(lián)合石油化工有限公司)

SPC在乙烯裂解氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

劉宗林 陳文勇 涂勝華 張華平

(福建聯(lián)合石油化工有限公司)

介紹伺服位置控制器(SPC)的工作原理、組態(tài)及標(biāo)定等。闡述SPC在裂解氣壓縮機(jī)中的控制方案，并針對(duì)不足之處提出了優(yōu)化建議。

SPC 裂解氣壓縮機(jī) 控制方案 優(yōu)化

裂解氣壓縮機(jī)是乙烯裝置的“心臟”設(shè)備，因此確保壓縮機(jī)長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。某公司裂解氣壓縮機(jī)采用日本Elliott Ebara公司生產(chǎn)的進(jìn)口機(jī)組，控制系統(tǒng)采用Triconex TS3000(即ITCC控制系統(tǒng))。為確保壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，透平轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制至關(guān)重要，因此對(duì)調(diào)速閥的控制精度要求極其嚴(yán)格?；诖耍摿呀鈿鈮嚎s機(jī)透平調(diào)速閥閥位控制采用伺服位置控制器(Servo Position Control,SPC)。

1 SPC簡介

1.1 工作原理

SPC是一個(gè)伺服閥驅(qū)動(dòng)器，主要用于汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，從控制器接收位置指令信號(hào)后驅(qū)動(dòng)液壓單元來確保伺服閥閥位準(zhǔn)確定位。SPC接收來自系統(tǒng)控制器的DeviceNet或4～20mA位置指令信號(hào)，在接收反饋信號(hào)上，它既可以接收單路位置反饋信號(hào)(電流或電壓信號(hào))，也可以接收雙路LVDT位置反饋信號(hào)。SPC系統(tǒng)的連接示意圖如圖1所示。

圖1 SPC系統(tǒng)連接示意圖

1.2 SPC組態(tài)

SPC可以通過PC機(jī)使用特定的應(yīng)用軟件SPC Service Tool對(duì)自己進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)視，采用RS-232進(jìn)行接口通信。通過SPC Service Tool軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)控SPC的輸入/輸出信號(hào)及其自身狀態(tài)，并進(jìn)行修改控制參數(shù)、優(yōu)化調(diào)節(jié)。

1.2.1 伺服控制器組態(tài)

伺服控制器有5種類型：Proportional比例、P比例控制器、PI比例積分控制器、PI w/Lag帶滯后的比例積分控制器、PI w/Lead-Lag帶超前-滯后的比例積分控制器。在實(shí)際應(yīng)用中，大多采用PI比例積分控制器(圖2)[1]，因此筆者主要對(duì)PI控制類型進(jìn)行介紹，通過調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)來調(diào)整油動(dòng)機(jī)行程的快速定位與穩(wěn)定性。

圖2 PI比例積分控制器結(jié)構(gòu)示意圖

PI比例積分控制器參數(shù)的調(diào)整共分為3步：

a. 調(diào)整控制器的積分增益到一個(gè)最小值；

b. 增加控制器的比例增益直到執(zhí)行器開始振蕩，此時(shí)記錄下振蕩周期和比例增益；

c. 把比例增益設(shè)定為原比例增益的45%，把積分增益設(shè)置為1.2/振蕩周期。

1.2.2 位置指令組態(tài)

SPC有4種位置指令類型：

a. DeviceNet Only。只接收DeviceNet總線信號(hào)。

b. DeviceNet Primary。DeviceNet總線信號(hào)作為主信號(hào)，模擬量信號(hào)作為備用信號(hào)。

c. Amalog Only。只接收模擬量信號(hào)。

d. Amalog Primary。模擬量信號(hào)作為主信號(hào)，DeviceNet總線信號(hào)作為備用信號(hào)。

當(dāng)SPC同時(shí)接收兩種位置指令信號(hào)時(shí)，若主信號(hào)出現(xiàn)故障，備用信號(hào)正常運(yùn)行時(shí)將自動(dòng)切換到備用信號(hào)。當(dāng)主信號(hào)與備用信號(hào)相匹配，且主信號(hào)連續(xù)保持5s正常運(yùn)行則SPC接收位置指令信號(hào)將從備用信號(hào)切換到主信號(hào)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，模擬信號(hào)主要是4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

1.2.3 閥位反饋組態(tài)

根據(jù)伺服閥和接線方式的不同，閥位反饋信號(hào)類型包括電壓DC信號(hào)、RVDT信號(hào)、LVDT信號(hào)和4～20mA信號(hào)。若選擇的閥位反饋信號(hào)類型為4～20mA信號(hào)，則反饋信號(hào)將被自動(dòng)設(shè)置為不使用。

1.2.4 位置偏差組態(tài)

SPC不斷比較位置指令和位置反饋，當(dāng)兩者不匹配時(shí)將產(chǎn)生位置偏差故障報(bào)警。具體組態(tài)中根據(jù)實(shí)際情況可以設(shè)置為：當(dāng)偏差故障報(bào)警出現(xiàn)后SPC響應(yīng)Shutdown或Alarm。

1.2.5 驅(qū)動(dòng)器組態(tài)

SPC能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器的接線端、檢測(cè)線圈的開路或短路、驅(qū)動(dòng)器電流故障或過流。通過驅(qū)動(dòng)器組態(tài)可以設(shè)置故障延遲時(shí)間、驅(qū)動(dòng)器顫振電流幅度和出現(xiàn)報(bào)警后SPC的響應(yīng)(Shutdown或Alarm)。

1.2.6 DeviceNet組態(tài)

DeviceNet組態(tài)即對(duì)DeviceNet總線信號(hào)的波特率和Mac地址進(jìn)行組態(tài)。

1.2.7 Alarm和Shutdown邏輯條件設(shè)置

以SPC在裂解氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用為例，針對(duì)Alarm和Shutdown邏輯采用以下設(shè)置方案：

a. Alarm。位置指令和位置反饋偏差超過5%時(shí)，延時(shí)0.5s。

b. Shutdown。當(dāng)SPC輸入電流低于4mA或高于20mA、位置反饋超量程-5%以下或105%以上、SPC監(jiān)視執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器的接線端、檢測(cè)線圈開路或短路、驅(qū)動(dòng)器電流故障或過流時(shí)，延時(shí)0.5s。

1.3 SPC標(biāo)定

通過SPC Service Tool軟件可以對(duì)SPC進(jìn)行標(biāo)定，在Action菜單欄中選擇Calibration選項(xiàng)，點(diǎn)擊進(jìn)入。需要注意的是，SPC必須在Shutdown狀態(tài)下才能進(jìn)行校驗(yàn)。SPC校驗(yàn)主要有5個(gè)步驟：

a. Introduction(介紹)，主要介紹校驗(yàn)?zāi)康暮褪褂眯ｒ?yàn)幫助；

b. Minimum(最小值)，該步驟的目的是使閥位值達(dá)到最小值0%，到達(dá)步驟b時(shí)，SPC會(huì)自動(dòng)給出一個(gè)值使得閥位達(dá)到0%，若沒有達(dá)到，可以通過輸入補(bǔ)償值(-100～100)加以調(diào)整，當(dāng)閥位值達(dá)到最小值后方可進(jìn)行步驟c；

c. Maximum(最大值)，輸入補(bǔ)償值(-100～100)使得閥位值為最大值100%，當(dāng)閥位值達(dá)到最大值后進(jìn)行步驟d；

d. Verification(驗(yàn)證)，輸入1～2個(gè)閥位值來驗(yàn)證閥門的運(yùn)動(dòng)情況，正確后進(jìn)行步驟e；

e. Save Setting(保存設(shè)置)，完成校驗(yàn)工作。

SPC校驗(yàn)完成后，必須點(diǎn)擊Action菜單欄下的RUN進(jìn)行運(yùn)行，否則SPC將依然停留在校驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

1.4 LED指示燈說明

網(wǎng)絡(luò)通信燈和模塊燈指示說明分別見表1、2。

表1 網(wǎng)絡(luò)通信燈

表2 模塊燈

2 SPC在裂解氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中調(diào)速閥閥位控制的高可靠性，采用兩個(gè)伺服位置控制器(SPC A、SPC B)進(jìn)行控制(圖3)，兩個(gè)SPC互為備用，分別控制調(diào)速閥的兩個(gè)線圈。在回路中，信號(hào)輸出到調(diào)速閥的驅(qū)動(dòng)線圈，兩個(gè)SPC用一個(gè)relay繼電器實(shí)現(xiàn)切換，SPC的Alarm和Shutdown信號(hào)輸出進(jìn)ITCC，通過ITCC表決后控制relay繼電器。由于只有一個(gè)調(diào)速閥閥位信號(hào)，無法同時(shí)給兩個(gè)SPC使用，因此采用一個(gè)信號(hào)分配器Spliter。正常工作時(shí)，以SPC A為主，SPC B備用，相應(yīng)的線圈只有一個(gè)工作，另一個(gè)備用。

圖3 SPC控制原理

2.1 控制原理

ITCC系統(tǒng)發(fā)出控制輸出命令(4～20mA信號(hào))進(jìn)SPC A和SPC B，接線端子為Demand(IN)。經(jīng)過伺服器轉(zhuǎn)換后從Drive(OUT)端子分別輸出到COIL A和COIL B，輸出信號(hào)為0～200mA。調(diào)速閥閥位反饋信號(hào)進(jìn)信號(hào)分配器Spliter，分兩路給SPC A和SPC B。然后再從Monitor(OUT)端子進(jìn)ITCC AI通道，到ITCC進(jìn)行閥位顯示。

正常工作時(shí)，繼電器線圈13/14得電，觸點(diǎn)9/5、12/8閉合，SPC A從Drive(OUT)+端子輸出信號(hào)到COIL A，實(shí)現(xiàn)SPC A控制；SPC B從Drive(OUT)+端子輸出信號(hào)經(jīng)電阻R返回Drive(OUT)-端子，不到COIL B。當(dāng)SPC A出現(xiàn)Shutdown信號(hào)時(shí)，ITCC接收到該信號(hào)后發(fā)出SPC切換命令，使繼電器失電，觸點(diǎn)9/5、12/8斷開，觸點(diǎn)9/1、12/4閉合，SPC A從Drive(OUT)+端子輸出信號(hào)經(jīng)電阻R返回Drive(OUT)-端子，不到COIL A；SPC B從Drive(OUT)+端子輸出信號(hào)到COIL B，實(shí)現(xiàn)SPC B控制。

2.2 控制方案缺點(diǎn)

實(shí)踐證明，單臺(tái)SPC在實(shí)際生產(chǎn)中能夠可靠運(yùn)行，起到很好的控制效果，開工至今未出現(xiàn)主SPC故障從而切換到備用SPC的事件。但通過對(duì)該方案的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主SPC出現(xiàn)故障或受電子元器件影響時(shí)，該控制系統(tǒng)存在以下幾點(diǎn)不足：

a. 兩臺(tái)SPC作為冗余、互備考慮，相互之間不存在通信，無法實(shí)現(xiàn)冗余。

b. SPC切換采用繼電器控制，而且是單一的電子設(shè)備。如果繼電器出現(xiàn)故障將導(dǎo)致SPC信號(hào)變動(dòng)，造成誤動(dòng)作，影響控制；在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在用SPC出現(xiàn)Shutdown信號(hào)時(shí)，切換到備用SPC后，由于繼電器動(dòng)作時(shí)間達(dá)不到毫秒級(jí)的要求，無法實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。

c. 反饋信號(hào)采用信號(hào)分配器，并且是單一設(shè)備，如果出現(xiàn)故障，兩個(gè)SPC都將出現(xiàn)Shutdown信號(hào)，導(dǎo)致裝置停機(jī)。

2.3 方案優(yōu)化探討

該裝置多年的生產(chǎn)運(yùn)行情況表明，單臺(tái)SPC的可靠性較強(qiáng)，故障率極低，為避免受電子元器件影響造成SPC Shutdown，建議將控制方案改為單臺(tái)SPC運(yùn)行，從而取消繼電器，將信號(hào)反饋改為單路，從而取消信號(hào)分配器。

由于兩臺(tái)SPC無法實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，因此在現(xiàn)有方案下對(duì)電子元器件提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化建議：

a. 將反饋信號(hào)改為單路反饋，對(duì)調(diào)速閥閥位反饋進(jìn)行改進(jìn)，使用雙路LDVT分別進(jìn)入兩個(gè)SPC，進(jìn)而取消信號(hào)分配器。反饋信號(hào)由ITCC AI通道進(jìn)入并在ITCC控制系統(tǒng)中分成兩組，然后由ITCC AO通道分別再進(jìn)入SPC A和SPC B(圖4)。

b. 實(shí)際運(yùn)行情況表明，SPC、繼電器及信號(hào)分配器等電子元器件均能夠可靠運(yùn)行，但從裝置的長周期運(yùn)行來看，需要對(duì)繼電器開展預(yù)防性維修，因此建議在生產(chǎn)運(yùn)行一個(gè)周期后更換繼電器。

圖4 反饋信號(hào)改進(jìn)

3 結(jié)束語

控制方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，單臺(tái)SPC作為執(zhí)行中樞在裂解氣壓縮機(jī)的應(yīng)用中得到了較好的控制效果和控制精度，機(jī)組運(yùn)行可靠，保證了機(jī)組透平轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)和裝置負(fù)荷的平穩(wěn)控制。SPC組態(tài)方便、可靠性高，具有巨大的推廣應(yīng)用價(jià)值，降低了機(jī)組透平調(diào)速控制的故障率，保證了壓縮機(jī)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 李維富,卞麗.SPC和CPC在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)中的作用[J].自動(dòng)化儀表,2008,29(6):42～44.

SPCApplicationinCrackingGasCompressorforEthyleneUnit

LIU Zong-lin, CHEN Wen-yong, TU Sheng-hua, ZHANG Hua-ping
(FujianRefining&PetrochemicalCompanyLimited)

The SPC’s (servo position controller) working principle, configuration and calibration were introduced and SPC control scheme in cracking gas compressor was expounded and suggestions on optimization were put forward.

SPC, cracking gas compressor, control scheme, configuration

TH862+.6

B

1000-3932(2017)07-0686-05

2017-02-18，

2017-05-02)

劉宗林(1988-)，工程師，從事儀表自動(dòng)化管理工作，liuzonglin@fjrep.com。