萊鋼ATLAS HMH8氮氣壓縮機控制功能的設計與實現

1 引言
萊蕪鋼鐵集團有限公司于2005年8月投產的制氧機是一套22000m3/h內壓縮流程制氧機組。采用常溫分子篩凈化空氣，增壓透平膨脹機制冷，采用規整填料技術及全精餾制氬的外壓縮流程。氮壓機采用ATLAS HMH8型設備，由四級蝸殼設備和一臺西門子電機組成。氮壓機工作過程是在西門子電機的驅動下通過聯軸器帶動齒輪箱工作，將空分中分離出來的氮氣通過四級蝸殼進行四級壓縮從而達到2.5MPa的高壓無油氮氣向外輸送。并通過的喘振保護功能實現壓縮機本身的軸系統的保護工作。

2 控制要求及主要控制功能
控制程序主要完成氮壓機設備的啟動—停止聯鎖控制，潤滑油系統的順序控制，輔助油泵的手/自動啟動—停止及溫度過熱保護功能，系統的溫度、壓力、閥位聯鎖等控制，入口導葉和防喘振閥的自動調節功能，壓縮機特有的喘振保護功能，保護并保證設備的安全穩定運行。設計中采用現場總線、DCS、PLC等先進技術相結合的控制方法，實現了該機組自動控制、數據通訊及上位機管理。

3 硬件配置及技術設計特點
3.1 控制系統硬件配置
(1) 系統配置
控制系統硬件配置 氮氣壓縮機采用標準TCP/IP協議以太網實現與主DCS系統的數據通訊。并通過標準TCP/IP協議以太網，實現整個流程中空氣壓縮、氮氣壓縮等子系統的自動控制、數據通訊及上位機管理，可完整地監控整個系統的生產情況。硬件配置示意圖如圖1所示。

圖1 硬件配置示意圖
系統以Win2000為運行平臺，從而確保系統的通用性、開放性和易用性。系統提供了功能塊圖FBD、梯形圖LAD、語句表STL和CFC等圖形化組態手段。系統使用同一套組態工具軟件STEP7完成過程級控制策略和操作級HMI組態及調試，并使用同一個全局數據庫和項目樹，使得程序生成靈活簡單，清晰明了。
S7-400 PLC是SIEMENS公司推出的目前功能最強大的控制系統，支持多種國際現場總線標準，既可連接常規I/O，又可連接Remote I/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等現場總線設備。
(2) 上位機配置
上位機配置 PLC系統選用的是西門子SIMATIC S7-400可編程控制器，監控軟件采用SIMATIC WINCC,并帶有1個操作員站OS、1個工程師工作站ES。PLC與上位機之間通過工業以太網通訊，光纖連接。如圖2所示:

圖2 系統配置結構框圖
上位機的監控功能主要包括畫面顯示、系統的運行操作、報表管理及報警功能。便于故障跟蹤和智能分析，為及時發現故障、分析故障、解決故障創造了有利條件。

3.2 控制系統采用的技術
(1) 可變周期任務運行S7-400 PLC控制器高度容錯自動化系統控制程序采用“任務運行”方式，每個任務都可設定運行周期和優先級。所以該控制器既可滿足復雜調節回路控制要求，又可滿足快速電氣開關量控制，從而一個控制器可以覆蓋工廠所有環節的控制要求且系統編程語言符合IEC61131-3標準。
(2) 開放的TCP/IP協議以太網技術 S7-400 PLC控制系統通信模件為標準TCP/IP協議以太網模件，使系統無須增加設備就可與工廠局域網連接;由于系統支持各種OPC數據交換標準，使系統與各種第三方數據庫或軟件的數據交換更加容易。
(3) PROFIBUS-DP現場總線技術 PROFIBUS-DP用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。總線循環時間必須要比主站(PLC)程序循環時間短。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。
3.3 功能設計特點
氮壓機采用遠程分布式控制方式，遠程站設在壓縮機機旁柜，觸摸屏操作和監控。本控制系統可實現自動控制，遠程手動操作及上位機管理，可完整地監控整個系統的生產情況。
(1) 在手動方式下，可通過計算機鍵盤和鼠標對所有受控閥門進行控制，微小增/減開度的按鈕，可避免操作人員的誤操作導致工況的不穩定。
(2) 在自動方式下，主PLC主要實現了下列功能:
●入口導葉和旁通閥之間自動聯鎖調節控制，即自動加載和自動卸載控制可實現無人操作;
●氮壓機排氣壓力控制旁通閥和入口導葉回路的自動調節;
●氮壓機電機限流控制器控制回路的自動調節和自動變負荷;
●氮壓機“流量比調節器”防喘振控制和喘振保護功能;
●氮壓機報警、開/停車聯鎖控制、輔油泵啟/停聯鎖控制等。
3.4 系統工作原理
(1) 系統通訊
氮壓機PLC控制采用SIEMENS S7-400 PLC，人機界面采用TP270觸摸屏。控制器與人機界面之間使用profibus現場總線通訊，即CPU414-2DP模板所帶的DP接口通過通訊電纜與人機界面的profibus-DP口相連;控制器通過以太網模塊與操作站實現數據通訊。通過編制適當的控制程序，實現了氮壓機溫度、壓力、流量、振動等各種工藝參數的集中監視、記錄、歸檔并報警;壓縮機啟動和緊急停車等順序聯鎖控制以及重要的防喘振控制。
(2) 防喘振
PLC配置的喘振探測部分監視壓縮機出口壓力的變化從而保護壓縮機防止受到沖擊壓力的影響。壓力變化的范圍和方向決定了出口壓力的斜率。如果該斜率在幾秒鐘的時間內下降到低于最低設定點(出口壓力快速下降)然后又上升超過了最高設定點(出口壓力快速上升)，系統則通過沖擊報警指出發生了沖擊周期。最低和最高斜率設定點和沖擊周期時間都可根據具體設備調節。
發生沖擊報警時，壓縮機進行卸載(BOV完全打開，同時IGV關閉達到其最小位置)。在按壓復位按鈕確認沖擊報警之前不可能使壓縮機負載。確認后，壓縮機自動負載。如果在2min內探測到6個沖擊周期，應急停機就被觸發，壓縮機由于沖擊壓力而停機。沖擊周期的次數和對沖擊周期進行計數的時間期限可根據具體設備調節。
如果該選項獲得允許，系統則在下述情況下使沖擊報警復位:持續2min沒有沖擊，并且在前面的一個小時內的沖擊不超過3次。這樣，系統可忽略對壓縮機影響很小的單件的沖擊周期并自動負載而不需要操作人員干預。
通過在調試期間用手控方式對壓縮機施加沖擊壓力使其達到限值可生成沖擊探測采用的最小和最大設定點。在控制條件下生成的這些限值用于保護壓縮機防止受到沖擊。
控制系統計算壓縮機最后4個出口壓力的平均值并使該平均值與設定點對比。IGV和BOV如下響應該壓力。
具有“流量比調節器”的防喘振控制。就能量從葉輪賦予流體的方式而論，離心式壓縮機它的壓縮比與進氣側體積流量的關系是拋物線。在低流量范圍內，由于氣體的可壓縮性會產生不穩定狀態，稱作喘振。這時壓縮機特性曲線呈現負阻特性，從而導致一個不可控的極限環。當流量減小到喘振線以下時，壓縮比就要下降，使流量進一步減小，使輸出管線中的壓縮氣體向壓縮機倒灌。在幾毫秒的時間內，流動方向又會反過來，除非加以校正，否則1s內又會開始另一次循環。根據流量孔板的差壓與壓縮機壓比的關系，我們采用流量比調節器調整進氣側的流量使其保持在防喘振線的上方。如果流量接近防喘振線，就必須立即打開旁通閥。
入口導葉和旁通閥控制。低于設定點的排氣壓力 旁通閥在低壓下關閉。如果旁通閥達到完全關閉的位置而排氣壓力仍然低于該設定點并且在死區的范圍外，入口導葉就開始打開。當排氣壓力達到死區范圍內并且在設定點附近時，入口導葉就停止打開。在旁通閥關閉之前，入口導葉不能移動。
高于設定點的排氣壓力 旁通閥在高壓下打開。當壓力達到死區范圍內并且在設定點附近時，旁通閥停止打開。
電機電流限流 如果電機電流超過了滿負荷電流，電機電流限流功能則工作。按照排氣壓力打開入口導葉的所有命令都被禁止。但入口導葉仍然響應排氣壓力的控制而關閉。
3.5 自動變負荷功能設計
根據熱線生產的需要，操作人員按照調度人員下達的管網壓力要求，只需從操作界面上輸入壓力設定值，氮壓機的旁通閥和入口導葉便會從當前開度慢慢調整到壓力設定點附近需要的開度，無須操作人員進行長時間的手動操作。這一人性化設計給操作人員帶來很大方便，減輕了工人勞動強度和避免了誤操作。

3.6 潤滑油系統控制
潤滑油系統向齒輪箱和電動機軸承提供清潔的、溫度得到控制的油。內部加熱器保證了油箱溫度保持在高于最低溫度1000F。系統自動將齒輪箱油溫控制在900F，即啟動需要的溫度以上。油箱配備了低油位報警和停機功能。
該系統配備2只潤滑油泵:主油泵(用齒輪箱機械驅動)和輔助油泵(電氣驅動)。只要壓縮機在運行，主油泵就提供潤滑油。如果需要，當壓縮機不運行或者雖然壓縮機在運行但油壓下降到低于報警設定點時，輔助油泵則運行。油箱溫度必須至少達到600F才能使輔助油泵運行。該系統有泄壓閥保護防止過壓。
(1) 輔油泵運行方式。
●手控
只要油箱溫度保持在600F以上，輔助油泵就持續運行。
●自動
壓縮機不運行時，泵自動循環使齒輪箱的油溫保持在壓縮機啟動需要最低溫度以上。當油溫下降達到低于920F時，泵便啟動，當油溫上升到超過960F時泵便停機。如果油箱溫度下降到低于600F，泵就不能運行。(油箱加熱器應該自動將油箱溫度保持在高于1000F。)如果壓縮機運行時油壓下降到低于23psi表壓，泵便啟動。當油壓上升到高于34psi表壓時，按壓復位按鈕使泵停機。由于該方式將油溫保持在高于啟動需要的最低溫度，所以建議采用該方式。
●備用
如果壓縮機運行時油壓下降到低于23psi表壓，泵便啟動。當油壓上升到高于34psi表壓時，按壓復位按鈕使泵停機。但當壓縮機不運行時，該泵就不運行維持油溫。
(2) 自動方式或備用方式輔助油泵運行條件。
●如果壓縮機開始啟動時泵不在運行，泵便啟動。如果主驅動器達到全速時油壓超過了34psi表壓，泵就停機。如果油壓保持低于34psi表壓，泵就繼續運行。當油壓達到34psi表壓時，按壓復位按鈕使泵停機。
●如果壓縮機在運行、油壓下降到低于23psi表壓并且觸發了報警，泵就啟動。當油壓上升到超過了34psi表壓，按壓復位按鈕使泵停機。
●壓縮機停機時，泵便啟動并運行一個小時潤滑和冷卻軸承。
●如果壓縮機至少停止運行了30s并且壓縮機出口壓力超過了2psi表壓，泵就啟動。如果壓力下降到低于2psi表壓，按壓復位按鈕使泵停機。該壓力設定點初始設置在2psi表壓，但在調試時可進行調節。
通過引導一部分油流過冷卻器可使齒輪箱油溫保持在低于最低值。恒溫閥自動調節通過冷卻器的油流量從而將溫度保持在1100F。經過冷卻器后，油通過濾油器，然后進入齒輪箱。
4 結束語
該系統ProfiBus現場總線、S7-400 PLC等先進控制技術的綜合采用，以及“自動變任務運行周期”、“自動變負荷”、“排氣壓力斜度控制”的喘振保護、“流量比調節器”防喘振控制等先進控制功能的實現，使得該機組自建成投產以來，工作穩定，安全性和可靠性高,故障停機率低,機組產品質量和產量穩定，為萊鋼大H型鋼生產線提供了連續、優質的氮氣氣源，保證了熱線生產的順利進行，創造了可觀的經濟效益。