PLC在離心式壓縮機防喘振控制系統中的應用

撫順乙烯化工有限公司空分裝置空壓機防喘振控制系統原來采用FOXBORO盤前二次表來實現，并采用繼電器實現其相關聯鎖邏輯功能，實現手段不僅落后，維護工作量大，而且還經常出現原因不明的意外停車，防喘振控制系統運行也不理想。因無SOE功能（順序事件記錄）無法查明誤動作原因，為裝置生產運行造成許多隱患。現在公司采用美國GE-Fanuc的90-30雙機熱備型PLC來實現空壓機的防喘振功能和機組聯鎖保護，使用日本Digital公司的GP-470觸摸屏來實現監視和操作功能，不僅操作直觀方便、停車原因明確，也使空壓機的防喘振系統設計更加完善，機組運行更加平穩。

空壓機工藝簡介

撫順乙烯空分裝置采用法國空氣液化公司的專利，該裝置以空氣為原料，經過過濾、壓縮、凈化、精餾、蒸發等工序，最后分離出產品氧氣和產品氮氣。吸入的原料空氣經過濾后除去灰塵和雜質，過濾后的空氣由空氣壓縮機K601進行壓縮，加壓后送往下游凈化崗位。空壓機K601系離心式壓縮機，由電機帶動，分兩級壓縮，兩級分置于電機兩側即K601A和K601B。空壓機K601設計流量為31500 Nm3/h，功率為3200kw，轉速為1450rpm，由法國蘇爾壽（SULZER）公司制造。

喘振現象的產生

壓縮機在工作過程中，當入葉輪的氣體流量小于機組該工況下的最小流量（即喘振流量）限時，管網氣體會倒流至壓縮機，當壓縮機的出口壓力大于管網壓力時，壓縮機又開始排出氣體，氣流會在系統中產生周期性的振蕩，具體體現在機組連同它的外圍管道一起會作周期性大幅度的振動，這種現象工程上稱之為喘振。

喘振是離心式壓縮機的固有特性，當發生喘振時需采取措施降低出口壓力或增大入口流量，盡量降低喘振時間。為了確保壓縮機穩定可靠地工作，防止用量波動發生喘振，該裝置設計了防喘振放空閥，當下游工藝設備空氣用量減少或壓縮機出現喘振時，可由放空閥減量放空來平衡。

防喘振方案的實施

離心機防喘振控制常采用以下兩種方法：

定極限流量法：就是使壓縮機的流量始終保持大于某一定值流量，從而避免進入喘振區運行。此法通常用于恒速運行的離心機且一般流量調節器的給定值應大于額定喘振點流量的7%～10%，此法優點是控制簡單，缺點是當機組變速運行且處于低負荷情況時，防喘振控制投用過早，造成能耗加大。

變極限流量法：在變速運行的壓縮機中，隨著不同工況（壓縮比、出口壓力或轉速），極限喘振流量是個變數。變極限流量法是采用隨動防喘振流量控制系統在壓縮機的不同工況下沿喘振曲線（實際上是沿防喘振操作曲線）自動改變防喘振流量調節器的給定值，使防喘振調節器沿喘振曲線右側安全控制線（防喘振操作線）工作，這樣既安全又節能。

本裝置防喘振控制采用變極限流量法，變極限流量系統喘振曲線的數學模型可以從離心機流量－壓力特性曲線、氣體動力學方程及壓縮機入口流量計算公式導出，此喘振曲線在h（入口流量儀表的差壓）－P2/P1（壓縮機的壓縮比）坐標上是一條直線參見圖1中M1 -M2罩畢

h/P1=V×P2/P1+K

式中：h—氣壓機入口流量差壓變送器量程的百分數；
P1—氣壓機入口壓力（絕）變送器量程的百分數；
P2－壓機出口壓力（絕）變送器量程的百分數；
V—常數,直線M1 -M2盞男甭剩
k—常數，直線B的截距。

變極限流量法防喘振操作線繪制確定（圖1中B線）方法為根據壓縮機制造廠提供的如圖2氣體壓縮機特性曲線上的M1,M2點（喘振限曲線上的任意兩個臨界工況點）數據折算成與流量差壓變送器及壓力變送器的刻度值相對應的h（或h/P1）和P2（或P2/P1）的相對值（%），在圖1的坐標上確定對應于M1,M2的M1’和M2’點，連接M1’和M2’就可畫出壓縮機的喘振限直線A。然后再作A線的平行線B。A,B線的間距△Q為流量刻度7%～10%。對應的△h按具體機組設計數據計算

△h%＝△Q%×（2 Q%+△Q%）

式中：△h%－A,B線的間距，取差壓變送器量程的百分數；
△Q%—節器給定值與喘振點之間的間距，一般取喘振點流量值的7%～10%；
Q%—振點的流量差壓變送器的相對百分數；

圖1中A線就是壓縮機的理論喘振限直線；B線就是壓縮機的隨動防喘振安全操作線。

如果壓縮機的特性曲線換算到圖1上不是一條直線A，而是一條不規則的曲線時，可沿此曲線繪制近似的平行線作為安全操作線B來使用。

圖1：離心式氣體壓縮機喘振限直線及隨動防喘振控制操作線示意圖

圖2：多級離心式氣體壓縮機流量壓力特性曲線

防喘振控制系統描述

系統結構

本系統采用GE Fanuc 90-30 PLC 作數據采集和控制，為了保證系統的可靠性，控制部分采用雙機熱備結構，電源、CPU、通訊模塊和通訊總線、以太網通訊模塊等都是冗余的，通過GBC網絡通訊模塊與雙機熱備軟件共同起作用，從而實現雙機熱備功能，保證系統的高可靠性。

數據采集部分配置兩層10槽機架，第一層為帶CPU的10槽I/O機架，另一層為隸屬于第一層機架的10槽I/O擴展機架，兩層機架之間通過擴展電纜進行連接和通訊。雙機熱備部分與數據采集部分利用Genius Bus Controller （GBC）網絡通訊模塊通過Genius雙總線進行數據的通訊與傳輸。

現場的各類模擬信號、電磁閥閥位回訊和報警接點信號、PLC輸出到現場電磁閥的起停信號等均通過端子排與PLC I/O模塊相連，實現數據的采集和控制。

上位機監控系統硬件選用日本Digital公司的GP-470觸摸屏，操作系統為WINDOWS NT 4.0，運行的監控軟件為基于WINDOWS NT 的Cimplicity Server版（700點）。這臺監控站即可以作為工程師站用來組態各類畫面，又便于操作人員進行操作和監視。同時它又是一臺服務器，本系統的全部數據均存儲在此服務器的硬盤中，在此基礎上，可以進行進一步的數據處理和存取操作。上位機（通過網卡）和PLC（通過以太網通訊模塊）之間使用通用的標準10M以太網進行通訊連接。

系統的優化

為了使PLC能夠快速執行PID算法，并實時刷新計算輸出，選用PLC 90-30中的高檔模塊CPU351來完成。利用PLC功能強大的編程軟件LogicMaster提供的梯形圖功能，根據變極限流量防喘振控制方案來實現防喘振算法和相關聯鎖邏輯功能。

此次改造在軟件中增加聯鎖停車事故第一信號的捕獲功能，使壓縮機停車原因具體、明確，便于事故分析。為了便于現場操作和維護，將PLC硬件和工藝操作用的觸摸屏均安裝在防爆控制柜上，將防爆控制柜安裝在壓縮機附近的現場操作室里。

防喘振控制系統的特點

PLC系統選用美國通用電氣公司（GE_Fanuc）的90-30系列控制系統，性能優良，性價比高。

PLC系統具有雙機熱備功能，實現PLC主機冗余、電源冗余、通訊模塊和通訊總線冗余，主機、從機可無擾動切換，模塊在線可更換，增加了系統的可靠性。

上位機與PLC之間通過10Mb/S的高速以太網ETHERNET實現數據的采集和傳輸，保證數據傳輸的高速、可靠。

系統具有強大的通訊功能，支持多種通訊總線協議，具有開放的網絡結構，可與其它廠家的PLC和DCS進行通訊。

系統具有容錯能力和強大的自診斷功能。

PLC的微處理器選用高性能的INTEL處理器，系統運行速度高，能快速執行PID算法，并實時刷新計算輸出。

PLC具有功能強大的梯形圖編程軟件LogicMaster，可實現防喘振算法和相關聯鎖邏輯功能。

具有實時和歷史數據處理功能，聯鎖停車事故第一信號的捕獲功能。

可顯示操作狀態及流程圖畫面、調速畫面、機組喘振控制畫面、實時趨勢畫面、歷史趨勢畫面、報警歷史畫面等。

本裝置的防喘振控制系統自投用后，運行效果很好，壓縮機沒有再發生喘振現象，機組運行平穩，達到了設計要求，取得顯著的經濟效益。