DCS系統(tǒng)在空分壓縮機的防喘振控制系統(tǒng)中的應用
中國自動化網(wǎng)
摘要： 邏輯控制即控制系統(tǒng)與邏輯點的相互配合應用。空分壓縮機防喘振系統(tǒng)，是靠HoneywellTPS系統(tǒng)（DCS）本身先進的智能控制算法，以及多重冗余和容錯技術加上功能強大的邏輯控制來實現(xiàn)的。
Abstract：
Key words :
</a>邏輯控制" title="邏輯控制">邏輯控制" title="邏輯控制">邏輯控制即控制系統(tǒng)與邏輯點的相互配合應用。空分壓縮機防喘振系統(tǒng)，是靠Honeywell TPS系統(tǒng)（DCS）本身先進的智能控制算法，以及多重冗余和容錯技術加上功能強大的邏輯控制來實現(xiàn)的。
關鍵詞：控制系統(tǒng) 邏輯控制 防喘振 DCS系統(tǒng)
Abstract：The logic controls is that the application between logic point and control system.It depends on its advanced intelligent control algorithm by Honeywell TPS system （DCS） and it comes true under the control of the multiple Redundancy and fault-tolerant technology with the powerful logic function.
Keywords：Control system, Logic Control, prevent from breathing and shaking, Distributed Control system
前言
西林鋼鐵公司6000m3/h空分設備由杭州制氧機集團公司2001年5月成套，工廠設計由北京鋼鐵設計總院設計，于2001年9月2日順利投產(chǎn)出氧，歷時半年多的時間運行表明，該機組穩(wěn)定運行，各項指標均達到設計值或超過設計值。整個控制系統(tǒng)采用美國霍尼韋爾的TDC3000和兩臺GUS站構成。
一. 控制系統(tǒng)的組成
1.自動控制系統(tǒng)的構成。
自動控制系統(tǒng)由被控對象、檢測元件、控制器和調節(jié)閥等部分組成。如圖一所示。
圖一 自動控制系統(tǒng)方框圖
a. 被控對象：需要實現(xiàn)控制的設備，機器或生產(chǎn)過程。
b. 被控變量：對象內要求保持設定值的物理量。
c. 操縱變量：受控制器操縱，要以使被控變量保持設定值的物料量或能量。
d. 干擾（擾動），除操縱變量以外，作用于對象并能引起被控變量變化的因素，如負荷變化就是一種典型的擾動。
e. 設定值：被控變量的目標值。
f. 偏差：偏差理論上應該是被控變量的設定值與實際值之差。
2.串級調節(jié)系統(tǒng)
串級調節(jié)系統(tǒng)是最早、效果最好、使用最廣泛的一種復雜控制系統(tǒng)，它的特點是兩個控制器相串接，主控制器的輸出作為副控制器的設定，適用于時間常數(shù)及純滯后較大的被控制對象。
二.邏輯點功能
邏輯點提供了邏輯能力，它與數(shù)字組合點配合，提供了組合邏輯功能。邏輯點由邏輯塊、FLAG、數(shù)字、輸入連接和輸出連接等組成。邏輯點最多有12個輸入，16個邏輯塊，12個輸出連接。
三、空分離心式壓縮機的防喘振控制
空分選用的是離心式壓縮機，離心壓縮機工作效率高，在正常工況條件下運行平穩(wěn)，壓縮氣流無脈動，對其所輸送介質的壓力、流量、溫度變化的敏感性相對較大，容易發(fā)生喘振。發(fā)生喘振時流量大幅波動，機組劇烈振動，如不及時采取措施加以控制，會使壓縮機轉子和靜子經(jīng)受交變應力作用而斷裂;使極間壓力失常而引起強烈振動，導致密封及推力軸承損壞;使運動元件和靜止元件相碰，造成嚴重事故。所以應盡力防止壓縮機進入喘振工況。喘振現(xiàn)象是完全可以得到有效控制的，如圖二所示，根據(jù)離心壓縮機在不同工況條件下的性能曲線，只要我們把壓縮機的最小流量控制在工作區(qū)（控制線內），壓縮機即可正常工作。喘振的標志是一最小流量點，低于這個流量即出現(xiàn)喘振。因此需要有一個防止壓縮機發(fā)生喘振的控制系統(tǒng)，限制壓縮機的流量不會降低到這種工況下的最低允許值。即不會使壓縮機進入喘振工況區(qū)域內。
圖二 離心壓縮機性能曲線與防喘振控制原理圖
壓縮機的防喘振條件為：△P≥a（p2±bp1）
式中 △p——進口管路內測量流量的孔板前后壓差
p1——進口處壓力
p2——出口處壓力
a、b——與壓比、溫度、孔板流量計的孔板系數(shù)有關的參數(shù),可通過熱工計算機和實驗取得。
從圖二看離心式壓縮機在輸氣過程中由于運行工況（p、T、Q）的不穩(wěn)定，若控制不好會使壓縮機的工作性能顯著惡化，氣流參數(shù)（壓力、流量）產(chǎn)生大幅度脈動，噪聲和振動加劇，嚴重時足以損壞壓縮機。傳統(tǒng)的防喘振方法一般采用壓縮機額定的最小流量控制法，此種控制方法的缺點是不能充分使輸氣壓縮機工作在其工作區(qū)，頻繁起動防喘閥（放空閥）浪費了能源，降低了輸氣的經(jīng)濟性。而且隨著壓縮機的長期運轉磨損，其性能會發(fā)生變化即壓縮機額定最小流量（喘振線）特性會發(fā)生偏移，如果不進行實時修正，必將造成控制失靈，使壓縮機工作在喘振區(qū)，其造成后果可想而知。因此，對空分離心壓縮機在輸氣過程中由于運行工況變化和壓縮機的性能發(fā)生變化可能造成的喘振，我們采用了以下控制策略：
（1） 根據(jù)離心壓縮機的額定最小流量特性曲線和輸氣系統(tǒng)的特定參數(shù)確定壓縮機的最佳工作區(qū)（控制裕度線）;
（2） 用數(shù)學方法擬和出不同工況條件（p、T）下的喘振線和防喘振控制線;
（3） 用海量數(shù)據(jù)的處理方法，將壓縮機的歷史數(shù)據(jù)進行在線處理，計算出離心壓縮機的實際最小流量與最小額定流量的偏移;
（4） 根據(jù)離心壓縮機的進出口溫度和實際最小流量的偏移對喘振線和防喘控制線進行實時補償;
（5） 用工況點求取的喘振點最小流量與實際工況點的最小流量進行比較;
（6） 把上述比較的結果（流量的變化以及變化的速率）作為控制器的輸入，通過對壓縮機進口導葉（進氣閥）、防喘閥（放空閥）的控制，實現(xiàn)對離心壓縮機的防喘控制。
圖三 主壓縮機入口導葉控制邏輯圖
如圖三所示：當主壓縮機起動時，IIC2301在自動位置，IIC2301.OP=100; PIC1101在程序位置，用CL語言設置其輸出，等于MIGVRAMP2的輸出，當PI1101.PV=PI1101.SP時，PIC1101自動設置為自動，M-IGV（入口導葉）由PIC1101自動控制，HC1031.OP=100。當電機允許加載信號為“ON”時，MIGVRAMP1和MIGVRAMP2起動，其輸出開始爬坡增加，在一秒內，MIGVRAMP1由O增加到20，然后在15分59秒內由20增加到100。 MIGVRAMP2再延時一秒后，同樣在15分59秒內由20增加到100。當空分故障時，MIGVRAMP2被“SHUTDOWN”，其輸出為20。當空份故障排除時，按下HS1105（空分故障確認）后，MIGVRAMP2被起動，其輸出在1秒延時后，在15分59秒內，從20增加到100。SUB 1000模塊是使入口導葉開度等于PIC1101的開度減去“100減去IIC2301的開度”。LO SELECT是低選擇邏輯塊，選擇低的開度輸出到MIG。當電機允許加載信號“OFF”時，壓縮機停車，MIGVRAMP1被“SHUTDOWN”，當其輸出為O時，入口導葉全關。HC1031是單機試車和正常時，操作工用其卸壓和卸載，人工只能關小MIGV，不能開大。
當主壓縮機起動時， HC1046.op=0時，PIC1044為自動狀態(tài)，當 PIC1044.op=0時 FICI1044為程序狀態(tài)，用CL語言設置FIC1044.op=M-BOVRAMP的輸出。當FIC1044.pv≤FIC1044.sp時，F(xiàn)IC1044自動設置為串級控制。當電機允許加載信號“ON”或HS1105（空分故障確認）“ON”時，M-BOVRAMP起動，開始爬破，其輸出控制GI1046，在PI1044.pv=PIC1044.sp，F(xiàn)I1044.pv≤FIC1044.sp時，F(xiàn)IC1044取代RAMP控制GI1046。當PIC1044.pv≥PIC1044.sp時，說明輸出壓力太高，此時輸出到BOV的信號為FIC1044.op+PIC1044.op。當電機允許加載信號“OFF”（停車）或空分故障時，M-BOVRAMP被強迫輸出為100，GI1046閥全開。M-BOVRAMP爬坡時間為12分，由100降到0。在起動時，因流量為零，為使FIC1044保持手動狀態(tài)，先用CL語言延時5秒，當FI1044.pv≤FIC1044.sp時，F(xiàn)IC1044投入串級。HC1046為單機試車和正常停車時操作工卸壓卸載用，人工只能開大GI1046，不能關小。PLUS 是加法器模塊。HI SELECT是高選擇邏輯塊，選擇高的開度輸出到GI1046。
入口導葉的邏輯控制和放空閥的邏輯控制使壓縮機的運行工況得到了很好的控制，無論壓縮機的壓縮比是多少，只要保證壓縮機的吸入流量比喘振流量大，能對喘振現(xiàn)象產(chǎn)生的先兆加以快速和準確的預測和判斷，并對其加以控制，喘振現(xiàn)象是可以完全避免的。就能保證壓縮機穩(wěn)定的工作。
參考文獻：
1.TPS System LCN Maintenance 2000,8 Honeywell,US
2. 計算機控制系統(tǒng) 2004,3,1 清華大學出版社出版 作者：王錦標 編著
關鍵詞：控制系統(tǒng) 邏輯控制 防喘振 DCS系統(tǒng)
Abstract：The logic controls is that the application between logic point and control system.It depends on its advanced intelligent control algorithm by Honeywell TPS system （DCS） and it comes true under the control of the multiple Redundancy and fault-tolerant technology with the powerful logic function.
Keywords：Control system, Logic Control, prevent from breathing and shaking, Distributed Control system
前言
西林鋼鐵公司6000m3/h空分設備由杭州制氧機集團公司2001年5月成套，工廠設計由北京鋼鐵設計總院設計，于2001年9月2日順利投產(chǎn)出氧，歷時半年多的時間運行表明，該機組穩(wěn)定運行，各項指標均達到設計值或超過設計值。整個控制系統(tǒng)采用美國霍尼韋爾的TDC3000和兩臺GUS站構成。
一. 控制系統(tǒng)的組成
1.自動控制系統(tǒng)的構成。
自動控制系統(tǒng)由被控對象、檢測元件、控制器和調節(jié)閥等部分組成。如圖一所示。
圖一 自動控制系統(tǒng)方框圖
a. 被控對象：需要實現(xiàn)控制的設備，機器或生產(chǎn)過程。
b. 被控變量：對象內要求保持設定值的物理量。
c. 操縱變量：受控制器操縱，要以使被控變量保持設定值的物料量或能量。
d. 干擾（擾動），除操縱變量以外，作用于對象并能引起被控變量變化的因素，如負荷變化就是一種典型的擾動。
e. 設定值：被控變量的目標值。
f. 偏差：偏差理論上應該是被控變量的設定值與實際值之差。
2.串級調節(jié)系統(tǒng)
串級調節(jié)系統(tǒng)是最早、效果最好、使用最廣泛的一種復雜控制系統(tǒng)，它的特點是兩個控制器相串接，主控制器的輸出作為副控制器的設定，適用于時間常數(shù)及純滯后較大的被控制對象。
二.邏輯點功能
邏輯點提供了邏輯能力，它與數(shù)字組合點配合，提供了組合邏輯功能。邏輯點由邏輯塊、FLAG、數(shù)字、輸入連接和輸出連接等組成。邏輯點最多有12個輸入，16個邏輯塊，12個輸出連接。
三、空分離心式壓縮機的防喘振控制
空分選用的是離心式壓縮機，離心壓縮機工作效率高，在正常工況條件下運行平穩(wěn)，壓縮氣流無脈動，對其所輸送介質的壓力、流量、溫度變化的敏感性相對較大，容易發(fā)生喘振。發(fā)生喘振時流量大幅波動，機組劇烈振動，如不及時采取措施加以控制，會使壓縮機轉子和靜子經(jīng)受交變應力作用而斷裂;使極間壓力失常而引起強烈振動，導致密封及推力軸承損壞;使運動元件和靜止元件相碰，造成嚴重事故。所以應盡力防止壓縮機進入喘振工況。喘振現(xiàn)象是完全可以得到有效控制的，如圖二所示，根據(jù)離心壓縮機在不同工況條件下的性能曲線，只要我們把壓縮機的最小流量控制在工作區(qū)（控制線內），壓縮機即可正常工作。喘振的標志是一最小流量點，低于這個流量即出現(xiàn)喘振。因此需要有一個防止壓縮機發(fā)生喘振的控制系統(tǒng)，限制壓縮機的流量不會降低到這種工況下的最低允許值。即不會使壓縮機進入喘振工況區(qū)域內。
圖二 離心壓縮機性能曲線與防喘振控制原理圖
壓縮機的防喘振條件為：△P≥a（p2±bp1）
式中 △p——進口管路內測量流量的孔板前后壓差
p1——進口處壓力
p2——出口處壓力
a、b——與壓比、溫度、孔板流量計的孔板系數(shù)有關的參數(shù),可通過熱工計算機和實驗取得。
從圖二看離心式壓縮機在輸氣過程中由于運行工況（p、T、Q）的不穩(wěn)定，若控制不好會使壓縮機的工作性能顯著惡化，氣流參數(shù)（壓力、流量）產(chǎn)生大幅度脈動，噪聲和振動加劇，嚴重時足以損壞壓縮機。傳統(tǒng)的防喘振方法一般采用壓縮機額定的最小流量控制法，此種控制方法的缺點是不能充分使輸氣壓縮機工作在其工作區(qū)，頻繁起動防喘閥（放空閥）浪費了能源，降低了輸氣的經(jīng)濟性。而且隨著壓縮機的長期運轉磨損，其性能會發(fā)生變化即壓縮機額定最小流量（喘振線）特性會發(fā)生偏移，如果不進行實時修正，必將造成控制失靈，使壓縮機工作在喘振區(qū)，其造成后果可想而知。因此，對空分離心壓縮機在輸氣過程中由于運行工況變化和壓縮機的性能發(fā)生變化可能造成的喘振，我們采用了以下控制策略：
（1） 根據(jù)離心壓縮機的額定最小流量特性曲線和輸氣系統(tǒng)的特定參數(shù)確定壓縮機的最佳工作區(qū)（控制裕度線）;
（2） 用數(shù)學方法擬和出不同工況條件（p、T）下的喘振線和防喘振控制線;
（3） 用海量數(shù)據(jù)的處理方法，將壓縮機的歷史數(shù)據(jù)進行在線處理，計算出離心壓縮機的實際最小流量與最小額定流量的偏移;
（4） 根據(jù)離心壓縮機的進出口溫度和實際最小流量的偏移對喘振線和防喘控制線進行實時補償;
（5） 用工況點求取的喘振點最小流量與實際工況點的最小流量進行比較;
（6） 把上述比較的結果（流量的變化以及變化的速率）作為控制器的輸入，通過對壓縮機進口導葉（進氣閥）、防喘閥（放空閥）的控制，實現(xiàn)對離心壓縮機的防喘控制。
圖三 主壓縮機入口導葉控制邏輯圖
如圖三所示：當主壓縮機起動時，IIC2301在自動位置，IIC2301.OP=100; PIC1101在程序位置，用CL語言設置其輸出，等于MIGVRAMP2的輸出，當PI1101.PV=PI1101.SP時，PIC1101自動設置為自動，M-IGV（入口導葉）由PIC1101自動控制，HC1031.OP=100。當電機允許加載信號為“ON”時，MIGVRAMP1和MIGVRAMP2起動，其輸出開始爬坡增加，在一秒內，MIGVRAMP1由O增加到20，然后在15分59秒內由20增加到100。 MIGVRAMP2再延時一秒后，同樣在15分59秒內由20增加到100。當空分故障時，MIGVRAMP2被“SHUTDOWN”，其輸出為20。當空份故障排除時，按下HS1105（空分故障確認）后，MIGVRAMP2被起動，其輸出在1秒延時后，在15分59秒內，從20增加到100。SUB 1000模塊是使入口導葉開度等于PIC1101的開度減去“100減去IIC2301的開度”。LO SELECT是低選擇邏輯塊，選擇低的開度輸出到MIG。當電機允許加載信號“OFF”時，壓縮機停車，MIGVRAMP1被“SHUTDOWN”，當其輸出為O時，入口導葉全關。HC1031是單機試車和正常時，操作工用其卸壓和卸載，人工只能關小MIGV，不能開大。
當主壓縮機起動時， HC1046.op=0時，PIC1044為自動狀態(tài)，當 PIC1044.op=0時 FICI1044為程序狀態(tài)，用CL語言設置FIC1044.op=M-BOVRAMP的輸出。當FIC1044.pv≤FIC1044.sp時，F(xiàn)IC1044自動設置為串級控制。當電機允許加載信號“ON”或HS1105（空分故障確認）“ON”時，M-BOVRAMP起動，開始爬破，其輸出控制GI1046，在PI1044.pv=PIC1044.sp，F(xiàn)I1044.pv≤FIC1044.sp時，F(xiàn)IC1044取代RAMP控制GI1046。當PIC1044.pv≥PIC1044.sp時，說明輸出壓力太高，此時輸出到BOV的信號為FIC1044.op+PIC1044.op。當電機允許加載信號“OFF”（停車）或空分故障時，M-BOVRAMP被強迫輸出為100，GI1046閥全開。M-BOVRAMP爬坡時間為12分，由100降到0。在起動時，因流量為零，為使FIC1044保持手動狀態(tài)，先用CL語言延時5秒，當FI1044.pv≤FIC1044.sp時，F(xiàn)IC1044投入串級。HC1046為單機試車和正常停車時操作工卸壓卸載用，人工只能開大GI1046，不能關小。PLUS 是加法器模塊。HI SELECT是高選擇邏輯塊，選擇高的開度輸出到GI1046。
入口導葉的邏輯控制和放空閥的邏輯控制使壓縮機的運行工況得到了很好的控制，無論壓縮機的壓縮比是多少，只要保證壓縮機的吸入流量比喘振流量大，能對喘振現(xiàn)象產(chǎn)生的先兆加以快速和準確的預測和判斷，并對其加以控制，喘振現(xiàn)象是可以完全避免的。就能保證壓縮機穩(wěn)定的工作。
參考文獻：
1.TPS System LCN Maintenance 2000,8 Honeywell,US
2. 計算機控制系統(tǒng) 2004,3,1 清華大學出版社出版 作者：王錦標 編著
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