压缩机控制系统

近十几年来，DCS以其强大的控制功能、集中的操作显示功能及高可靠性等，在现场应用越来越多。然而，对一些较小的控制系统，投入一套DCS，从经济上考虑不怎么划算；但使用一些常规仪表，又具有操作显示不方便等诸多缺陷。因此，一些厂家从各方面考虑着手，生产了具有很强控制功能的智能化仪表。 APACS353是美国 Moore Products公司近两年推出的，具有DCS和PLC的许多优点，可称得上是一种专用小型控制系统。本文就APACS353在湖北一碱厂压缩机控制系统中的应用，对该智能控制器作一介绍。

1、MACS353智能控制器 APACS353是一种独立的、以微处理器为基础的过程自动化控制器。其应用范围特别广泛，既可用于小批量处理过程或连续过程，亦可用于离散控制过程。 它具有如下特点： ①采用模板化结构，用户可根据自己的实际需要来灵活配置。其核心是一块功能强大的微处理器MPU板，该板应用了最新的微处理器技术，可以实现单回路、串级及一些复杂的控制策略，且带有自己的I/O；若I/O不够，可以增加一个I/O扩展板，接收热电偶、热电阻、频率等信号。为了集成全厂控制管理网络系统，可以配置局部仪表链接LIL网络板、现场总线Lon Works板； ②可以支持25个控制回路，以解决复杂的控制问题。另外，每个回路的PID参数可以进行自整定； ③可以组成开放式系统。 MPU板自带的MODBUS通信提供主/从式网络，使353容易地与其它系统集成在一起；LIL通信可用来代替MODBUS，提供对等的高速网络； ④支持最新的现场总线技术。 Lon Works现场总线可以在其中得到应用； ⑤该控制器既可用前端面板来组态和监控操作，也可先在上位机组态好后下载到353中。其组态语言既可用功能块语言，也可用梯形逻辑图语言，灵活方便，易于组成各种控制方案以满足控制对象的实际要求。此外，在该控制器中，还保存有一些通用的工厂组态方案库，用户可根据自己的需要调出相应的库，稍作修改后变为己用，这样可以简化组态。

2、压缩机控制系统 压缩机是一种将气体压缩从而提高气体压力或输送气体的机器，按能量转换方式可分为动力型和容积型两类。离心压缩机属动力型，其工作原理是根据动能转换为势能的原理，将流体加速到高速，然后降低速度，通过改变它的流向，把它所具有的动能转换为势能，从而提高压力。 压缩机的调节或控制有两个目的，一个是改变压缩机的性能以适应管网系统特性的变化，保证压缩机的操作符合工艺要求；另一个是保证压缩机的安全运行，防止压缩机发生喘振和在严重情况下毁坏机器。

2．1适应管网特性变化 压缩机是与管网系统联合工作的，管网系统指与压缩机联合在一起运行的各种装置、设备、容器、阀和管道，压缩机和管网的特性曲线如图1所示。 图1中，曲线1为压缩机的工作曲线，曲线2与2'为管网的特性曲线。当管网的阻力系数在生产过程中稳定时，压缩机则稳定在某一工况点工作。但是，在生产运行过程中，管网的阻力系数可能经常变化(如工厂用气量的变化)，这样管网的特性曲线就发生变化，为适应这一变化，保证管网对压力或流量的要求，就需要改变压缩机的性能，使其在新的工况点工作。例如，原来压缩机工作在其稳定工况点M，若管网特性由曲线2变为曲线2'，则此时对应的压力和流量均发生变化，若系统不允许这样的变化，就需要进行调节。 根据工艺要求，有以下三种调节：等压力调节，通过改变压缩机流量保持压力稳定：等流量调节，通过改变压力保持流量稳定；比例控制，用来保持压力或流量的比例不变。

2．2防喘振调节系统 在管网中，由于工况改变，流量明显减少，出现严重的旋转脱离，形成突变型失速：此时，工作轮虽旋转，但不能提高气体压力，压缩机出口压力显著下降。而管网容量较大，反应不灵敏，管网压力并不马上减低。于是可能出现管网压力反大于压缩机出口压力的情况，因而管网中的气体就向压缩机倒流，直到管网压力下降到低于压缩机出口压力为止。这时倒流停止，气体又在叶片作用下正向流动，压缩机又开始向管网供气。但当管网压力不断回升，又回复到原有水平时，压缩机正常排气又受到阻碍，流量又下降，系统中的气体又产生倒流。如此周而复始，在整个系统发生了周期性的轴向低频大振幅的气流振荡现象，即为喘振。喘振使压缩机的性能显著恶化，气流参数(压力、流量)产生大幅度脉动，噪声和振动加剧，严重时足以损坏压缩机。 喘振的标志是一最小流量点，低于这个流量即出现喘振。因此，需要有一个防止压缩机发生喘振的控制系统，限制压缩机的流量不会降低到这种工况下的最低允许值，即不会使压缩机进人喘振工况区域内。 压缩机的防喘振条件为 △p≥a(p2±bp1) 式中：△p为进口管路内测量流量的孔板前后压差；p1为进口处压力；p2为出口处压力；α，b为有关参数。 3、应用实例 该控制系统的对象为碱厂的一台CO2离心压缩机，在纯碱工业中，CO2的压缩是一个极为重要的关键工序，因此压缩机的作用很大。在我国早期建设的各种规模的纯碱厂，多采用往复活塞式压缩机，目前，多以离心式和螺杆式压缩机为主。

3．1系统配置 考虑到整个系统的安全性，一台仪表或设备的故障不应影响到其它设备，故在设计时，把整个系统的功能分散，APACS353主要执行调节、联锁保护功能，所以在APACS353内部只配置MPU板和I/O扩展板。系统要求具有记录功能，即一些重要数据要求记录以便查询，而单独的353不具有该功能，所以另配4台无纸记录仪来完成该功能。尽管APACS353能实现报警功能，但报警仅体现在面板的棒条闪烁、报警LED灯亮，不直观。系统要求具有声光报警，使用一微机闪光报警器来实现。

3．2等压力调节系统及无扰切换 该CO2离心压缩机属工艺流程压缩机，结合制碱工艺的特点，要求压缩机有稳定的出口压力。压力调节可采用进口节流和出口节流，但出口节流经济性很差，由于节流的原因，白白地损失了能量，所以采用进口节流的调节方法。控制原理图如图2所示。 压力变送器变送压缩机的出口压力，当由于管网阻止变化，出口压力偏离给定值时，产生一个偏差信号，经PID控制器调节后，使进口阀门开度变化，对压缩机进行进口节流调节，使出口压力达到要求的给定值，这时，偏差信号消失，压缩机在新的工况点稳定运行。图3是等压力调节系统的组态控制图。

图3中省略了输入/输出功能块、报警功能块。SETPT为给定值块，PID为PID控制块，A/M为手动/自动块，并且块中一些不必要的输入输出没有标出。 这里介绍MACS353是怎样实现无扰切换的。 ①当处于手动状态时，A/M功能块的输出[NA]为TRUE，而该输出连到SETPT功能块的[TC]输入，故SETPT块的输出[01]，即回路的给定值等于过程值，即SETPT块的输入[TV]。在这种情况下，过程值=给定值，系统无偏差。当切换到自动状态时，阀门不会跳变。故，从手动到自动无扰： ②当处于自动状态时，回路的给定值可由353的面板进行调节，绝大多数情况下不等于过程值。此时进行PID算法调节，使过程值向给定值靠拢。当切换到手动状态时，A/M块的输出[AS]=FAISE，而该输出连到PID功能块的输入[A]，即PID块处于手动状态，此时PID算法被旁路，PID块的输出[01]=其输入[F]，而[F]被连到A/M块的输出[01]，即正好为此时的阀门值，阀门不会跳变。故，从自动到手动元扰。 3．3防瑞振调节系统 根据压缩机的防喘振条件，压缩机的防喘振控制，原理图如图4所示。 孔板前后压差Δp、进口压力p1、出口压力p2通过各自的变送器检测出，p1乘以系数b后与p2一起送入加减器，得出P2±bpl之值，该值与ΔP经过除法运算，结果送到防喘振调节器中和给定信号α值进行比较，当大于α值时则系统正常，当小于或等于α值时，防喘振调节器工作，打开旁路调节阀，使一部分气体旁路到压缩机的人口，增大压缩机的流量，达到防喘振的目的。其中全部运算和调节功能均在AFACS353中实现。在AFACS353中，有一类ON/OFF控制功能块，能对过程值和给定值进行比较以执行调节功能，正好作为防喘振调节器。

3．4安全保护系统 压缩机除了防喘振之外，还有其它的安全要求。轴承工作温度不能过高，若轴承温度过高，由于润滑油的油性和粘性降低，易于引起局部油膜的破坏，润滑失效，轴承的承载能力降低，甚至使润滑油碳化而发生烧瓦。为了保证系统正常地工作，必须有足够的润滑油强制循环润滑，这就要求润滑系统的最低供油压力不得低于某一值。 在控制系统中，排气温度、推力盘温度和主轴承温度均可对压缩机的工作温度进行反应口所以，在APACS353中，组态了排气温度调节回路，以使压缩机的工作温度不致过高。另外，还组态了紧急停车联锁回路，联锁原理图如图5所示。 图5中，压缩机排气温度信号来自APACS353内部，其余4个信号均来自无纸记录仪。在APACS353中，用4个离散量输入功能块DIN来接收无纸记录仪来的开关量信号，并且353内有直接继电器输出，可用来控制压缩机停车用的接触器。

3．5PID参数的自整定 在控制回路的PID控制功能块中，若内部参数AUTOTUNE设为YES，就可通过面板的TUNE按键来启动PID参数自整定过程。在自整定过程中，当过程值的变化超过控制块的内部参数%HYS时，阀门变化%STEP，通过阀门的这种调节，了解过程的动态变化，从而控制过程值逐步趋向给定值。然后，控制器运用获得的知识得出PID参数的设置。 实际上，阀门的变化值也在动态调整。在自整定的第1~1.5个循环周期中，变化值为%STEP，控制器从而得出一大概的P值。在剩下的过程中，控制器动态调整阀门的变化，以保证变化前后的过程值差在参数%DEV的限制内。整定结束后，P，I，D参数传人控制器，控制器恢复正常的PID状态。