黃麗梅，李鳴，張宇

（南昌大學 環(huán)境與化學工程學院，江西 南昌 330031）

1 引言

SIMATIC S7－400FH是一種安全及容錯型自動化控制系統(tǒng)，它是基于冗余容錯的S7－400H技術的安全型PLC，適用于安全等級要求較高的工廠。S7－400FH的控制過程不會對人或設備的安全造成威脅，當控制系統(tǒng)中出現(xiàn)事故時，S7－400FH將立即進入安全狀態(tài)或安全模式。而鼓風機是硫磺回收裝置（SRU）［1］的主要設備，其作用是向酸性氣CLAUS燃燒爐與尾氣焚燒爐輸送空氣，以滿足硫磺回收中各反應的需求。倘若鼓風機在工作過程中發(fā)生喘振，這時風機連同它的外圍管道一起做周期性的大幅度的振動，會造成設備的損害，并造成嚴重的經濟損失。本文將S7－400FH控制系統(tǒng)應用到鼓風機的防喘振控制系統(tǒng)中，以確保鼓風機安全、穩(wěn)定地運行。

2 工藝流程簡介

硫磺回收裝置常采用兩級轉化CLAUS工藝和尾氣處理SCOT工藝來回收煉油廠廢氣中的硫，防止對水和大氣的污染。其中，鼓風機的主要工作是：自裝置外來的酸性氣進行分液后，酸性氣與鼓風機（K－201）送來的空氣混合后在主燃燒爐（F－2501）中進行反應，此時，應嚴格控制鼓風機的配風量，保證燃燒產物中H2S和SO2為2∶1的摩爾比例，以達到CLASU催化反應中最大的硫平衡轉化率，提高CLAUS部分的硫磺回收率。而從吸收塔出來的尾氣（含有H2S），進入焚燒爐燃燒器（F－202），通過鼓風機（K－202／S）供給焚燒過程中所需的空氣，使得尾氣中殘留的H2S及其它硫化物幾乎完全轉化為SO2，再進行循環(huán)回收［2］?？梢?，在硫磺回收裝置中，鼓風機安全、穩(wěn)定地運行是相當重要的。

3 喘振產生的原因

鼓風機在工作過程中，當入口氣體流量小于最小流量限時，風機將從工作區(qū)進入喘振區(qū)，這時風機連同它的外圍管道一起做周期性的大幅度的振動，工程上稱為喘振［3］。喘振是由鼓風機的固有特性曲線呈駝峰型而引起的（見圖1）。

圖1 鼓風機的特性曲線Fig.1 The characteristic curves of blower

圖1中，橫坐標Q為風機流量，縱坐標P為風機出口壓力，n為風機轉速。

由圖1可以看出：不同轉速下的鼓風機特性曲線都有一極值點T，而流量和壓力在極值點兩邊是呈相反的關系。例如，鼓風機轉速為n2時的特性曲線，將流量當作一個衡量動能的能量，而將壓力當作一個表征勢能的能量。從能量守恒的角度觀察，系統(tǒng)的勢能和動能在相互轉化的過程中，能量的總和保持不變。對于極值點右邊的運行點A來說，當受外來干擾發(fā)生偏移時，隨著流量減少，壓力就增加；或者流量增加，壓力就下降，相當于動能和勢能在相互轉化過程中，能量守恒，由此可見，點A是一個穩(wěn)定的運行點。相反，對于極值點左邊的運行點B來說，同樣受外來干擾發(fā)生偏移時，隨著流量減少，壓力也減少；或者流量增加，壓力也增加，也就是動能和勢能在相互轉化過程中，能量不守恒，由此可見，點B是不穩(wěn)定的運行點［4］。

鼓風機在不同轉速時，都有著不同的駝峰型特性曲線，所以這些特性曲線將存在上面提到的極值點，如果將每條曲線上極值點連接起來，便形成了喘振線。且由上面分析可知，在喘振線下方的運行點均為穩(wěn)定點，稱為穩(wěn)定區(qū)；而喘振線上方的運行點為不穩(wěn)定點，稱為喘振區(qū)。

4 防喘振控制的整體設計

4.1 防喘振控制系統(tǒng)的硬件配置

安全及容錯型自動化控制系統(tǒng)（S7－400FH）由2個冗余配置子系統(tǒng)構成，這2個子系統(tǒng)通過光纜進行同步連接，同時還建立了1個基于“主動冗余”以雙通道（1oo2）結構運行的故障冗余自動化系統(tǒng)。所謂主動冗余，就是系統(tǒng)中所有的冗余資源在執(zhí)行控制任務的同時，仍然處于運行狀態(tài)。即S7－400FH系統(tǒng)中的用戶程序，是被各自放在2個CPU中并被2個CPU同步執(zhí)行［5］。

表1是鼓風機防喘振控制系統(tǒng)的硬件配置，其控制器采用2套CPU 417－4H，以達到冗余配置的要求，在通信方面，控制單元與遠程I／O單元之間的通信由冗余PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線完成。并且，采用 ET－200M 分布式I／O 作為PROFIBUS－DP上從站和S7－400FH系統(tǒng)相連。系統(tǒng)的I／O單元由2套輸入／輸出模塊組成，且這些模塊以冗余對的形式出現(xiàn)，組態(tài)成冗余I／O，以減少因CPU故障或I／O模塊故障而造成的損失，提高系統(tǒng)的可靠性。

表1 防喘振控制系統(tǒng)的硬件配置Tab.1 The hardware configuration of anti－surge control system

4.2 防喘振控制的原理

喘振現(xiàn)象威脅著鼓風機安全、穩(wěn)定運行，因此若想要防止喘振的產生，保證運行點一直工作在喘振線下方的穩(wěn)定區(qū)域，進行鼓風機的防喘振控制是非常重要的。通過控制防喘振閥的開度來改變實際進入鼓風機的流量，是進行防喘振控制器設計的主要依據。其中，防喘振控制器將防喘振設定的曲線（本文設計為4點3段的折線）作為其設定值，通過檢測鼓風機的入口流量Q和出口壓力P，以及結合鼓風機當前的工況來控制防喘振閥。一旦風機現(xiàn)行的工作點過防喘振控制線進入喘振區(qū)發(fā)生喘振，防喘振閥迅速打開，及時消喘；喘振消失后，防喘振閥會慢慢關閉（即所謂的“快開、慢關”）［6］。防喘振控制的原理圖如圖2所示。

圖2 防喘振控制原理圖Fig.2 Schematic of anti－surge control

喘振作為鼓風機的固有特性，同時也受其進氣條件的影響（例如：進氣溫度、進氣壓力等）。其中，溫度降低，喘振線上移；溫度升高，喘振線下移。進氣壓力升高，喘振線上移；進氣壓力降低，喘振線下移。因此，為了使得防喘振的控制能適應各種氣候條件，應采用溫度、壓力補償?shù)乃惴ā?/p>

根據以上控制目標及控制要求，防喘振控制器的主要功能為：

1）實現(xiàn)流量信號的溫壓補償功能；

2）當鼓風機工作點達到報警線時，能實現(xiàn)喘振報警；

3）當鼓風機工作點靠近防喘振線時，防喘振放空閥打開放風，消除喘振；

4）當鼓風機工作點進入放風線時，防喘振放空閥全開，緊急放風；

5）實現(xiàn)防喘振放空閥的快開、慢關功能；

6）PID參數(shù)的自整定功能。

5 防喘振控制策略的實現(xiàn)

5.1 防喘振控制線的設計

圖1中，放空線（即喘振裕度）是由實測喘振線下移3%得到的，當運行點位于放空線下方時，防喘振閥關閉；若運行點位于放空線上方，為防止喘振發(fā)生，防喘振閥全開。鼓風機的防喘振控制線是由喘振線下移8%得到的，當鼓風機的運行點越過防喘振控制線進入喘振區(qū)域時，控制器將發(fā)出喘振危險信號，防喘振控制系統(tǒng)將自動調節(jié)防喘振閥放風，使得出口壓力下降，流量上升，防止喘振發(fā)生。在喘振線的下方10%設置一報警線，當鼓風機的實際運行點接近報警線時，控制器發(fā)出接近喘振報警信號，提醒操作人員注意。根據廠商提供的鼓風特性曲線，即可確定放空線、防喘振控制線和報警線等數(shù)據。這些數(shù)據由鼓風機出口壓力和鼓風機入口流量構成，根據該風機喘振曲線比較平滑接近直線的特性，使它們以折線形式存儲，采用這樣方案，不僅計算簡單，而且也能夠充分利用鼓風機的有效運行區(qū)域。

5.2 溫壓補償?shù)脑O計

一般情況下，溫壓補償可以用下式［7］來實現(xiàn)：

式中：Qo為補償后流量值，m3／min；Qi為測量流量實際值，m3／min；Pi為測量壓力，kPa；P0為參比壓力，kPa；Ti為測量溫度，℃；T0為參比溫度，℃。

5.3 快開、慢關的設計

當喘振發(fā)生時，防喘振閥應迅速開啟，然而隨著防喘振閥的開啟，運行點將回到防喘振線的下方，此時防喘振閥在關閉過程中又應放慢，即要求在打開、關閉防喘振閥的過程中，所用的速度是不一樣的。由于防喘振控制器“快開慢關”的要求，若采用傳統(tǒng)不改變比例項或積分項參數(shù)的PID算法，則防喘振閥開和關的速度應該是相同的。因此，為了讓防喘振閥“快開慢關”的要求得以實現(xiàn)，可改變PID參數(shù)中的比例項或積分項。而在本文的防喘振閥“快開慢關”控制中，主要是通過比例增益P的折線運算來實現(xiàn)，即通過偏差e的限定范圍，改變增益P的值。

5.4 防喘振控制的實現(xiàn)

鼓風機防喘振的軟件實現(xiàn)采用模塊化程序的設計方法，分別由模擬量的輸入、輸出處理模塊、防喘振控制線函數(shù)發(fā)生器、比較器模塊、PID調節(jié)控制等部分組成（見圖3）。其中，將測量到的入口流量Q在進行溫壓補償運算后，所得的流量值經過折線運算后得到的出口壓力作為PID控制的設定值SP，并以此來控制測量值出口壓力PV。防喘振控制的偏差e＝SP－PV即為出口壓力的控制偏差。當風機正常工作時，則它的運行點應該在圖1中防喘振線的下方，此時偏差e＞0；若運行點在防喘振線上方，此時偏差e≤0，則控制防喘振閥的開度［8］。

圖3中，P1，P2，P3分別為風機出口壓力P經過放空線、防喘振線、報警線函數(shù)發(fā)生器運算后的壓力。在PLC的各種編程語言中，連續(xù)功能圖（continuous function chart，CFC）［9］不 僅 具 有PLC典型的元素（例如：輸入／輸出、定時器、計數(shù)器和符號表等），而且具有圖形化編程語言的特性，非常適合處理過程控制和系統(tǒng)工程的任務。而結構化控制語言（SCL）的特性與計算機高級編程語言非常相似，是一種基于PASCAL的高級編程語言，其具有循環(huán)、數(shù)組、選擇、分支和高級函數(shù)等特性，因此適合處理復雜數(shù)學函數(shù)、復雜運算功能、數(shù)據管理和過程優(yōu)化等任務［10］。

圖3 防喘振控制流程圖Fig.3 Flow chart of anti－surge control

基于上述CFC和SCL編程語言的優(yōu)點，鼓風機防喘振的邏輯組態(tài)則采用CFC＋SCL編程形式，即在SIEMENS STEP 7中使用結構化控制語言（SCL）設置函數(shù)發(fā)生器功能塊，使它們以折線函數(shù)表的形式儲存，然后，在CFC編輯器中，使用這些已經制作好的具有特定的功能塊進行工作，將這些功能塊放置到CFC圖中，并將相應的參數(shù)互連。其中，溫壓補償功能塊FB5的程序如下：

6 結論

針對硫磺回收裝置中的鼓風機設計了一套防喘振控制系統(tǒng)，且將先進的S7－400FH應用到硫磺回收裝置上，具有良好的可靠性和安全性，可以避免鼓風機在運行過程中發(fā)生喘振。該防喘振控制系統(tǒng)不僅能夠很好地檢測喘振的發(fā)生，適時報警，引起工作人員的注意，而且能夠及時的消除喘振，確保鼓風機安全、穩(wěn)定地運行。

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