李永剛

（上海梅山工業(yè)民用工程設計研究院有限公司，江蘇南京 210039）

1 簡要工藝流程

1.1 主要工藝設備

現(xiàn)煤氣加壓車間有貫通的加壓機廠房一座，廠房內(nèi)由東到西依次布置有AII1200型離心式混合煤氣加壓機3臺，D700-12-2型混合煤氣加壓機3臺，及L48x66WD-1型羅茨焦爐煤氣加壓機2臺。

2臺羅茨焦爐煤氣加壓機一用一備，出口壓力為0.06 MPa，最大送氣能力為4500 m3/h，擔負著部分生活用城市煤氣、鋼廠RH爐等火炬點火用氣的供氣任務。

隨著梅鋼的改造及擴建，現(xiàn)有2臺羅茨焦爐煤氣加壓機已不能滿足最終規(guī)模的需求，需進行改造，拆除1臺L48x66WD-1型羅茨煤氣加壓機和1臺D700-12-2型離心混合煤氣加壓機，新增2臺HL83WD型羅茨煤氣加壓機。

對于焦爐煤氣加壓機組，改造后共有3臺加壓機，分別為2臺新加壓機及1臺舊加壓機，正常工作時為2臺新加壓機一用一備的工作形式，1臺舊加壓機作為極端情況下的備用。

1.2 工藝流程

改造后的3臺加壓機并聯(lián)布置，其入口及出口均設電動閥門，入口出口間設旁通回流閥門，用于加壓機輕載啟動，保護加壓機，另在入口總管和出口總管間也設有總回流調(diào)節(jié)閥門，調(diào)節(jié)總出口壓力。焦爐煤氣經(jīng)入口總管進入加壓機組，經(jīng)過3臺加壓機后煤氣管道壓力由15～17.5 kPa升至60～80 kPa，通過調(diào)節(jié)加壓機轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)總回流閥開度等手段保持穩(wěn)定的出口壓力，滿足用戶的需求。

新增2臺加壓機電機均采用變頻調(diào)速控制，正常工作時采用變頻調(diào)速維持壓力穩(wěn)定。

2 三電控制系統(tǒng)工程設計

2.1 供配電及傳動控制系統(tǒng)

本工程用電設備為2臺煤氣加壓機電機設備，電機功率為400 kW，常規(guī)情況下應采用6 kV或10 kV等級的電機，同時配備相關的高壓配電柜、高壓變頻裝置。經(jīng)過經(jīng)濟性及維護便利性比較，本工程采用另外一種方案，即采用AC690 V電壓等級的電機，配置650 kVA，6 kV/0.69 kV整流變壓器，及AC690 V電壓等級的變頻裝置，配套Profibus-DP通訊接口。同時設置旁路主回路，即采用常規(guī)MCC控制，在變頻器故障時可直接啟動、運行加壓機，此時不具備加壓機調(diào)速功能。

不要求調(diào)速的設備電機采用MCC控制，如加壓機電機的冷卻風機、相關電動閥門等，每臺電機設一個控制回路，采用傳統(tǒng)的硬接線方式將相關信號送至PLC系統(tǒng)。

2.2 儀表檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)設總管出口流量、壓力檢測，加壓機本體進出口溫度、壓力檢測及軸振動、軸溫檢測，冷卻水管進出口溫度檢測等。由于現(xiàn)場為氣體防爆區(qū)域，PLC柜內(nèi)設隔離安全柵，現(xiàn)場信號經(jīng)隔離后進入PLC系統(tǒng)。

2.3 基礎自動化控制系統(tǒng)

本工程基礎自動化控制系統(tǒng)采用SIEMENS S7-300系列PLC，包括控制器、通訊模塊、I/O模塊、現(xiàn)場總線等。設置1臺工業(yè)PC機作為HMI操作員站，用于生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)所有設備的監(jiān)控及操作，同時作為工程師站，用于PLC和HMI軟件的開發(fā)和維護。

系統(tǒng)采用兩級控制網(wǎng)絡，一級采用現(xiàn)場工業(yè)總線Profibus-DP，主要用于控制主機和遠程I/O、傳動設備的連接和通訊；另一級采用工業(yè)以太網(wǎng)Industrial-EtherNet，主要用于操作員站/工程師站與PLC間的通訊，以及與能源管理系統(tǒng)（EMS）網(wǎng)絡間連接。

信號輸入輸出系統(tǒng)采用西門子ET200M遠程I/O結(jié)構(gòu)，開關量輸入信號電源由PLC系統(tǒng)提供，外部均為無源接點，開關量輸出信號均為繼電器無源接點輸出，開關量I/O模塊均采用DC24V信號電源。

2.4 操作方式

根據(jù)工藝生產(chǎn)及安全要求，設自動、手動兩種操作方式，其中手動方式設現(xiàn)場手動和集中手動兩種模式：

自動操作：根據(jù)工藝生產(chǎn)情況，在滿足聯(lián)鎖條件下，加壓機人工畫面（HMI）啟停，設定好出口壓力后，加壓機電機運行速度調(diào)節(jié)自動完成，保持出口壓力的穩(wěn)定。

手動操作：操作人員通過畫面（HMI）或在設備現(xiàn)場機旁操作箱上完成設備的起、停操作，僅設必要的安全聯(lián)鎖。

自動用于正常生產(chǎn)，機旁手動僅用于檢修、單機調(diào)試。

3 應用軟件組態(tài)及編制

PLC系統(tǒng)軟件采用STEP7，上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用WINCC，在此基礎上開發(fā)出PLC應用軟件和監(jiān)控畫面，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的控制。

應用軟件能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場各設備的工作狀態(tài)，顯示生產(chǎn)過程中的工作曲線，當參數(shù)超過設定范圍或設備發(fā)生故障時，可根據(jù)組態(tài)發(fā)出不同等級的聲光報警，可根據(jù)報警信息切換到相應的監(jiān)控畫面，所有的報警信息均被記錄在報警數(shù)據(jù)庫中，便于以后的事故分析使用，可以實現(xiàn)報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。

4 羅茨加壓機的控制說明

從工藝角度來說，加壓機的最終目標是保持系統(tǒng)管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，在受到外界工況變化產(chǎn)生壓力波動時，可通過兩種方式進行壓力調(diào)節(jié)，一個是加壓機的轉(zhuǎn)速變頻調(diào)節(jié)，另一個是總回流閥的開度調(diào)節(jié)，其中：加壓機轉(zhuǎn)速增大，管網(wǎng)壓力也增大（在總回流閥開度一定的情況下）；總回流閥的開度增大，管網(wǎng)壓力則減?。ㄔ诩訅簷C轉(zhuǎn)速一定的情況下）。

4.1 常規(guī)控制方式

根據(jù)本工程的情況，壓力控制一般可采用兩種常規(guī)控制方式，即：

方式1：單一PID控制，設定值:目標壓力，過程值：實時壓力，PID運算后的輸出給執(zhí)行元件，即變頻器或總回流閥，從節(jié)能角度考慮，應首選變頻器調(diào)節(jié)方式。

方式2：分段PID控制，與方式1區(qū)別在于當壓力在不同的范圍內(nèi)變化時控制不同的執(zhí)行元件。

兩種常規(guī)控制方式均有一定的缺點：

方式1：因為本工程的執(zhí)行元件有兩個，而單一的調(diào)節(jié)回路只能控制一個執(zhí)行元件。如果我們只做一個回路來控制壓力，雖然也有可能實現(xiàn)壓力的穩(wěn)定，但是調(diào)節(jié)設備的利用率不高，調(diào)節(jié)范圍有限，同時節(jié)能效果差。

方式2：確定好壓力的分段點后，在某一壓力區(qū)間采用變頻器作PID調(diào)節(jié)，在另一區(qū)間采用總回流閥作PID調(diào)節(jié)。但由于管網(wǎng)工況是時刻變化的，壓力分段人為固定后，不會隨工況變化，雖然調(diào)節(jié)效果比方式1要好，但是它不能將節(jié)能效果作到完美。

4.2 最佳控制方式

為實現(xiàn)調(diào)節(jié)范圍最大化，并且節(jié)能效果最佳，在本工程中采用了兩個PID調(diào)節(jié)回路，即：變頻器的PID調(diào)節(jié)回路和總回流閥的調(diào)節(jié)回路，相互間根據(jù)自己的調(diào)節(jié)能力相互切換。為了后續(xù)闡述方便，下文稱變頻器的PID調(diào)節(jié)回路為變頻回路，稱總回流閥的調(diào)節(jié)回路為回流回路。其控制框圖如圖1、2，其中框內(nèi)部分在PLC內(nèi)。

兩個回路的唯一區(qū)別在于執(zhí)行元件不同，其他結(jié)構(gòu)相同，這就存在一個問題，即兩個回路不能同時參與調(diào)節(jié)，因此一定要找到彼此間的關系，要實現(xiàn)在同一時刻，一個調(diào)節(jié)回路起作用，一個不起作用，這樣達到控制目的。為了使兩個回路配合密切，控制采用如下方式：

圖1 變頻器閉環(huán)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)框圖

圖2 總回流閥閉環(huán)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)框圖

當升壓時，先調(diào)節(jié)回流閥，回流閥調(diào)到下限壓力還不能滿足要求，則再調(diào)節(jié)變頻器回路使壓力達到設定值；當降壓時，先調(diào)節(jié)變頻器，變頻器調(diào)到下限壓力還不能滿足要求，再調(diào)節(jié)大回流閥回路使壓力達到設定值。

為了實現(xiàn)上述功能，其實只需將兩個回路作好互鎖即可實現(xiàn)上述功能。用回流回路的輸出下限來置位變頻回路的自動，用變頻回路本身的輸出下限來復位自己的自動，使其以當前值輸出。同理，用變頻回路的輸出下限來置位回流回路的自動，用回流回路本身的輸出下限來復位自己的自動，使其以當前值輸出。

PID控制塊本身都是做到了自動跟隨手動，但大多數(shù)PID功能塊都沒有做到手動值跟隨自動值，為此在軟件上，要自己做一個手動值跟隨自動值的功能。變頻回路和回流回路兩個之間的相互關系如圖3所示。

5 結(jié)束語

本工程于2011年底開始施工，并于2012年2月調(diào)試并熱負荷試車成功，三電控制系統(tǒng)功能完全滿足工藝要求，至今已順利生產(chǎn)運行數(shù)月，對于梅鋼煤氣管網(wǎng)送氣質(zhì)量的提高起到重要作用。

圖3 變頻回路與回流回路相互關系框圖

說明：（1）PID調(diào)節(jié)器當Man_on為1時PID手動輸出，為0時，PID自動調(diào)節(jié)。

（2）RS觸發(fā)器為復位優(yōu)先。

（3）“○”為連接符。