PLC在氧氣壓縮機控制系統中的應用

介紹了采用三菱PLC和CC-LINK現場總線實現的氧氣壓縮機自動控制系統的系統配置和主要控制功能。該系統對過程量的實時控制和開關量的聯鎖控制都有較為理想的實現。

1 引言

萊鋼8#氧氣壓縮機是12000m3/h空分裝置的關鍵設備，其作用是將氣態氧產品壓縮成中壓氧，通過管道輸送到用戶。8#氧氣壓縮機工作正常與否，對萊鋼的生產大局和經濟效益影響很大。它主要采用三菱MELSEC A1S PLC實現自動控制，控制效果良好，運行穩定可靠。

2 工藝簡介

萊鋼8#氧壓機的工藝流程，純度達到99.6%以上的氧氣，經調節閥PCV 3922和入口截止閥PV 1501進入壓縮機，進行第一級、第二級、第三級壓縮，每級壓縮后經過一次冷卻；一級壓縮后氣體經調節閥PCV1 1510形成一級回流，三級壓縮后氣體經調節閥PCV3 1510形成三級回流；氣體回流引起入口壓力PI 3922升高、流量FI 3920降低，由調節閥FCV1 3920和FCV2 3920進行機前放空，使壓力PI 3922和流量FI 3920保持在設定點附近；從氧壓機出來的氧氣經截止閥PV 1537通過管道輸送到用戶，或根據實際生產需要通過截止閥PV 1536放空。為確保安全，每一級壓縮排氣側分別裝有安全閥，超壓時緊急排放部分氣體，以降低壓縮氣體壓力。

3 系統配置

萊鋼8#氧壓機自動控制系統主要采用三菱MELSEC A1S PLC和CC-LINK現場總線實現。系統配置如圖2所示，配置有1塊CPU主基板(A1S38B)和1塊擴展基板(A1S55B-S1)，共有1塊電源模板(A1S62P)、1塊CPU模板(A1SCPU)、4塊數字輸入模板(A1SX80)、3塊數字輸出模板(A1SY80)、3塊模擬輸入模板(A1S64AD)、1塊模擬輸出模板(A1S62DA)、2塊PT100多路轉換變送器(PT-62)，1個操作員面板通過CC-LINK現場總線與PLC控制器相連。系統共有數字量輸入信號63 點、數字量輸出信號43點、模擬量輸入信號9點、模擬量輸出信號2點、RTD信號18點。

4 主要控制功能

氧壓機控制功能主要包括防喘振控制、壓縮機啟/停聯鎖控制、輔助設備的啟/停聯鎖控制，以及重要工藝參數的實時顯示、報警等。

4.1防喘振控制

壓縮機出口流量與壓力不匹配，即流量低或壓力高時，會造成壓縮機喘振。該氧壓機防喘振控制包括入口壓力調節、入口流量調節、一級回流調節和三級回流調節。

(1) 入口壓力調節
入口壓力采取常規PID調節，調節器為PIC 3922，由入口壓力調節閥PCV 3922完成。
(2) 入口流量調節
入口流量采取分段調節，由機前主放空調節閥FCV1 3920和旁路放空調節閥FCV2 3920完成。
調節參數為氧壓機機前流量，測量值有溫壓補償。當PID調節器FIC 3920的輸出在0-10%之間時，旁路放空調節閥FCV2 3920起作用，對應開度為0-100%，主放空調節閥FCV1 3920處于全關狀態；當調節器輸出在10%-100%之間時，主放空調節閥FCV1 3920開始起作用，對應開度為0-100%，旁路放空調節閥FCV2 3920處于全開狀態。
(3) 回流調節
回流調節采取分段調節，由一級回流調節閥PCV1 1510和三級回流調節閥PCV3 1510完成。

調節參數為氧壓機機前流量和管網壓力，二者分別進行PID運算。當管網壓力正常時，機前流量調節器FIC 3921的輸出作為回路輸出；當管網壓力超過某一值時，管網壓力調節器PIC 1510的輸出作為回路輸出；當氧壓機卸載時，回路輸出選擇一個時變函數，時變函數為50%+(t/240)×50%(其中t為時間變量)，即在240s內，回路輸出由50%逐漸增大到100%。當回路輸出在0-50%之間時，一級回流調節閥PCV1 1510起作用，對應開度為0-100%，三級回流調節閥PCV3 1510處于全關狀態；當回路輸出在50%-100%之間時，三級回流調節閥PCV3 1510開始起作用，對應開度為0-100%，一級回流調節閥PCV1 1510處于全開狀態。

漸變選擇器能根據一定條件選擇不同的輸入，從一種輸入切換到另一種輸入的過程是按指數規律漸變的，需要經過5倍時間常數的時間，時間常數可由編程人員設定。
漸變選擇器1和3的切換條件是管網壓力超過某一設定值；漸變選擇器2的切換條件是氧壓機卸載(通過截止閥PV1536放空)。回路輸出返回到漸變選擇器1的目的是實現無擾動切換。

4.2 壓縮機啟/停聯鎖控制

(1) 壓縮機啟動

壓縮機啟動前，系統應具備以下條件：

① 冷卻水管已打開；
② 壓縮機進氣管和排氣管上的手動閥已打開；
③ 將排放壓力調節器PIC 1510置于自動，設定點2900 kPa；
④ 將入口流量調節器FIC 3920置于自動，FIC 3921置于手動，且0%的輸出信號，打開回流調節閥PCV1 1510和PCV3 1510；
⑤ 將入口壓力調節器PIC 3922置于自動，設定點40 kPa，進氣壓力調節閥PCV 3922 打開。

當上述條件和供電等外圍條件都滿足時，在現場控制盤上按下用“壓縮機啟動”按鈕啟動氧壓機，入口截止閥PV 1501自動打開，在主控室DCS操作畫面上增加調節器FIC 3921的輸出信號，從而使回流閥關閉。

如果外供用戶量小于裝置氧產量，機前放空閥自動保持打開。將調節器FIC 3921置于自動，設定點150-200m3/h，高于調節器FIC 3920的設定點。

(2) 壓縮機停止

正常停止：

在壓縮機正常運行情況下，有就地停止和遠程停止兩種方式。就地停止方式下，按下現場控制盤上的“壓縮機停止”按鈕，壓縮機即停止；遠程停止方式下，在主控室DCS操作畫面上按下“COMPRESSER SHUT DOWN”按鈕，壓縮機即停止；無論采用哪種停止方式，在壓縮機停止的同時，入口閥PV 1501都自動關閉。

故障停止：

當啟動主電機時，如果系統在5/s內收不到“主電機運行反饋”信號，系統會自動停止壓縮機的啟動過程。在壓縮機正常運行期間，發生電機保護開關失靈、嚴重喘振等故障，壓縮機將自動停止運行，并且所有的系統設備將處于停止狀態。

4.3 輔助設備的控制

氧壓機輔助系統主要有冷卻水系統和潤滑油系統。冷卻水系統都是手動操作；潤滑油系統一般總處于自動狀態，當油壓低于一定壓力時，輔油泵自動運行；當油壓高于某一值時，則油泵自動停止。潤滑油還帶有加熱器，當油溫低于某一值時，油加熱器自動投入；當油溫超過某一值時，油加熱器自動斷開。

4.4 操作員面板的功能

操作員面板通過先進的CC-LINK現場總線與控制器相連，實時采集并顯示重要的工藝參數、故障狀態、報警信息，調整重要的PID參數，啟/停主電機及輔助設備等，實現機組的安全可靠最優控制。

5 結束語

由于充分利用了PLC控制系統的優點，該系統對過程量的實時控制和開關量的聯鎖控制都有較為理想的實現。自投運以來，其運行良好，穩定可靠。