莱钢ATLAS HMH8氮气压缩机控制功能的设计与实现

1 引言
莱芜钢铁集团有限公司于2005年8月投产的制氧机是一套22000m3/h内压缩流程制氧机组。采用常温分子筛净化空气，增压透平膨胀机制冷，采用规整填料技术及全精馏制氩的外压缩流程。氮压机采用ATLAS HMH8型设备，由四级蜗壳设备和一台西门子电机组成。氮压机工作过程是在西门子电机的驱动下通过联轴器带动齿轮箱工作，将空分中分离出来的氮气通过四级蜗壳进行四级压缩从而达到2.5MPa的高压无油氮气向外输送。并通过的喘振保护功能实现压缩机本身的轴系统的保护工作。

2 控制要求及主要控制功能
控制程序主要完成氮压机设备的启动—停止联锁控制，润滑油系统的顺序控制，辅助油泵的手/自动启动—停止及温度过热保护功能，系统的温度、压力、阀位联锁等控制，入口导叶和防喘振阀的自动调节功能，压缩机特有的喘振保护功能，保护并保证设备的安全稳定运行。设计中采用现场总线、DCS、PLC等先进技术相结合的控制方法，实现了该机组自动控制、数据通讯及上位机管理。

3 硬件配置及技术设计特点
3.1 控制系统硬件配置
(1) 系统配置
控制系统硬件配置 氮气压缩机采用标准TCP/IP协议以太网实现与主DCS系统的数据通讯。并通过标准TCP/IP协议以太网，实现整个流程中空气压缩、氮气压缩等子系统的自动控制、数据通讯及上位机管理，可完整地监控整个系统的生产情况。硬件配置示意图如图1所示。

图1 硬件配置示意图
系统以Win2000为运行平台，从而确保系统的通用性、开放性和易用性。系统提供了功能块图FBD、梯形图LAD、语句表STL和CFC等图形化组态手段。系统使用同一套组态工具软件STEP7完成过程级控制策略和操作级HMI组态及调试，并使用同一个全局数据库和项目树，使得程序生成灵活简单，清晰明了。
S7-400 PLC是SIEMENS公司推出的目前功能最强大的控制系统，支持多种国际现场总线标准，既可连接常规I/O，又可连接Remote I/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等现场总线设备。
(2) 上位机配置
上位机配置 PLC系统选用的是西门子SIMATIC S7-400可编程控制器，监控软件采用SIMATIC WINCC,并带有1个操作员站OS、1个工程师工作站ES。PLC与上位机之间通过工业以太网通讯，光纤连接。如图2所示:

图2 系统配置结构框图
上位机的监控功能主要包括画面显示、系统的运行操作、报表管理及报警功能。便于故障跟踪和智能分析，为及时发现故障、分析故障、解决故障创造了有利条件。

3.2 控制系统采用的技术
(1) 可变周期任务运行S7-400 PLC控制器高度容错自动化系统控制程序采用“任务运行”方式，每个任务都可设定运行周期和优先级。所以该控制器既可满足复杂调节回路控制要求，又可满足快速电气开关量控制，从而一个控制器可以覆盖工厂所有环节的控制要求且系统编程语言符合IEC61131-3标准。
(2) 开放的TCP/IP协议以太网技术 S7-400 PLC控制系统通信模件为标准TCP/IP协议以太网模件，使系统无须增加设备就可与工厂局域网连接;由于系统支持各种OPC数据交换标准，使系统与各种第三方数据库或软件的数据交换更加容易。
(3) PROFIBUS-DP现场总线技术 PROFIBUS-DP用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
3.3 功能设计特点
氮压机采用远程分布式控制方式，远程站设在压缩机机旁柜，触摸屏操作和监控。本控制系统可实现自动控制，远程手动操作及上位机管理，可完整地监控整个系统的生产情况。
(1) 在手动方式下，可通过计算机键盘和鼠标对所有受控阀门进行控制，微小增/减开度的按钮，可避免操作人员的误操作导致工况的不稳定。
(2) 在自动方式下，主PLC主要实现了下列功能:
●入口导叶和旁通阀之间自动联锁调节控制，即自动加载和自动卸载控制可实现无人操作;
●氮压机排气压力控制旁通阀和入口导叶回路的自动调节;
●氮压机电机限流控制器控制回路的自动调节和自动变负荷;
●氮压机“流量比调节器”防喘振控制和喘振保护功能;
●氮压机报警、开/停车联锁控制、辅油泵启/停联锁控制等。
3.4 系统工作原理
(1) 系统通讯
氮压机PLC控制采用SIEMENS S7-400 PLC，人机界面采用TP270触摸屏。控制器与人机界面之间使用profibus现场总线通讯，即CPU414-2DP模板所带的DP接口通过通讯电缆与人机界面的profibus-DP口相连;控制器通过以太网模块与操作站实现数据通讯。通过编制适当的控制程序，实现了氮压机温度、压力、流量、振动等各种工艺参数的集中监视、记录、归档并报警;压缩机启动和紧急停车等顺序联锁控制以及重要的防喘振控制。
(2) 防喘振
PLC配置的喘振探测部分监视压缩机出口压力的变化从而保护压缩机防止受到冲击压力的影响。压力变化的范围和方向决定了出口压力的斜率。如果该斜率在几秒钟的时间内下降到低于最低设定点(出口压力快速下降)然后又上升超过了最高设定点(出口压力快速上升)，系统则通过冲击报警指出发生了冲击周期。最低和最高斜率设定点和冲击周期时间都可根据具体设备调节。
发生冲击报警时，压缩机进行卸载(BOV完全打开，同时IGV关闭达到其最小位置)。在按压复位按钮确认冲击报警之前不可能使压缩机负载。确认后，压缩机自动负载。如果在2min内探测到6个冲击周期，应急停机就被触发，压缩机由于冲击压力而停机。冲击周期的次数和对冲击周期进行计数的时间期限可根据具体设备调节。
如果该选项获得允许，系统则在下述情况下使冲击报警复位:持续2min没有冲击，并且在前面的一个小时内的冲击不超过3次。这样，系统可忽略对压缩机影响很小的单件的冲击周期并自动负载而不需要操作人员干预。
通过在调试期间用手控方式对压缩机施加冲击压力使其达到限值可生成冲击探测采用的最小和最大设定点。在控制条件下生成的这些限值用于保护压缩机防止受到冲击。
控制系统计算压缩机最后4个出口压力的平均值并使该平均值与设定点对比。IGV和BOV如下响应该压力。
具有“流量比调节器”的防喘振控制。就能量从叶轮赋予流体的方式而论，离心式压缩机它的压缩比与进气侧体积流量的关系是抛物线。在低流量范围内，由于气体的可压缩性会产生不稳定状态，称作喘振。这时压缩机特性曲线呈现负阻特性，从而导致一个不可控的极限环。当流量减小到喘振线以下时，压缩比就要下降，使流量进一步减小，使输出管线中的压缩气体向压缩机倒灌。在几毫秒的时间内，流动方向又会反过来，除非加以校正，否则1s内又会开始另一次循环。根据流量孔板的差压与压缩机压比的关系，我们采用流量比调节器调整进气侧的流量使其保持在防喘振线的上方。如果流量接近防喘振线，就必须立即打开旁通阀。
入口导叶和旁通阀控制。低于设定点的排气压力 旁通阀在低压下关闭。如果旁通阀达到完全关闭的位置而排气压力仍然低于该设定点并且在死区的范围外，入口导叶就开始打开。当排气压力达到死区范围内并且在设定点附近时，入口导叶就停止打开。在旁通阀关闭之前，入口导叶不能移动。
高于设定点的排气压力 旁通阀在高压下打开。当压力达到死区范围内并且在设定点附近时，旁通阀停止打开。
电机电流限流 如果电机电流超过了满负荷电流，电机电流限流功能则工作。按照排气压力打开入口导叶的所有命令都被禁止。但入口导叶仍然响应排气压力的控制而关闭。
3.5 自动变负荷功能设计
根据热线生产的需要，操作人员按照调度人员下达的管网压力要求，只需从操作界面上输入压力设定值，氮压机的旁通阀和入口导叶便会从当前开度慢慢调整到压力设定点附近需要的开度，无须操作人员进行长时间的手动操作。这一人性化设计给操作人员带来很大方便，减轻了工人劳动强度和避免了误操作。

3.6 润滑油系统控制
润滑油系统向齿轮箱和电动机轴承提供清洁的、温度得到控制的油。内部加热器保证了油箱温度保持在高于最低温度1000F。系统自动将齿轮箱油温控制在900F，即启动需要的温度以上。油箱配备了低油位报警和停机功能。
该系统配备2只润滑油泵:主油泵(用齿轮箱机械驱动)和辅助油泵(电气驱动)。只要压缩机在运行，主油泵就提供润滑油。如果需要，当压缩机不运行或者虽然压缩机在运行但油压下降到低于报警设定点时，辅助油泵则运行。油箱温度必须至少达到600F才能使辅助油泵运行。该系统有泄压阀保护防止过压。
(1) 辅油泵运行方式。
●手控
只要油箱温度保持在600F以上，辅助油泵就持续运行。
●自动
压缩机不运行时，泵自动循环使齿轮箱的油温保持在压缩机启动需要最低温度以上。当油温下降达到低于920F时，泵便启动，当油温上升到超过960F时泵便停机。如果油箱温度下降到低于600F，泵就不能运行。(油箱加热器应该自动将油箱温度保持在高于1000F。)如果压缩机运行时油压下降到低于23psi表压，泵便启动。当油压上升到高于34psi表压时，按压复位按钮使泵停机。由于该方式将油温保持在高于启动需要的最低温度，所以建议采用该方式。
●备用
如果压缩机运行时油压下降到低于23psi表压，泵便启动。当油压上升到高于34psi表压时，按压复位按钮使泵停机。但当压缩机不运行时，该泵就不运行维持油温。
(2) 自动方式或备用方式辅助油泵运行条件。
●如果压缩机开始启动时泵不在运行，泵便启动。如果主驱动器达到全速时油压超过了34psi表压，泵就停机。如果油压保持低于34psi表压，泵就继续运行。当油压达到34psi表压时，按压复位按钮使泵停机。
●如果压缩机在运行、油压下降到低于23psi表压并且触发了报警，泵就启动。当油压上升到超过了34psi表压，按压复位按钮使泵停机。
●压缩机停机时，泵便启动并运行一个小时润滑和冷却轴承。
●如果压缩机至少停止运行了30s并且压缩机出口压力超过了2psi表压，泵就启动。如果压力下降到低于2psi表压，按压复位按钮使泵停机。该压力设定点初始设置在2psi表压，但在调试时可进行调节。
通过引导一部分油流过冷却器可使齿轮箱油温保持在低于最低值。恒温阀自动调节通过冷却器的油流量从而将温度保持在1100F。经过冷却器后，油通过滤油器，然后进入齿轮箱。
4 结束语
该系统ProfiBus现场总线、S7-400 PLC等先进控制技术的综合采用，以及“自动变任务运行周期”、“自动变负荷”、“排气压力斜度控制”的喘振保护、“流量比调节器”防喘振控制等先进控制功能的实现，使得该机组自建成投产以来，工作稳定，安全性和可靠性高,故障停机率低,机组产品质量和产量稳定，为莱钢大H型钢生产线提供了连续、优质的氮气气源，保证了热线生产的顺利进行，创造了可观的经济效益。