近十几年来DCS以其强大的控制功能集中的操作显示.docx
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近十几年来DCS以其强大的控制功能集中的操作显示
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MooreProducts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LonWorks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。
LonWorks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。
4、系统扩展
该系统经安装、调试,已全部正常工作。
相比以前的手工操作或多个单回路调节器来说,目前的系统具有操作方便、显示直观、价格低廉等优点。
但一个系统的成功设计不仅保证系统全部功能的可靠实现,而且为以后系统的扩展做好坚实的基础。
下面介绍LonWorks现场总线在系统扩展中的应用。
在AFACS353控制器内,安装LonWorks现场总线板,该板使用自由拓扑结构的收发器,传输速率为78.1Kbps。
此时,353背面的25,26号接线端子(IOA、IOB)可用,利用一对双绞线与现场的智能变送器传送信号,构成高速数字现场总线。
网络拓扑结构可为星型、总线型、环型以及混合型。
图6表示了总线型网络的拓扑结构。
该现场总线网最多只能接64台设备。
安装完成后,还需要对LonWorks网络进行组态,即对网络上的每一台设备的有关参数进行设置,这可用一台使用串行LinkTalk适配器SLTA连到网络上的网络管理器来在线完成,完成后的组态驻留在各自的设备中。
到目前为止,全部完成了LonWorks网络的安装和设置,剩下的工作就是在353中使用相应的设置变量。
这比较简单,只需在353的回路组态中使用LonWorks输入/输出块,并设置好相应的参数即可。
在353中,有四类功能块:
AIP为模拟量输入块、AOP为模拟量输
出块、DID为离散量输入块、DOD为离散量输出块,模拟量块最多可用25个,离散量块最多可用6个。
其中参数NVMUM即为网络变量号,设置好相应的值后就可以正常运行。
5、结束语
由此可见,APACS353智能控制器使用灵活方便,易于满足各种控制要求,也便于系统扩展。
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