PLC在4M50（104）焦炉气压缩机组联锁保护系统中的应用.pdf

2 0 1 1 年第 4期 总 2 2 8期 文章编 号 1 0 0 6 - 2 9 7 1 I 2 0 1 1 0 4 4 0 3 2 43 P L C在 4 M 5 0 1 0 4 焦炉气压缩机组联锁 保护系统中的应用 郭 淑 英， 李 似 艳， 刘 惠 敏， 于 桂 芬， 丛 桂 珍 沈阳鼓风机集团股份有限公 司， 辽宁 沈 阳 1 1 0 8 6 9 摘要 介绍 了压缩机 组连锁保护 的重要性 ， 联锁保护 系统的硬件配置及软件设计。 关键词 联锁保护 ； 配置 ； 压缩机 中图分类号 T H 4 5 ； T P 2 7 2 文献标志码 B T h e A p p l i c a t i o n o f P L C i n I n t e r l o c k P r o t e c t i o n S y s t e m o f 4 M5 0 1 0 4 Co k e Ov e n Ga s Co mpr e s s o r Un i t s GUO S h u y i n g， L I S i y a n， L I U Hu i mi n， YU Gui f e n， CONG Gu i z h e n S h e n y a n g B l o w e r ％ G r o u p C o ． ， L t d ． S h e n y a n g 1 1 0 8 6 9 ， C h i n a Abs t r ac t Th i s p a pe r h a s i n t r o d uc e d t h e i mp o a nc e o f t he i nt e r l o c k p r o t e c t i o n s y s t e m o f c o mp r e s s o r un i t s a nd t he h a r d wa r e c o n f i g u r a t i o n a n d s o f t wa r e d e s i g n o f t he i n t e r l o c k p r o t e c t i o n s y s t e m o f u ni t s ． Ke y wo r d s i n t e r l o c k p r o t e c t i o n； c o n fig u r a t i o n； c o mp r e s s o r 1 前言 2 压缩机组联锁保护的重要性及控制要求 刖吕 2 压缩机绡联锁保护的重粤忤及控制薯求 P L C即可编程序控制器是综合 了计算机技术 、 自动控制技术和通信技术的新型 的、 通用的 自动控 制装置。它具有功能强 、 可靠性高 、 使用灵活方便 、 易于编程及适应性强等一系列优点 。近年来 ， 它在 工业 自动化 、 机电一体化 、 传统产业技术等方面的应 用越来越广 ， 成为现代石油化工、 化肥 、 矿 山、 潜水 、 电力等工业控制的三大支柱之一。其 紧凑 的设计 、 良好的扩展性 、 低廉的价格、 强大的指令以及较高的 可靠性和简便的维护 ， 近乎完美 的满足了小规模的 控制要求 。压缩机组是动力 的核心 ， 从 避免事故和 对机组保护的角度考虑 ， 对机组 的各监测参数都设 计了严密的联锁程序 ， 在机组正常运转过程 中， 一旦 有控制参数超标或有危害机组安全 的因素 ， 控制系 统都 要按 照联锁 保护 程序做 出相 应 的处 理 。P L C处 理功 能强 大 、 扫 描 速度 快 ， 抗 干 扰 能力 强 ， 在 机 组 的 联锁保护系统中得到了广泛的应用。现 以四川达兴 焦化发展有 限公 司达州公 司二 甲醚项 目 1 0万 t ／ a 甲醇装置配套 的 4 M5 0 1 0 4 焦炉气 压缩机 为例介 绍 P L C在压缩机组联锁保护系统中的应用。 收稿 日期 2 0 1 1 0 52 0 2 ． 1 4 M5 0 1 0 4 焦炉气压缩机组简介 4 M5 0 1 0 4 焦炉气压缩机组是沈阳鼓风机集团 有限公司为四川达兴焦化发展有限公司达州公司二 甲醚项 目 1 0 t ／ a甲醇装置配套的重要设备。 该压缩机采用对称平衡型往复式 ， 4列 M型、 三 级压缩 ， 一级 2个气缸 ， 二、 三级各一个气缸 ， 气缸均 为双作用并按上进 、 下 出布置 。气量调节采用 “ 一 回一 、 三回一 ” 回路手动调节。其主要技术性能参 数为 大气压力 9 6 ． 1 4 k P a A 全年年平均 ； 进气 压力 0 ． 0 l MP a G ； 末级排气压力 5 ． 3 MP a G ； 供水压力 0 ． 4 MP a G ； 回水压力 0 ． 3 M P a G 。 大气温度 全年年平均 极端最低温度 一 4 ． 5 o C； 极端最高温度 4 1 ． 2 q C； 供水温度 3 2 ； 回水 温度 4 2℃； 仪表空气压力 0 ． 6 MP a G ； 轴功率 2 7 7 0 k W； 氮 气 压 力 0 ． 6 MP a G ； 氮 气 纯 度 9 9． 9 9％ 。 爆炸危险区域划分 压缩机厂房 I I 区 2 ． 2 机组联锁保护的重要性 由于该项 目为易燃易爆 、 高度危险、 连续生产的 重要化工装置 ， 因此要求机组配置 的联锁保护系统 必须是技术成熟 的、 经过考验的、 先进 的、 高可靠性 设备， 能够完全满足机组各种监测参数 的检测 ， 如 2 0 1 1年第4期 郭淑英 ， 等 P L C在4 M 5 0 1 0 4 焦炉气压缩机组联锁保护系统中的应用 ． 3 3． 压力 、 温度 、 液位 、 位移等。机组的控制 系统除实现 单台压缩机组和辅助设备 系统 的所有检测 、 控制和 自动安全联锁保护外 ， 还能实现与用户的 D C S进行 通讯 。 2 ． 3机组联锁保护的控制要求 联琐保护 的主要作用是当机组在启停和运行过 程中发生危及设备和人身安全 的故 障时， 自动采取 保护或联锁措施 ， 防止事故产生和避免事故扩大 ， 从 而保证机组的正常启停和安全运行 。通过对设备工 作状态和机组运行参数 的严密监视 ， 发生异 常情况 时 ， 及时发出报警信号 ， 必要时 自动启动或切除某些 设备或系统 ， 使机组维持原负荷运行或减负荷运行 。 当发生重大故障而危及 机组设备时 ， 停止机组 或 某一部分 运行 ， 避免事故进 一步扩大。在该压缩 机组联锁保 护 系统 中， 当压 缩机 主 轴承 温度 高 于 7 0 ℃ 、 电机轴承温度高于 9 0℃ 、 电机定 子温 度高于 1 4 5℃ 、 一／ 二／ 三级排气温度高于 1 6 0℃ 、 循环水进 水压力 低 于 0 ． 3 M P a 、 润 滑 油供 油 总管 压 力低 于 0 ． 1 5 MP a 、 或者操作员按下紧急停车按扭时 ， P L C启 动压缩机联锁保护程序 ， 机组停止运行 。 3 机组联锁保护系统的配置 3 ． 1 联锁保护 系统 的硬件配置 3 ． 1 ． 1 P L C硬 件 P L C选 用西 门子 S 73 0 0系列 ，s 73 0 0属 于 模块式 P L C， 主要 由机架、 C P U模块 、 信号模块 、 通信 处理器 、 电源模块 和编程设备等组成。在该焦炉气 压缩机控制系统 的 P L C硬件配置中， 电源选用 6 E S 7 3 0 71 E A 0 0 0 A A 0电源模块 ， C P U选用 6 E S 7 3 1 5 2 A G 1 0 0 A B 0模块 ， 标准型 C P U 3 1 5 2 D P ， 开关 量输入选用 6 E S 7 3 2 1 1 B L 0 00 A A 0既 3 2点开关 量输 入卡 ， 开关 量输 出选用 6 E S 7 3 2 21 B L 0 0 0 A A 0既 3 2点开关量输 出卡 ， 4～2 0 m A模拟量输入 6 E S 7 3 3 17 K F 0 10 A B 0既 8点模 拟 量输 入 卡 ， P t l 0 0模拟量输入 6 E S 7 3 3 17 P F 0 00 A B 0既 8点 模拟量输入卡 ， 4 0针前连接器 6 E S 7 3 9 21 A M0 0 0 A A 0和 2 0针前连接器 6 E S 7 3 9 2～1 A J 0 0 0 A A 0， 存储卡 6 E S 7 9 5 38 L F 0 0 0 A A 0 1 2 8 K B， 通讯模块 6 ES 7 3 41 1 CH01 0AE0 CP 3 41，MODBUS RS 48 5 一 R T U ， 6 E S 7 8 7 01 A B 0 1 0 Y A 0驱动程序 MO D B U S从 站 。 3 ． 1 ． 2人机 界 面 控制柜的操作 界 面上 配置触摸 屏 、 报警器 、 按 钮 、 指示 灯等 。触摸 屏选 用 MT 5 1 0 T的 L C D 显示 屏 ， 带触 摸屏 与 P L C的通讯 电缆。具有操作简单 ， 显示直观的特点 ， 可直接触动屏幕进行操作。触摸 屏 内置通用端 口， 可通过串行通讯 电缆直接与计算 机及其它含有 R S一 4 8 5端 口的设备相连 。 在本套机组生产线 的实际应用 中， 为人机界面 设置了生产线运行状态显示 、 I ／ O监控 、 手动操作 、 设备 自动运行指示及故障报警和报警帮助等多个画 面， 并应用 了操作人员等级密码设定等功能。 3 ． 2 联锁保护系统的软件设计 3 ． 2 ． 1软件 运行 用户写好 程序 并下 载 到 P L C后 ， 一 旦开 机运 行 ， P L C就循环执行 用户程序 。用于循环处理 的组 织块 主程序 ， 它可 以调用别 的逻辑块 ， 或被 中断 程序 组织块 中断。在起动完成后 ， 不断地循环调 用主程序 ， 在主程序 中可 以调用其 它逻辑块。循环 程序处理过程可以被某些事件 中断。在循环程序处 理过程中， C P U并不直接访 问 I ／ O模块 中的输入地 址区和输 出地址 区， 而是访 问 C P U 内部 的输入／ 输 出过程映像 区， 批量输入 、 批量输出。 3 ． 2 ． 2测量 参数 运 算 P L C从传 统 的继 电器 回路发 展 而来 ， 最初 的 P L C甚至没有模拟量的处理能力 ， P L C从开始就强 调的是逻辑运算能力 。随着科技 的发展 ， 控制技术 的突飞猛进 ， P L C发展到今天 ， 已经全面移植到计算 机系统控制上了， 已经具备 了强大的模拟量处理能 力。对于机组控制， 前期 由于 P L C模拟量处理能力 的局限 ， 大部分模拟量参数 的控制都采用开关 ， 如压 力开关 、 液位开关等。这些开关大部分是机械式的 ， 或者是通过设定器设定报警点， 从而转换成数字量。 这样往往控制精度相对较低 ， 难免有误动作 。随着 P L C模拟量处理能力的强大 ， 模 拟量处理模块 的产 生 ， 可以把测量变送 器 的 4～2 0 mA信 号直接 引入 P L C处理模块 ， 在程序 中写入联 锁动作点 。大大地 提高 了控制精度 ， 减少 了误动作。对 于上述机组控 制 ， 压缩机出口压力控制 ， 通过压力变送器传输 4～ 2 0 mA信号 直接 引入模 拟量输入 模块 6 E S 7 3 3 1 7 K F 0 10 A B 0 。C P U只能 以二进制形 式处理模 拟 量 ， 模拟量输入模块用于将模 拟过程信号转化为数 字形式。在模块的硬件配置和软件的设置中写入相 应 的参数 ， 就可以写入处理程序。根据本压缩机的 控制 要求 ， 如 压缩 机 出 口压力 变送器 量程 是 0 6 MP a ， 如果 出 口压力超 过 2 ． 6 MP a时 ， P L C输出报 警 ， 报警器响。 压缩 机技术 2 0 1 1 年第4期 压缩机温度也是压缩机联锁保护中很重要的参 数 ， 对于温度的测量 ， 直接采用热 电阻 ， 把测量 的欧 姆信号引人模拟量输 入模板 6 E S 7 3 3 17 P F 0 0 0 A B 0 ， 设置好相应的硬件参数后 ， 写入联锁动作程 序 ， 对于上述压缩机控制 ， 如压 缩机轴承温度达到 7 O℃， 为了防止事故的发生 ， 则停止压缩机。 3 ． 2 ． 3 连锁保护程序 在机组具备开机的状态下 ， 操作员按下开车按 扭， 压缩机自检没有报警信号后， 启动运行。在压缩 机运行过程中， P L C程序循环扫描控制参数 ， 严密监 控压缩机状态 ， 当压缩机主轴承温度 高于 7 0℃ 、 电 机轴承温度高于 9 0℃ 、 电机定子温度 高于 1 4 5 o C、 ／ 二／ 三级排气温度高于 1 6 0 、 循环水进水压力 低于 0 ． 3 MP a 、 润滑油供油总管压力低于 0 ． 1 5 M P a 、 操作员按下停止或紧急停 车按扭时， 压缩机 自动进 入联琐程序 ， 调用联琐处理子程序或根据事故级别 直接停止压缩机的运行 ， 实现设备 自保和防止事故 的进一步扩大。 4 结束语 P L C内部资源极其丰富， 内部存储器 软继 电 器 数量往往数以千数 。P L C采用“ 软器件” 、 “ 软触 点” 进行联锁 ， 它并不改变 P L C外部 电路的结构， 因 而不存在使电路复杂化的问题。而这种联锁本质上 是增加 P L C运算的条件 ， 使得 P L C在进行输出之前 需要进行更多的安全可靠性判断 ， 从而使 系统 的安 全可靠性得到提高。通过系统保护程序的开发与运 行， 使 P L C能及时感知系统的故障或存在的事故隐 患 ， 并通过保护程序做出相应的反应 ， 以防止事故发 生或扩大 ， 更好的保护人身和设备 的安全。 4 M5 0 1 0 4 焦炉气压缩机组 P L C联锁保护控 制系统采用 当今 西门子最先进 的 S 73 0 0控制技 术 ， 可靠性 、 准确性极 高， 整个压缩机组 的控制寿命 大大提高。同时， 由于该压缩机组 P L C联锁保护控 制系统可以实现与 D C S的通讯 ， 提高 了现场管理水 平 ， 大大降低了用户的生产成本。 参考文献 [ 1 ] 工业可编程序控 制器 的现 状与发 展趋 势 [ J ] ． 航天技 术与 民 品 ， 1 9 9 9 5 3 03 1 ． 作者简介 郭淑英 1 9 6 4一 ， 工程师 ， 1 9 8 6年毕业于 大连海运 学院 研究方向 各种型号的往复压缩机 电气及仪表控制系统。 上接第 3页 题 ； 也有利于防止工作腔向吸人 口的外泄漏 ， 具有较 高的综合性能。 C 图中的涡旋齿为变啮合 间隙和 变壁厚涡旋齿 ， 兼顾以上 2种涡旋齿的共 同优点。 3 种结构的涡旋齿的啮合如图 6所示 ， 变壁厚涡 旋齿适用于形成等强度涡旋齿。变啮合 间隙涡旋齿 适用于喷液涡旋压缩机， 防止液相压缩压力骤增 ， 可 以从排出口产生内泄漏泄压 以实现液相压缩随机卸 荷， 同时不会漏人吸人口， 不会减小吸人量 ； 同时还有 利于防止外泄漏， 增加吸气量， 具有较高综合性能。 变啮合间隙变壁厚涡旋齿具有以上两者的优点。 4 结论 1 变 径基 圆渐 开 线 中 ， 当 C 0 ， 随着 c 的增大 ， 变径基圆半径逐渐增大 ， 其节距逐 渐增大。基 圆渐开线是变径基圆渐开线 C0时的 特例 ， 基 圆和节距始终不变。 2 所提出的变啮合间隙涡旋齿有利于解决喷 液涡旋压缩机易发生 的液击问题 ， 有利于提高吸气 量和对型线啮合间隙进行主动控制。 3 利用变径基 圆渐开线构建出了3种涡旋齿 型线 ， 分别为等啮合间隙变壁厚涡旋齿 、 变啮合间隙 等壁厚涡旋齿 、 变啮合问隙变壁厚涡旋齿 ， 拓宽 了涡 旋型线 的类 型 。 参考文献 [ 1 ] 黄允东 ． 涡旋压缩机 型线与列车 空调系统 的模拟及 优化研究 [ D] ． 西安交通大学博士学位论文 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] J ． W． B u s h ， e t a 1 ． D e r i v a t i o n o f g e n e r a l r e l a t i o n g o v e r n i n g t h e c o n - j u g a t e o f s c r o l l p r o fi l e ． I n I C E C P ． P u d u e ， U S A， 1 9 9 2 ， 1 0 7 91 0 8 8 ． [ 3 ] J ． W． B u s h ， e t a 1 ． Ma x i m i z i n g S c r o l l C o mp r e s s o r D i s p l a c e m e n t U s i n g Ge n e r ali z e d W r a p Ge o me t r y ．I n I CEC P．P u d u e， US A， 1 9 9 4， 2 0 521 0． [ 4] 屈宗长 ， 樊灵 ， 王迪生． 通 用型线涡旋 压缩机的 几何 理论 [ J ] ． 西安交通大学学报 ， 1 9 9 9， 3 3 1 1 3 9 4 2 ． [ 5 ] 樊灵． 涡旋压缩机型线通用数学模 型及实验研究 [ D] ． 西安交 通大学博士学位论文 ， 2 0 0 0 ． [ 6 ] j ． T a n a k a ， N ． Mo r o z u m i ， M． A r a k i ， e t a1． D e v e l o p m e n t o f t h eb fi d S c r o l l C o mp r e s s o r s ． I n I CECP． P u d u e， U SA， 2 0 0 2 2 0 2． [ 7] Ga g n e D． P ． ， e t a 1 ． S i m u l a t i n g S c r o l l C o m p r e s s o r U s i n g a Ge n e r a l i z e d C o n j u g a t e S u r f a c e A p p r o a c h ． I n I C E C P ． P u d u e ， U S A， 1 9 9 4 5 5 35 5 8． [ 8 ] 刘振全 ， 张川． 变截面涡旋压缩机型线的研究 [ J ] ． 甘肃工业大 学学报 ， 2 0 0 2， 2 8 4 6 1 6 4 ． [ 9 ] 王君 ， 李雪琴． 双涡旋齿涡旋机械渐变壁厚型线的构建 [ J ] ． 中 国石油大学学报 自然科 学版 ， 2 0 0 8， 3 2 3 1 2 81 3 2 ． 作者简介 李雪琴 1 9 7 5一， 女 ， 山东 鱼 台人 ， 工程 师， 研究方 向 涡 旋压缩 机和化工机械。