基于PLC的鼓风机防喘振控制系统.pdf

E L E C T R I C D R 1 VE 2 0 1 2 V o l 。 4 2 No 。 8 电气传 动 2 0 1 2年 第 4 2 卷 第 8期 基于 P L C的鼓风机防喘振控制系统 黄丽梅， 李鸣， 张宇 南 昌大 学 环境 与化 学工程 学院 ， 江西 南 昌 3 3 0 0 3 1 摘要 为确保鼓 风机安全 、 稳定地运行 ， 设计 了一套基 于 P L C的双 重化冗余 防喘振 控制 系统 。该 系统 以 某石化公 司硫磺 回收装置 中鼓风机 的控制过程 为背 景 ， 分析 了鼓风机发 生喘振 的原 因。同时 ， 重 点介绍 了防 喘振控制 系统 的硬件配 置， 防喘振控制器的原理 ， 以及防喘 振控制线 的设计 。最后 ， 在 C F cS C L编程语 言 的基础上 ， 实现了鼓风机的防喘振控制策略与逻辑组态编程 。 关键词 硫磺回收装置 ； 鼓风机 ； P L C ； 双重化冗余 ； 结构化控制语 言 ； 防喘振控制 中图分类 号 T P 2 7 1 文献标识码 A An t i s ur g e Co n t r o l Sy s t e m Ba s e d o n PLC f o r Bl o we r HUANG Li me i ，LI M i n g，ZHANG Yu Co l l e g e o f En v i r o n me n t a l a n d Ch e mi c a l En g i n e e r i n g，Na n c h a n g Un i v e r s i t y， Na n c h a n g 3 3 0 0 3 1 ， Ji a n gx i ， C h i n a Ab s t r a c t To e n s u r e t h a t t h e o p e r a t i o n o f b l o we r i s s a f e a n d s t a b l e ，a d u a l r e d u n d a n t a n t i s u r g e c o n t r o l s ys t e m b a s e d on PLC wa s de s i g ne d．An d ba s e d o n t he bl o we r c on t r o l pr oc e s s o f t he s ul f ur r e c o ve r y u ni t i n a p e t r o c h e mi c a l c o m p a n y ，t h e c a u s e s o f h i o we r s u r g i n g we r e d e s c r i b e d ．S i m u l t a n e o u s l y ，t h e h a r d wa r e c o n f i g u r a t i o n o f a n t i s u r g e c o n t r o l s y s t e m ， t h e p r i n c i p l e s o f t h e a n t i s u r g e c o n t r o l l e r a n d t h e d e s i g n o f t h e a n t i s u r g e l i n e s we r e i n t r o d u c e d e mp h a t i c a l l y ．F i n a l l y， t h e a n t i s u r g e c o n t r o l s t r a t e g y a n d l o g i c a l c o n f i g u r a t i o n a r e a c h i e v e d b a s e d o n t h e CF C S CL p r o g r a mmi n g l a n g u a g e ． Ke ywo r d s s u l f u r r e c o v e r y u n i t S RU ；b l o we r ； p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r PLC ；d u a l r e d u n d a n t ； s t r u c t u r e d c o n t r o l l a n g u a g e S CL ；a n t i s u r g e c o n t r o l 1 引言 2 工 艺流程 简介 S I MATI C S 74 0 0 F H 是 一种 安全 及 容错 型 自动 化 控 制 系 统 ， 它 是 基 于冗 余 容 错 的 s 7 4 0 0 H技术的安全型 P L C， 适用于安全等级要求 较 高 的 工 厂 。S 74 0 0 F H 的控 制 过 程 不 会 对 人 或设备的安全造成威胁 ， 当控制系统中出现事故 时 ， S 74 0 0 F H 将 立 即进 入 安 全 状 态 或 安 全 模 式 。而鼓 风 机 是硫 磺 回收 装 置 S R U l_ 1 的 主 要 设备 ， 其作用是向酸性气 C L AUS燃烧炉与尾气焚 烧炉输送空气， 以满足硫磺 回收中各反应 的需求 。 倘若鼓风机在工作过程中发生喘振 ， 这时风机连同 它的外围管道一起做周期性 的大幅度的振动， 会造 成设备 的损害， 并造成严重的经济损失。本 文将 s 7 4 0 0 F H控制系统应用到鼓风机的防喘振控制 系统中， 以确保鼓风机安全、 稳定地运行 。 硫 磺 回收装 置常 采用两 级转 化 C L AUS工艺 和尾气 处 理 S C OT工 艺 来 回收 炼 油 厂 废 气 中的 硫 ， 防止对水 和大 气 的污 染 。其 中 ， 鼓 风 机 的 主要 工作是 自装置外来 的酸性气进行分液后， 酸性气 与鼓风机 K一2 0 1 送来的空气混合后在主燃烧炉 F～ 2 5 0 1 中进行反应， 此时， 应严格控制鼓风机的 配风量 ， 保证燃烧 产物 中 H S和 S O 2 为 2 1的摩 尔比例 ， 以达到 C L AS U 催化反应 中最大的硫平 衡转化率， 提高 C L AUS部分 的硫磺 回收率 。而 从 吸 收塔 出来 的尾 气 含有 H。 S ， 进 入 焚 烧 炉燃 烧 器 F一2 0 2 ， 通 过鼓 风机 K一2 0 2 ／ S 供 给 焚烧 过程中所需的空气， 使得尾气 中残 留的 H S及其 它硫化 物几 乎完 全转 化 为 s 0 ， 再进 行循 环 回 收L 2 ] 。可见 ， 在硫磺 回收装 置中， 鼓风机安全 、 稳 基金项 目 南 昌市重点基金资助科技项 目 Z 0 3 3 1 6 作者简介 黄丽梅 1 9 8 7 一 ， 女 ， 硕士 ， E ma i l h u a n g l i me i k a n g t a s i n a ． c o rn 7 3 电气传动 2 0 1 2 年 第 4 2卷 第 8期 黄丽梅 ， 等 基 于 P L C的鼓风机 防喘振控制 系统 定地 运行 是相 当重要 的 。 3 喘振产 生的原 因 鼓风机在工作过程 中， 当人 口气体流量 小于 最小流量限时， 风机将从工作区进入喘振区， 这时 风机连同它的外围管道一起做周期性的大幅度的 振 动 ， 工 程上 称 为 喘振 ] 。喘振 是 由鼓 风 机 的 固 有 特性 曲线呈 驼峰 型而 引起 的 见 图 1 。 图 1 鼓风机 的特性曲线 F i g． 1 Th e c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s of b l o we r 图 l中 ， 横 坐标 Q 为风 机 流量 ， 纵 坐标 P 为 风机出口压力 ， n为风机转速。 由图 1 可 以看 出 不 同转速下 的鼓风机特性 曲线都有 一极 值 点 T， 而 流量 和 压 力在 极 值 点 两 边是呈相反的关系 。例如， 鼓风机转速为 时的 特性曲线 ， 将流量当作一个衡量动能的能量， 而将 压 力 当作 一个 表征 势 能的能量 。从 能量 守恒 的角 度观察 ， 系统的势能和动能在相互转化的过程中， 能量的总和保持不变。对于极值点右边的运行点 A来说 ， 当受外来干扰发生偏 移时， 随着流量减 少 ， 压力就增加 ； 或者流量增加 ， 压力就下降 ， 相当 于动 能和势 能在 相互 转化 过程 中 ， 能量 守恒 ， 由此 可见 ， 点 A 是一个稳定 的运行点。相反 ， 对 于极 值点左边的运行点 B来说， 同样受外来干扰发生 偏移时 ， 随着流量减少 ， 压力也减少； 或者流量增 加 ， 压力 也增 加 ， 也 就是 动能和 势能在 相互 转化 过 程 中 ， 能 量不 守恒 ， 由此 可见 ， 点 B是 不稳 定 的运 行 点 。 鼓 风机 在不 同转 速 时 ， 都 有 着 不 同 的驼 峰 型 特性曲线 ， 所 以这些特性曲线将存在上面提到的 极值点 ， 如果将每条曲线上极值点连接起来 ， 便形 成 了喘振线 。且 由上面分析可知 ， 在喘振线下方 的运行点均为稳定点 ， 称为稳定区； 而喘振线上方 的运行点为不稳定点 ， 称为喘振区。 74 4 防 喘振 控 制 的 整体 设 计 4 ． 1 防喘振 控制 系统 的硬件 配置 安 全及 容错型 自动化 控制 系统 S 7 4 O 0 F H 由 2个冗余配置子系统构成， 这 2个子系统通过 光缆进行同步连接 ， 同时还建立了 1 个基于“ 主动 冗余” 以双通道 1 o o 2 结构运行的故 障冗余 自动 化系统 。所谓主动冗余， 就是系统中所有的冗余 资源 在执行 控制 任务 的同时 ， 仍然处 于运行 状态 。 即 S 7 4 0 0 F H 系统 中的用户 程序 ， 是被各 自放在 2个 C P U 中并 被 2个 C P U 同步执行 _ 5 ] 。 表 1是鼓风机防喘振控制系统 的硬件配置 ， 其控 制器 采用 2套 C P U 4 1 7 4 H， 以达到冗 余 配 置 的要求 ， 在 通 信 方 面 ， 控 制 单 元 与 远 程 I ／ O 单 元之间的通信由冗余 P R OF I B USDP现场 总线 完 成 。并 且 ， 采 用 E T 一2 0 0 M 分 布 式 I ／ O 作 为 P R OF I B USD P上 从 站 和 S 74 0 0 F H 系 统 相 连 。系统 的 i ／ o 单元 由 2 套 输入 ／ 输 出模块 组成 ， 且 这些模 块 以冗余 对 的形 式 出 现 ， 组 态 成 冗余 I ／ O， 以减少因 C P U故障或 I ／ 0模块故障而造成的 损 失 ， 提高 系统 的可靠性 。 表 1 防喘振控制系统 的硬件配置 Ta b ． 1 Th e h a r d wa r e c o n f i g u r a t io n o f a n t i s u r g e c o n t r o l s y s t e m 4 ． 2防喘振控 制 的原理 喘振现象威胁着鼓风机安全、 稳定运行 ， 因此 若想要防止喘振的产生 ， 保证运行 点一直工作在 喘振线 下方 的稳 定 区域 ， 进 行 鼓 风 机 的防 喘振 控 制是非常重要的。通过控制防喘振阀的开度来改 变实 际进入 鼓风 机 的 流量 ， 是 进 行 防 喘振 控 制 器 设计 的主要 依 据 。其 中 ， 防 喘振 控 制器 将 防 喘 振 设定 的 曲线 本 文设 计 为 4点 3段 的折线 作为 其 设定值， 通过检 测鼓风机 的入 口流量 Q和 出 口 压 力 P， 以及 结 合鼓 风 机 当前 的工况 来控 制 防 喘 振阀。一旦风机现行 的工作点过 防喘振控制线 进 入 喘振 区发生 喘振 ， 防 喘 振 阀 迅 速 打 开 ， 及 时 消喘 ； 喘振 消 失 后 ， 防 喘 振 阀 会 慢 慢 关 闭 即所 谓 的“ 快开 、 慢关” l_ 6 ] 。防喘振控制 的原理图如 图 2所示 。 黄 丽梅 ， 等 基 于 P L C的鼓风机 防喘振控 制 系统 电气传动 2 0 1 2年 第 4 2卷 第 8 期 图 2防 喘 振 控 制 原理 图 Fi g ． 2 S c he ma t i c o f a nt i s ur g e c o n t r o l 喘振 作为 鼓 风机 的 固有 特 性 ， 同时 也受 其 进 气条件的影响 例如 进气温度 、 进气压力等 。其 中， 温度降低 ， 喘振线上移 ； 温度升高 ， 喘振线下 移。进气压力升高， 喘振线上移； 进气压力降低 ， 喘 振线下移。因此 ， 为了使得防喘振的控制能适应各 种气候条件， 应采用温度 、 压力补偿的算法 。 根据 以上 控 制 目标 及 控 制要 求 ， 防 喘振 控 制 器 的主要 功能 为 1 实 现流 量信号 的 温压补 偿功 能 ； 2 当鼓 风 机 工 作点 达 到 报警 线 时 ， 能 实 现 喘 振报 警 ； 3 当鼓 风 机 工作 点 靠 近 防喘 振线 时 ， 防 喘振 放空 阀打开放 风 ， 消除 喘振 ； 4 当鼓 风 机 工作 点 进 入放 风 线 时 ， 防 喘振 放 空 阀全开 ， 紧急 放风 ； 5 实 现 防喘振放 空 阀的快 开 、 慢 关功 能 ； 6 P I D参数 的 自整定 功能 。 5 防喘振 控 制 策略 的 实现 5 ． 1 防 喘振控 制线 的设计 图 1中 ， 放 空 线 即 喘振 裕 度 是 由实测 喘 振 线下移 3 得到的， 当运行点位于放空线下方时， 防喘振 阀关 闭 ； 若 运行 点位 于放 空线上 方 ， 为 防止 喘振发生 ， 防喘振 阀全开。鼓风机的防喘振控制 线 是 由喘振 线 下 移 8 得 到 的 ， 当鼓 风机 的运 行 点 越过 防 喘振控 制 线进 入 喘振 区域 时 ， 控 制 器将 发 出喘振危险信号 ， 防喘振控制系统将 自动调节 防喘 振 阀放 风 ， 使 得 出 口压 力下 降 ， 流 量 上升 ， 防 止 喘振 发生 。在 喘 振 线 的 下 方 1 O 设 置 一 报 警 线 ， 当鼓 风机 的实 际运行 点接 近报 警线 时 ， 控 制器 发出接近喘振报警信号 ， 提醒操作人 员注意 。根 据厂商提供的鼓风特性 曲线 ， 即可确定放空线、 防 喘振控制线和报警线等数据。这些数据 由鼓风机 出口压力和鼓风机入 口流量构成， 根据该风机喘 振曲线 比较平滑接近直线 的特性 ， 使它们以折线 形 式存 储 ， 采 用 这样 方 案 ， 不 仅计 算 简 单 ， 而且 也 能 够充 分利用 鼓风 机 的有效运 行 区域 。 5 ． 2温压 补偿 的设计 一 般情况下 ， 温压补偿可以用下式_ 7 来实现 Q 。 一 √ 墨 Q c 式 中 Q 。 为 补偿 后 流量 值 ， m。 ／ mi n ； Q 。 为测 量 流 量实 际值 ， m。 ／ rai n ； P 为 测 量 压 力 ， k P a ； P 。为参 比压 力 ， k P a ； T 。 为 测 量 温 度 ， ℃ ； T o为 参 比温 度 ， ℃ 。 5 ． 3 快 开 、 慢 关的设 计 当喘振发生时 ， 防喘振阀应迅速开启 ， 然而随 着 防 喘振 阀的 开启 ， 运 行 点 将 回到 防喘 振 线 的下 方， 此时防喘振阀在关闭过程中又应放慢 ， 即要求 在打 开 、 关 闭防 喘振 阀的过 程 中 ， 所用 的速 度是不 一 样的。由于防喘振控制器“ 快开慢关” 的要求 ， 若采用传统不改 变 比例项或积 分项参数 的 P I D 算法 ， 则防喘振 阀开和关 的速度应该是相 同的。 因此 ， 为 了让 防 喘振 阀 “ 快 开 慢 关 ” 的要 求 得 以实 现， 可改变 P I D参数中的比例项或积分项 。而在 本 文 的防 喘振 阀“ 快 开 慢 关 ” 控 制 中， 主 要 是通 过 比例增益 P的折线运算来实现 ， 即通过偏差 e的 限定范 围 ， 改 变增 益 P 的值 。 5 ． 4防喘振 控 制的 实现 鼓 风机 防 喘振 的软 件实 现采 用模块 化程 序 的 设 计 方法 ， 分 别 由模拟 量 的输 入 、 输 出处 理模 块 、 防喘振 控制线 函数 发生 器 、 比较器 模块 、 P I D调 节 控制等部分组成 见 图 3 。其 中， 将测量到 的入 口流量 Q在进行温压补偿运算后 ， 所得 的流量值 经过 折 线 运 算 后 得 到 的 出 口压 力 作 为 P I D 控制 的设定值 S P， 并 以此来控 制测量值 出 口压 力 P 。防 喘振 控 制 的偏差 e S PP 即为 出 口压力的控制偏差。当风机正常工作 时， 则它的 运行点应该在图 1中防喘振线的下方 ， 此 时偏差 O ； 若运 行 点在 防 喘振 线 上方 ， 此 时偏 差 ≤0 ， 则控 制 防喘振 阀的开度 ] 。 图 3中 ， P ， P ， P 。分 别 为 风 机 出 口压 力 P 经过 放空 线 、 防喘振 线 、 报 警线 函数发 生 器运算后 的压 力 。在 P L C的各种 编程语 言 中 ， 连 续 功能 图 c o n t i n u o u s f u n c t i o n c h a r t ， C F C L 9 不 仅 具 有 P L C典 型 的元素 例 如 输 入／ 输 出 、 定 时 器 、 计 数 器和符号表等 ， 而且具有 图形化编程语言 的特 性 ， 非常适合处理过程控制和系统工程 的任务。 而结构化控制语言 S C L 的特性与计算机高级编 程语言非常相似 ， 是一种基于 P AS C AL的高级编 程语 言 ， 其 具有 循环 、 数组 、 选择 、 分支 和高级 函数 75 电气传 动 2 0 1 2 年 第 4 2卷 第 8 期 黄丽梅 ， 等 基 于 P L C的鼓风机防喘振控 制 系统 图 3 防喘振控制流程 图 Fi g ． 3 Fl ow c h a r t o f a n t i s u r g e c o n t r o l 等特性 ， 因此适合处理复杂数学函数、 复杂运算功 能 、 数据管理和过程优化等任务口 。 基于上述 C F C和 S C L编程语言 的优点 ， 鼓 风机防喘振的逻辑组态则采用 C F cS C L编程形 式， 即在 S I E ME N S S T E P 7中使用结构化控制语 言 S C L 设置 函数发生器 功 能块 ， 使它们 以折线 函 数表的形式储存 ， 然后， 在 C F C编辑器 中， 使用这 些已经制作好的具有特定的功能块进行工作 ， 将这 些功能块放置到 C F C图中， 并将相应的参数互连。 其 中 ， 温压补偿功能块 F B 5的程序如下 F UNC TI O N B L OC K F B 5 ／ ／ 定义功能块 VAR _ I N P UT ／ ／ 输入参数 F LUx - I N REAL 一0 ． 0； ／ ／测 量 流量 P R E S S UR E _ I N RE A L 0 ． 0 ；／ ／测量压 力 k P a TEM PER _I N R E AL 0 ． 0 ； ／ ／测 量温度 ℃ P R E S S UR E _ 0 RE AL 0 ． 0 ； ／ ／参比压力 k P a TEM PER 一0 R E A L 0 ． 0 ； ／ ／参 比温度 ℃ END． VAR VAR _OU TP UT ／ ／ 输出参数 F L UX O UT R E AL ； ／ ／ 补偿后流量 END _VAR VAR TE MP ／ ／ 中间变量 7 6 PRES S URE - TEMP 1 REAL； PRES S URE - TEMP 2 REAL； TEM PER_TEM P 1 REAL； TEM PER _TEM P2 REAL； ENDLVAR P RES S URE TE MP1 PRES S URE - I N1 0 1 ． 3 2； PRESSURE TEM P2 一 PRESSURE _0 1 O 1 ． 3 2 ； TE MP E R_ TE MP 1 一TEMP ER _ I N 2 7 3 ． 1 5 ； TE MP E R_ TE MP 2 TEMP ER _ 0 2 7 3 ． 1 5 ； FLUX OUT S QRT P RES S URETEMP 1 * TEMPE I 乙TEMP 2 ／ PRES S URE TEMP2*TEMP ER～ TEM P1 *F LUX I N ； END- _ F UNCTI ON BLOCK 6 结 论 针对硫磺 回收装置中的鼓风机设计 了一套防 喘振控 制系统 ， 且将 先进 的 S 7 4 0 0 F H 应用 到硫 磺 回收装置上 ， 具有 良好的可靠性和安全性 ， 可以 避免鼓风机在运行过程中发生喘振。该 防喘振控 制系统不仅能够很好地检测喘振 的发生， 适 时报 警 ， 引起工作人员的注意 ， 而且能够及时的消除喘 振， 确保鼓风机安全、 稳定地运行。 参考文献 [ 1 3 马鑫． 硫磺 回收装置工艺方案确定及设备选择 [ D] ． 北京 中 国石油大学 ， 2 0 0 7 ． [ 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