基于西门子PLC的空分透平压缩机控制系统.pdf

1 5 6 机械 设计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 4期 2 0 l 3年 4月 基 于西门子 P L C的空分透平压缩机控制 系统 张晓东， 李秀娟， 鲁可 河南工业大学 电气工程学院， 河南 郑州4 5 0 0 0 1 摘要 在介绍应用于煤化工行业 1 2 0 0 0标准立方米川、 时 N m 3 ／ h 空分装置生产工艺流程的基础上， 简要分析空分装 置， 特别是其中的空压机、 氧压机和氮压机的具体控制要求， 提 出基于西门子 P L C和组态软件的空分透平压缩机组控制 系统的总体方案， 详细给出了基于I n T 0 u c h组态软件的监控系统人机交互界面的设计过程。 调试结果表明， 控制系统能够 满足透平压缩机的生产要求。最后对所做工作进行了总结概括并指出下一步的改进方向。 关键词 空分装置； 透平压缩机； 控制系统； S 7 3 0 0 ； I n T o u c h 中图分类号 T H1 6 ； T P 2 7 3 ； T E 9 6 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 4 0 1 5 6 0 3 Tu r b i n e Co mp r e s s o r Co n t r o l S y s t e m f o r Ai r S e p a r a t i o n Un i t Ba s e d o n SI MATI C PL C Z H AN G X i a o - d o n g ， L I X i u - j u a n ， L U K e C o l l e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g ， H e ’ n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H e ’ n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i n t r o d u c e d a 1 2 0 0 0 N m3／ h a ／ r s e p a r a t i o n p r o d u c t i o n p r o c e s s u s e d i n C O o l c h e mi c i n d u s t r y ．O n t h i s b a s is，t h e s p e c ific c o n t r o l r e q u i r e m e n t s o f t h e a i r s e p a r a t io n u n i t ，e s p e c i a l l y t h e ai r c o m p r e s s o r ，t h e o x y g e n c o m p r e s s o r ，a n d t h e n i t r o g e n c o m p r e s s o r w e r e a n a l y z e d b e fly ． T h e o v e r a l l s c h e me of t h e c o n t r o l s y s t e m b ase d o n S I M A T I C P L C a n d c o n fi g u r a t i o n s o f t w a r e f o r ai r s e p arati o n t u r b i n e c o m p r e s s o r w a s p r o p o s e d ．The d e s i g n p r o c e s s o f t h e m o n i t o r i n g s y s t e m h u m an m a c h i n e i n t e ace b a s e d o n I n T o u c h c o n fi gur a t i o n s o ft w a r e w as g i v e n i n d e t ai l ． The d e b u g g i n g r e s u l t s s h o w e d t h at t h e c o n t r o l s y s t e m c a n m e e t t h e p r o d uct i o n r e q u i r e me n u of t h e t u r b i n e c o m p r e s s o r , I n t h e e n d ， i t s u m mariz e s t h e w o r k a n d p o i n t s o u t t h at t h e i m p r o v e me n t d i r e c t i o n oft h e n e x t s t e p ． Ke y W o r d s Ai r S e p a r a t i o n Un i t ； Tu r b i n e Co mp r e s s o r ； Co n t r o l S y s t e m ； S 7 - 3 0 0 ；I n To u c h 1引言 近年来，由于世界经济的全面复苏以及中东和海湾地区的 不稳定局势， 导致世界石油价格不断飙升 ， 我国石油消费的对外 依赖程度越来越高。 从我国自身已探明的化石类能源矿产资源来 看 ，煤炭资源占9 2 ．7 ％，基本上能 自给 自足，而石油资源只占 5 ． 9 ％， 呈现“ 富煤少油” 的特征ll l。 因此， 自上世纪末以来， 我国开始 大力发展煤化工特别是煤制油产业， 以部分替代石油资源。煤化 工的基础首先是煤气化， 而煤气化需要大量的氧气与煤炭及水蒸 气进行水煤气反应。 此外， 生产中还需要大量氮气作为保护气体， 用于煤粉的输送、 置换和干燥。空分装置就是用来分离空气组分 并生产氧气、 氮气和其他稀有气体的工业设备。空分生产装置广 泛应用于冶金 钢铁与有色金属冶炼 、 石油化工、 化肥 、 乙烯、 煤 化工等行业网 。 随着世界煤化工产业的蓬勃发展， 煤化工已经逐渐 超越冶金行业 ， 发展成为世界上最大的氧气用户， 对空分设备的 生产规模和自动化程度的要求也越来越高目 。 基于西门子 P L C和I n T o u c h 组态软件的集散控制技术有助 于实现空分透平压缩机组等空分生产装置的自动化监控。 西门子 可编程控制器以其适应性好、 可靠性高、 功能强大 、 灵活通用的诸 多优点， 已经广泛应用于电力、 机械、 冶金、 化工等现代工业控制领 域 。 其中的西门子 7 - 3 0 0系列 P L C属于模块化中小型P L C系统， 主要由C P U模块、 电源模块、 接口模块、 信号模块、 功能模块等不同 设备组成。具有P R O F I B U S - D P和 M P I 等多种不同类型的通讯接 口目 ， 软硬件集成度高 ， 内部集成功能丰富， 联网能力强， 适合用于 煤化工行业配套的空分装置等被控对象。某公司发布的 I n T o u c h 软件是业内第一个基于组件的MMI Ma n Ma c h i n e I n t e r f a c e ， 即人 机界面 系统 F a c t o r y S u i t e 2 0 0 0中的核心组件。 I n T o u c h拥有面向 对象的图形用户开发环境和强大的 Q u i c k S c r i p t 脚本功能 ，通过 其内置的I ／ O S e r v e r 可以方便地与空分生产现场控制器相连16 1。 利 用 I n T o u c h 组态软件可快捷、 高效地开发空分透平压缩机组监控 系统的图形用户界面。 2空分工艺流程简介 在上述煤化工行业应用中，生产过程同时需要使用大量的 氧气和氮气， 因此配套的空分生产设备一般采用压缩循环深度冷 冻分离法。将空气冷却为液态后， 使用空压机、 氧压机、 氮压机等 空分装置， 利用空气中各种气体组分沸点的不同， 经过精馏过程 来稿 日期 2 0 1 2 0 6 1 4 基金项 目 “ 十一五” 国家科技支撑计划子课题 2 0 0 8 B A D A 8 B 0 4 2 1 作者简介 张晓东 ， 1 9 8 0 一 ， 男 ， 山东青 岛人 ， 硕士 ， 讲师， 主要研究方向 工业过程控制 、 嵌入式系统 ； 李秀娟 ， 1 9 6 3 一 ， 女 ， 吉林乾安人 ， 教授 ， 主要研究方向 嵌入式系统 ， 计算机应用技术 第 4期 张晓东等 基 于西门子 P L C的空分透平压缩机控制 系统 1 5 7 逐步从空气中分离生产出氧气、 氮气和其他惰性气体。深度冷冻 空分技术是 目前使用较多的空气分离方法， 某煤化集团煤制油分 公司 1 2 0 0 0 N m 3 ／ h 空分生产装置工艺流程总貌图， 如图 1 所示。 其 基本工艺流程包括 原料空气经空气吸人塔引入后 ， 首先流经空 气过滤系统除尘过滤， 除去灰尘和颗粒杂质。 动力系统 多级空气 透平压缩机 对过滤后的空气压缩做功， 为后续的低温分离过程 蓄能。经过过滤和加压后， 高温空气进入空冷系统 空气预冷塔 进行预冷， 以便充分利用冷量， 降低能耗。 冷却后的空气被送人空 气净化系统 分子筛纯化系统 进行吸附、 提纯、 净化 、 防爆 ， 除去 空气中的水蒸气 、 二氧化碳、 乙炔及其他碳氢化合物等对空分设 备有害的成分。 经净化的空气在制冷系统 膨胀机 中进行膨胀降 温， 气体温度急剧降低， 并通过热交换系统实现能量传递， 充分提 高其经济陛。经过一系列的过滤、 压缩 、 预冷、 净化、 膨胀工序后 ， 空气最终在空分设备的核心一空气分离系统 分馏塔 中利用组 分沸点的不同实现分离 ， 得到氧气、 氮气和其他气体， 并由不同规 格的透平压缩机加压输送给与之匹配的煤化工生产设备。 叠 H 盏随 H I 液氧 储槽 I 液氮储槽 广一 ． 鬲 一 ． 网 。 壅 堡 必 ’ i L一 遂 壹 瓦 氮 气 H 氢 豢 『‘ _ _J 图 1空分生产装置工艺流程图 F i g ． 1 Fl o w Ch a r t o f t h e P r o d u c t i o n Un i t f o r Ai r S e p a r a t i o n 3透平压缩机的控制要求及控制方案 空分是典型的连续生产过程控制流程， 生产装置工艺复杂， 各子系统之间联系紧密， 系统运行周期长 ， 监控点数量多。 空分控 制系统应操作方便， 稳定可靠 ， 对操作人员开放， 自动化程度较 高。 集散控制系统应具备严格的自启动加载 、 有计划运行、 联锁紧 急卸载、 自动停车和故障处理程序， 对整个控制过程的顺序控制能 力要求较高。要求系统有多重安全保护逻辑， 且软件需要具备自诊 断功能。在空分生产系统的控制形式上， 大部分流程对应的空分装 置采用的是常规控制方法。 整套空分生产系统控制的重点和难点主 要集中在空气透平压缩机的防喘振和联锁保护控制， 以及氧气透平 压缩机与氮气透平压缩机的启停控制和联锁运行保护。 3 ． 1空气透平压缩机 原料空气经过滤后进入空压机，在叶轮旋转离心力的作用 下被高速甩I叶 { ， 并在扩压器中将获得的动能转化为压力。空气经 过逐段多级压缩并达到规定压力后，即可送至后续预冷塔工序。 使用组态软件编程， 实时监测空压机运行相关的压力和温度等参 数， 并保持出口气体压力稳定， 防止产生喘振。 控制回路周期时间 尽量短， 保证了控制系统的反应迅速、 稳定。 组态软件主要完成对 空压机的参数监测、 启停操作 、 安全保护、 报警处理 ， 必要时可联 锁停机。空气透平压缩机控制系统的监控变量包括 空压机轴温 6个， 进 、 出口气体温度 6 个 ， 此外还包括空压机的机械振动 、 轴 向位移、 人口空气压力、 出口压力及出口流量。 3 ． 2氧气透平压缩机与氮气透平压缩机 通过分馏塔分离生产得到 2 0 k P a 的低压氧气、 氮气后， 分别 使用多级氧气透平压缩机及氮气透平压缩机加压到用户所需要 的压力并最终送至配套的煤化工生产设备。 由于氧压机的工作介 质是氧气， 存在安全隐患， 因此氧压机的控制要求非常严格。 其控 制系统实时监测氧压机的运行状态， 故障报警后其保护回路要求 灵敏度高、 反应迅速。可使用紧急停车控制系统联锁停机并能实 时显示故障源信号 ， 以便于监控人员及时进行分析和处理。氮压 机的控制要求是保证机组安全稳定运转的前提下， 充分利用氮压 机允许的工作包线 ， 使机组稳定可靠地工作在生产要求的压力和 温度变化范围内， 并能承受下游管网氮气用量的波动。因此氮压 机采用恒压控制方式， 并附加防喘振保护控制、 出口压力过高保 护控制和电动机过载保护。 氧压机与氮压机监控的变量包括机组 各级透平轴瓦的温度、 各级进出口气体温度和压力、 以及排出阀、 回流阀、 放空阀等阀门的控制。 4基于西门子 P L C的控制系统总体架构 根据上述空分装置生产工艺的特点及其控制要求 ， 遵循“ 集 中监控为主、 现场监测为辅” 的设计原则， 整个空分透平压缩机组 控制系统的硬件设备可以分为三层， 其总体结构， 如图2 所示。 第 一 层为现场执行层， 主要包括空分装置检测仪表 、 传感器 、 执行器 等现场 I ／ O设备，用来检测并上传空分设备的当前运行状态 ， 其 现场传输信号包括模拟和数字两种数据类型。 第二层为基于西门 子 S 7 3 0 0系列 P L C构建的过程层， 也是整个空分装置控制系统 的核心。 该层可按照组态好的控制策略对空分各生产过程进行实 时控制 ， 实现顺序控制 、 逻辑控制 、 联锁控制和其他高级控制功 能。第三层为远程监控与管理层， 主要包括利用工业控制计算机 构建的工程师站和操作员站。 远程用户可实时监测整个空分流程 的工艺过程参数和空分装置的工作状态， 实现透平压缩机组等空 分设备的自动开车、 联锁控制、 越限卸载、 系统故障显示 、 自动停 车等操作， 并能实时查看 、 打印各项参数的动态曲线及对历史趋 势进行调用分析。 f } 监控与 管理层 J ● l 过程层 I ．土一 一 ● 执行层 ● T定 以太网 交换机 I P L C1 P L C2 ● 瞳 ● 瞳 啊 E T 一 2 o 0 M ET 一 2 o 0 M 一 豳 嘲 I ．H P rofi b us D P l 触 摸 屏 1 j _ 摸 屏 Iil 土 主 | I- | I I 主I 压 力变送 器、 ￡ 1 塞j 登 旦机 - 空气透平压缩机 压力变送器 、 ；流量仪表 、 电机 氧气透平压缩机 ； 压力变送器 、 流量仪 表 、 电机 氮气透平压缩机 图 2空分透平压缩机组控制系统硬件结构图 F i g ．2 Ha r d wa r e S t r uc t u r e o f t h e C o n t r o l S y s t e m for Ai r S e pa r a t i o n Tu r bi n e Co mp r e s s o r Un i t s 在对煤化工行业配套的深冷法空分生产工艺要求及现场生 产设备进行分析后，选用西门子 s 7 3 0 0系列的可编程控制器 1 5 8 机 械 设 计 与 制 造 No． 4 Ap r ． 2 01 3 C P U 3 1 5 2 D P及 P R O F I B U S D P通信模块、分布式 I ／ O模块 E T 一 2 0 0 M、电源模块、 T P 2 7 0 1 0触摸屏等构成冗余式下位机控制子 站， 具体设备选型， 如表 1 所示 。P L C使用 P R O F I B U S D P总线 与现场设备进行通信， 各控制子站通过工业以太网与中央控制室 的上位机相连。现场控制器采用分布式 I ／ O方式进行设计， 减少 连接线缆的同时， 大大降低了故障的发生概率， 便于系统进行后 期维护。中央控制室的上位机基于研华 I P C 一 6 1 0 H工控机构建并 运行 Wi n d o w s 2 0 0 3 S e r v e r 操作系统。为了方便上位机的 H M1 人 机交互及数据存储， 使用某公司的I n T o u c h 组态软件开发了图形 用户界面并建立了关系型数据库。 表 1下位机 P L C子站硬件参数表 Ta b ． 1 Ha r d wa r e P ar a me t e r s o f L o we r Co mp u t e r PL C Su b s t a t i o n 5 I n T o u c h组态软件监控系统设计 在空分透平压缩机组控制系统的硬件结构中， 如图 2所示。 下位机可编程控制器编程软件采用 S I MA T I C S T E P 7 ， 中央控制室 的上位机丁程师站和操作员站之间互为冗余。 设计开发人员将整 个空分生产按照工艺流程分为空气透平压缩机系统、预冷系统、 透平膨胀机系统、 氧气透平压缩机与氮气透平压缩机系统等多个 监控子系统， 利用_T程师站对上位机监控软件进行组态 、 管理和 调试。 生产调度控制中心使用操作员站对空分生产各个过程的流 程图、 主要工艺参数的历史趋势图、 报警处理画面、 联锁控制画面 等进行实时监视与控制。在上位机 Wi n d o w s 2 0 0 3 S e r v e r 操作系 统上利用 Wo n d e r w a r e I n T o u c h H MI 9 ． 5 组态软件开发了监控系统 的H M1 人机操作界面。 其中的氧气透平压缩机组监控画面， 如网 3所示。 上位机 I n T o u c h与下位机 P L C之间使用 MO D B U S作为I ／ O通信协议转换接口。 I n T o u c h 通过标准数据库接口 O D B C 访问 用于组态和保存过程数据的S Q L S e rve r 数据库。 生产调度控制中 心通过联网的工控机即可远程监控空分设备的生产工艺参数、 设 备运行状态、 历史曲线等丁况， 紧急情况下还可以由操作员在现 场使用触摸屏对设备进行手动控制。 图3氧气透平压缩机监控系统用户界面 F i g 3 Us e r I n t e r f a c e o f t h e Mo n i t o r i n g S y s t e m f o r Ox y g e n T ur b i n e Co mp r e s s o r 6结束语 介绍了应用于煤化工领域的 1 2 0 0 0 N m 3 ／ I 1 深冷法空分装置 的工艺流程， 分析了整套空分系统控制的重点和难点， 给出了透 平压缩机组的控制要求及控制方案。在此基础上， 提出基于西门 子 S 7 3 0 0系列 P I C和I n T o u c h组态软件的空分透平压缩机组 的控制系统总体方案， 详细描述了基于 I n T o u c h的监控系统图形 用户界面的设计过程 。 实际调试结果表明，该控制系统提高了空分生产设备的安 全性 ， 稳定性和可靠性。空分透平压缩机组实现了防喘振自动控 制和机组的联锁运行保护等功能。 整个监控系统提供了友好的人 机对话界面和丰富的工艺操作控制功能， 具备连续实时监测的能 力， 达到了预期的设计要求。 整套空分系统整体运行稳定可靠， 为 该公司煤制油项目的顺利投产提供了有力保障。此外， 在实现空 分装置稳定可靠运行之后， 下一步的工作方向应考虑尽可能降低 设备 的运行能耗。 参考文献 [ 1 ] 杨涌源 ， 邓 文． 空分行业如何 应对煤化 工的崛起 [ J J ． 深 冷技术 ， 2 0 0 9 2 3 2 3 6 ． Y a n g Yo n g - 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