摘要：以硝酸四合一機(jī)組為例子，對(duì)GE 90_70熱冗余系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)控制和檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用做簡單介紹。 關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)、熱冗余 一、前言： 隨著近年來硝酸行業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)很多化工廠都相繼上馬年產(chǎn)10萬噸的雙加壓法硝酸生產(chǎn)線，而四合一機(jī)組就是生產(chǎn)線的心臟?？删幊炭刂破鳎≒LC）以其在操作、控制、效率和精度等各個(gè)方面所具有的無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域，在旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的控制中也占有不可或缺的位置。尤其旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)本身具有喘振特性，要求控制系統(tǒng)迅速作出反應(yīng)，這就更加凸顯了PLC控制的優(yōu)勢。這里以硝酸四合一機(jī)組的控制為例子，對(duì)GE公司的90_70系列PLC在此領(lǐng)域的應(yīng)用做一個(gè)介紹。 二、工藝要求： 硝酸四合一機(jī)組由軸流壓縮機(jī)、NOX壓縮機(jī)、尾氣透平膨脹機(jī)、汽輪機(jī)、變速箱，和配套輔機(jī)，包括潤滑調(diào)節(jié)油站和相關(guān)閥門等件組成。硝酸四合一機(jī)組中，軸流壓縮機(jī)、NOX壓縮機(jī)為耗功設(shè)備，尾氣透平膨脹機(jī)、汽輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)，共同驅(qū)動(dòng)軸流壓縮機(jī)、NOX壓縮機(jī)。軸流壓縮機(jī)是硝酸工程的原料壓縮機(jī)，軸流壓縮機(jī)所壓縮的空氣與氨混合后進(jìn)入氧化爐，進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成的氨氧化合物混和氣經(jīng)廢熱鍋爐進(jìn)行熱交換，然后進(jìn)行速冷，溫度降至60℃，經(jīng)脫水后進(jìn)入NOX壓縮機(jī)，經(jīng)過壓縮的氣體進(jìn)入吸收塔，制成硝酸，從塔頂逸出的尾氣經(jīng)預(yù)熱、過熱后進(jìn)入膨脹機(jī)做功，回收能量，尾氣做功后經(jīng)煙囪排入大氣。 自控系統(tǒng)要求檢測系統(tǒng)過程參數(shù)，計(jì)算后對(duì)作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，使過程參數(shù)符合工藝要求；對(duì)各個(gè)工藝變量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，防止系統(tǒng)由于工況異常而出現(xiàn)事故,特別是當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)喘振的趨勢，系統(tǒng)要能迅速作出反應(yīng)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制，防止喘振的發(fā)生；當(dāng)工藝變量異常時(shí)，系統(tǒng)能夠報(bào)警、停車。 三、設(shè)計(jì)選型： 系統(tǒng)硬件選用美國GE_Fanuc公司的90_70雙機(jī)熱備系統(tǒng)作為PLC主站，VersaMax系列作為系統(tǒng)I/O子站，上位使用DELL工控機(jī)，配備20’寬屏液晶顯示器。 90_70系列PLC是GE公司推出的針對(duì)中等規(guī)模PLC控制系統(tǒng)的一系列產(chǎn)品，這里選用其中的IC697CGR772型號(hào)，采用96MHZ主頻，1M用戶內(nèi)存，特別支持雙機(jī)熱備。雙機(jī)熱備系統(tǒng)中兩個(gè)PLC主站互為備用。正常工作時(shí)其中一個(gè)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，另一個(gè)作為備用，在主機(jī)架出現(xiàn)問題的情況下，無擾切換到備用機(jī)架，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，讓客戶可以從容對(duì)問題機(jī)架進(jìn)行維護(hù)。 VersaMax系列作為GE的低端產(chǎn)品，主要應(yīng)用在小型控制系統(tǒng)上，這里選用這個(gè)系列的I\O模塊產(chǎn)品作為下位的I/O子站，主要是出于成本考慮，其在較低價(jià)格的基礎(chǔ)上性能能夠完全滿足客戶需求，并且具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。 在90_70和VersaMax系列I/O子站之間使用Genius總線進(jìn)行連接。Genius總線每層局部網(wǎng)絡(luò)最多可以支持31個(gè)裝置，裝置之間最大通訊距離為7500英尺，傳輸速率最大為153.6kbps。每個(gè)90_70機(jī)架上選用2塊專門的總線控制模塊IC697BEM731,配合下位I/O子站的IC200GBI001，構(gòu)成冗余Genius總線通訊系統(tǒng)。冗余系統(tǒng)能夠在其中一條Genius總線出現(xiàn)故障的時(shí)候，保證系統(tǒng)通訊正常，確保生產(chǎn)過程的安全性。 上位工控機(jī)特意選擇20’寬屏液晶顯示器，主要是為了讓現(xiàn)場工作人員能夠長時(shí)間觀察系統(tǒng)畫面不至過度疲勞。 在90_70控制站和上位工控機(jī)之間使用以太網(wǎng)進(jìn)行連接，控制站上選用專門的以太網(wǎng)通訊模塊IC697CMM742，通過交換機(jī)，和上位工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 由于系統(tǒng)還要和專門的旋轉(zhuǎn)機(jī)械檢測設(shè)備本特利3500系統(tǒng)進(jìn)行通訊，所以在90_70控制站上還安裝了編程協(xié)處理器模塊IC697PCM711，專門和本特利3500進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)、準(zhǔn)確。 為了和工藝上的DCS系統(tǒng)進(jìn)行通訊，系統(tǒng)還在90_70控制站上安裝了通訊協(xié)處理器模塊IC697CMM711，保證通訊暢通。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖 四、設(shè)計(jì)過程： 目前控制系統(tǒng)普遍采用如下模式： 現(xiàn)場操作人員<====>上位操作畫面<====>PLC<====>現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備 PLC通過現(xiàn)場設(shè)備讀取各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過編制好的程序，進(jìn)行邏輯判斷，傳遞給現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作。同時(shí)現(xiàn)場的操作人員可以通過上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)、對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作。 其中主要的工作重點(diǎn)，一個(gè)是PLC內(nèi)部程序的編制，要求能完全滿足工藝的要求，確保設(shè)備安全、穩(wěn)定的長期運(yùn)行。另一個(gè)就是上位畫面的繪制組態(tài)，要求能夠符合現(xiàn)場工作人員的習(xí)慣，操作盡量簡潔、明了。 ⑴下位機(jī)編程： 下位編程使用GE公司的CIMplicity Machine Edition軟件（簡稱ME），它是GE公司開發(fā)的讓用戶可在個(gè)人電腦上進(jìn)行控制程序開發(fā)，然后通過以太網(wǎng)或其他方式下載到PLC中的新一代編程軟件。其內(nèi)置大量先進(jìn)、實(shí)用的公共編程工具，讓用戶使用最少的時(shí)間去學(xué)習(xí)軟件的使用，把更多的精力用于控制程序的開發(fā)。 編程過程主要是將下位I/O子站傳輸上來的各種信號(hào)經(jīng)過變換、計(jì)算后，得到我們需要的信號(hào)或數(shù)據(jù)，在此程序中主要包括如下幾個(gè)方面： 量程變換 在編程過程中，首先將所有模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行量程變換，使其在上位機(jī)顯示出實(shí)際值。由于現(xiàn)場來的模擬量信號(hào)都為4～20mA信號(hào)，經(jīng)過AI模塊轉(zhuǎn)換后，對(duì)應(yīng)到相應(yīng)AI為0～32000的數(shù)字值，所以為了得到該信號(hào)代表的實(shí)際值，需要將該數(shù)值除以32000再乘以量程，最后加上量程下限，得到實(shí)際值。 例如：壓力量PI6501量程是0.5MPa～1.5MPa，如果此時(shí)輸入的模擬信號(hào)為16mA，則在PLC中認(rèn)為該AI為等于24000的一個(gè)數(shù)值，24000/32000×（1.5-0.5）＋0.5＝1.25MPa，這才是該點(diǎn)的實(shí)際值。 機(jī)組啟動(dòng) 四合一機(jī)組的啟動(dòng)需要滿足很多條件，包括潤滑油壓力、調(diào)節(jié)油壓力、盤車電機(jī)解鎖、油箱液位、兩個(gè)防喘閥開度都為最大等等，這些條件必須同時(shí)滿足，才能允許機(jī)組啟動(dòng)。 停車連鎖 為了整個(gè)機(jī)組的安全，當(dāng)某些條件一旦出現(xiàn)，機(jī)組必須停車，避免發(fā)生事故。比如潤滑油壓力低、冷凝泵同停、軸振動(dòng)高、軸位移高、速關(guān)油壓力低、調(diào)節(jié)閥過高而轉(zhuǎn)速低等等，這些條件的任意一個(gè)都需要使機(jī)組停車，而機(jī)組的停車操作需要進(jìn)行諸如關(guān)閉速關(guān)閥、開防喘閥、開尾透出口閥、關(guān)尾透進(jìn)口閥等一系列操作，這些操作必須及時(shí)、準(zhǔn)確的達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 防喘振 喘振是各類壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備特有的機(jī)械現(xiàn)象。一般表現(xiàn)為：快速的流量波動(dòng)、迅速的壓力振蕩，喘振會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的流量和壓力極其不穩(wěn)定。由于喘振同時(shí)伴隨有反向的軸向推力和反向介質(zhì)流動(dòng)，從而造成風(fēng)機(jī)的間隙改變，降低風(fēng)機(jī)的效率，縮短風(fēng)機(jī)的壽命，對(duì)風(fēng)機(jī)造成嚴(yán)重危害。 四合一機(jī)組共有兩個(gè)需要喘振調(diào)節(jié)的設(shè)備：NOX壓縮機(jī)和空氣壓縮機(jī)，他們的控制原理是一樣的，只是喘振線的數(shù)據(jù)不同。當(dāng)PLC檢測到喘振即將發(fā)生時(shí)，會(huì)通過PID算法控制喘振閥進(jìn)行“快開慢關(guān)”的操作，達(dá)到防止喘振發(fā)生的目的。喘振線和防喘振線都由風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)廠家在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)后提供。 汽輪機(jī)熱井排水閥、回水閥調(diào)節(jié) 通過PID計(jì)算，對(duì)汽輪機(jī)排水閥、回水閥開度進(jìn)行控制，對(duì)熱井液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其保持在現(xiàn)場工作人員設(shè)定的數(shù)值。 低壓設(shè)備控制 控制包括潤滑油泵、油加熱器、事故油泵、冷凝液泵、盤車電機(jī)等設(shè)備在內(nèi)的8個(gè)低壓控制設(shè)備，使其工作狀態(tài)能夠顯示在上位畫面上，并且在旋鈕開關(guān)打到自動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，能夠在上位機(jī)畫面上進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的啟停操作。 調(diào)節(jié)在上位畫面上對(duì)靜葉開度、尾透進(jìn)口閥、出口閥等設(shè)備進(jìn)行控制。 編程過程力求安全、全面，要盡量全面的考慮可能發(fā)生的各種情況，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的處理方法，同時(shí)盡量使程序簡潔，加快運(yùn)行速度。 ⑵上位機(jī)畫面 上位機(jī)畫面采用GE公司的iFix3.5，該軟件也為GE_Fanuc公司產(chǎn)品，提供了大量實(shí)用繪圖工具，讓上位畫面的繪制簡單、快捷。PLC與上位畫面之間使用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，保證了通訊質(zhì)量。畫面主要是讓操作人員感覺操作簡潔、明了、習(xí)慣、快捷。一般的操作都可在3次操作內(nèi)完成。 五、總結(jié)： 系統(tǒng)自投運(yùn)以后，一直運(yùn)行正常，從未因自控系統(tǒng)造成過系統(tǒng)故障停車，保證了產(chǎn)量，也就保證了企業(yè)的效益。 此系統(tǒng)的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 速度快，能夠滿足防喘振對(duì)“高速處理”的要求 通過Genius總線和以太網(wǎng)通訊，能夠滿足“高速通訊”的要求 熱備冗余系統(tǒng)保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性，方便在不影響生產(chǎn)的同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件 易于擴(kuò)展，同第三方模塊的融合