基于PLC的鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)

黃麗梅，李鳴，張宇

（南昌大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

1 引言

SIMATIC S7－400FH是一種安全及容錯(cuò)型自動(dòng)化控制系統(tǒng)，它是基于冗余容錯(cuò)的S7－400H技術(shù)的安全型PLC，適用于安全等級(jí)要求較高的工廠。S7－400FH的控制過程不會(huì)對(duì)人或設(shè)備的安全造成威脅，當(dāng)控制系統(tǒng)中出現(xiàn)事故時(shí)，S7－400FH將立即進(jìn)入安全狀態(tài)或安全模式。而鼓風(fēng)機(jī)是硫磺回收裝置（SRU）［1］的主要設(shè)備，其作用是向酸性氣CLAUS燃燒爐與尾氣焚燒爐輸送空氣，以滿足硫磺回收中各反應(yīng)的需求。倘若鼓風(fēng)機(jī)在工作過程中發(fā)生喘振，這時(shí)風(fēng)機(jī)連同它的外圍管道一起做周期性的大幅度的振動(dòng)，會(huì)造成設(shè)備的損害，并造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文將S7－400FH控制系統(tǒng)應(yīng)用到鼓風(fēng)機(jī)的防喘振控制系統(tǒng)中，以確保鼓風(fēng)機(jī)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

2 工藝流程簡(jiǎn)介

硫磺回收裝置常采用兩級(jí)轉(zhuǎn)化CLAUS工藝和尾氣處理SCOT工藝來回收煉油廠廢氣中的硫，防止對(duì)水和大氣的污染。其中，鼓風(fēng)機(jī)的主要工作是：自裝置外來的酸性氣進(jìn)行分液后，酸性氣與鼓風(fēng)機(jī)（K－201）送來的空氣混合后在主燃燒爐（F－2501）中進(jìn)行反應(yīng)，此時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制鼓風(fēng)機(jī)的配風(fēng)量，保證燃燒產(chǎn)物中H2S和SO2為2∶1的摩爾比例，以達(dá)到CLASU催化反應(yīng)中最大的硫平衡轉(zhuǎn)化率，提高CLAUS部分的硫磺回收率。而從吸收塔出來的尾氣（含有H2S），進(jìn)入焚燒爐燃燒器（F－202），通過鼓風(fēng)機(jī)（K－202／S）供給焚燒過程中所需的空氣，使得尾氣中殘留的H2S及其它硫化物幾乎完全轉(zhuǎn)化為SO2，再進(jìn)行循環(huán)回收［2］。可見，在硫磺回收裝置中，鼓風(fēng)機(jī)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行是相當(dāng)重要的。

3 喘振產(chǎn)生的原因

鼓風(fēng)機(jī)在工作過程中，當(dāng)入口氣體流量小于最小流量限時(shí)，風(fēng)機(jī)將從工作區(qū)進(jìn)入喘振區(qū)，這時(shí)風(fēng)機(jī)連同它的外圍管道一起做周期性的大幅度的振動(dòng)，工程上稱為喘振［3］。喘振是由鼓風(fēng)機(jī)的固有特性曲線呈駝峰型而引起的（見圖1）。

圖1 鼓風(fēng)機(jī)的特性曲線Fig.1 The characteristic curves of blower

圖1中，橫坐標(biāo)Q為風(fēng)機(jī)流量，縱坐標(biāo)P為風(fēng)機(jī)出口壓力，n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

由圖1可以看出：不同轉(zhuǎn)速下的鼓風(fēng)機(jī)特性曲線都有一極值點(diǎn)T，而流量和壓力在極值點(diǎn)兩邊是呈相反的關(guān)系。例如，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的特性曲線，將流量當(dāng)作一個(gè)衡量動(dòng)能的能量，而將壓力當(dāng)作一個(gè)表征勢(shì)能的能量。從能量守恒的角度觀察，系統(tǒng)的勢(shì)能和動(dòng)能在相互轉(zhuǎn)化的過程中，能量的總和保持不變。對(duì)于極值點(diǎn)右邊的運(yùn)行點(diǎn)A來說，當(dāng)受外來干擾發(fā)生偏移時(shí)，隨著流量減少，壓力就增加；或者流量增加，壓力就下降，相當(dāng)于動(dòng)能和勢(shì)能在相互轉(zhuǎn)化過程中，能量守恒，由此可見，點(diǎn)A是一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行點(diǎn)。相反，對(duì)于極值點(diǎn)左邊的運(yùn)行點(diǎn)B來說，同樣受外來干擾發(fā)生偏移時(shí)，隨著流量減少，壓力也減少；或者流量增加，壓力也增加，也就是動(dòng)能和勢(shì)能在相互轉(zhuǎn)化過程中，能量不守恒，由此可見，點(diǎn)B是不穩(wěn)定的運(yùn)行點(diǎn)［4］。

鼓風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)，都有著不同的駝峰型特性曲線，所以這些特性曲線將存在上面提到的極值點(diǎn)，如果將每條曲線上極值點(diǎn)連接起來，便形成了喘振線。且由上面分析可知，在喘振線下方的運(yùn)行點(diǎn)均為穩(wěn)定點(diǎn)，稱為穩(wěn)定區(qū)；而喘振線上方的運(yùn)行點(diǎn)為不穩(wěn)定點(diǎn)，稱為喘振區(qū)。

4 防喘振控制的整體設(shè)計(jì)

4.1 防喘振控制系統(tǒng)的硬件配置

安全及容錯(cuò)型自動(dòng)化控制系統(tǒng)（S7－400FH）由2個(gè)冗余配置子系統(tǒng)構(gòu)成，這2個(gè)子系統(tǒng)通過光纜進(jìn)行同步連接，同時(shí)還建立了1個(gè)基于“主動(dòng)冗余”以雙通道（1oo2）結(jié)構(gòu)運(yùn)行的故障冗余自動(dòng)化系統(tǒng)。所謂主動(dòng)冗余，就是系統(tǒng)中所有的冗余資源在執(zhí)行控制任務(wù)的同時(shí)，仍然處于運(yùn)行狀態(tài)。即S7－400FH系統(tǒng)中的用戶程序，是被各自放在2個(gè)CPU中并被2個(gè)CPU同步執(zhí)行［5］。

表1是鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的硬件配置，其控制器采用2套CPU 417－4H，以達(dá)到冗余配置的要求，在通信方面，控制單元與遠(yuǎn)程I／O單元之間的通信由冗余PROFIBUS－DP現(xiàn)場(chǎng)總線完成。并且，采用 ET－200M 分布式I／O 作為PROFIBUS－DP上從站和S7－400FH系統(tǒng)相連。系統(tǒng)的I／O單元由2套輸入／輸出模塊組成，且這些模塊以冗余對(duì)的形式出現(xiàn)，組態(tài)成冗余I／O，以減少因CPU故障或I／O模塊故障而造成的損失，提高系統(tǒng)的可靠性。

表1 防喘振控制系統(tǒng)的硬件配置Tab.1 The hardware configuration of anti－surge control system

4.2 防喘振控制的原理

喘振現(xiàn)象威脅著鼓風(fēng)機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，因此若想要防止喘振的產(chǎn)生，保證運(yùn)行點(diǎn)一直工作在喘振線下方的穩(wěn)定區(qū)域，進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)的防喘振控制是非常重要的。通過控制防喘振閥的開度來改變實(shí)際進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)的流量，是進(jìn)行防喘振控制器設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。其中，防喘振控制器將防喘振設(shè)定的曲線（本文設(shè)計(jì)為4點(diǎn)3段的折線）作為其設(shè)定值，通過檢測(cè)鼓風(fēng)機(jī)的入口流量Q和出口壓力P，以及結(jié)合鼓風(fēng)機(jī)當(dāng)前的工況來控制防喘振閥。一旦風(fēng)機(jī)現(xiàn)行的工作點(diǎn)過防喘振控制線進(jìn)入喘振區(qū)發(fā)生喘振，防喘振閥迅速打開，及時(shí)消喘；喘振消失后，防喘振閥會(huì)慢慢關(guān)閉（即所謂的“快開、慢關(guān)”）［6］。防喘振控制的原理圖如圖2所示。

圖2 防喘振控制原理圖Fig.2 Schematic of anti－surge control

喘振作為鼓風(fēng)機(jī)的固有特性，同時(shí)也受其進(jìn)氣條件的影響（例如：進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力等）。其中，溫度降低，喘振線上移；溫度升高，喘振線下移。進(jìn)氣壓力升高，喘振線上移；進(jìn)氣壓力降低，喘振線下移。因此，為了使得防喘振的控制能適應(yīng)各種氣候條件，應(yīng)采用溫度、壓力補(bǔ)償?shù)乃惴ā?/p>

根據(jù)以上控制目標(biāo)及控制要求，防喘振控制器的主要功能為：

1）實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)的溫壓補(bǔ)償功能；

2）當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)達(dá)到報(bào)警線時(shí)，能實(shí)現(xiàn)喘振報(bào)警；

3）當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)靠近防喘振線時(shí)，防喘振放空閥打開放風(fēng)，消除喘振；

4）當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)入放風(fēng)線時(shí)，防喘振放空閥全開，緊急放風(fēng)；

5）實(shí)現(xiàn)防喘振放空閥的快開、慢關(guān)功能；

6）PID參數(shù)的自整定功能。

5 防喘振控制策略的實(shí)現(xiàn)

5.1 防喘振控制線的設(shè)計(jì)

圖1中，放空線（即喘振裕度）是由實(shí)測(cè)喘振線下移3%得到的，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)位于放空線下方時(shí)，防喘振閥關(guān)閉；若運(yùn)行點(diǎn)位于放空線上方，為防止喘振發(fā)生，防喘振閥全開。鼓風(fēng)機(jī)的防喘振控制線是由喘振線下移8%得到的，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)越過防喘振控制線進(jìn)入喘振區(qū)域時(shí)，控制器將發(fā)出喘振危險(xiǎn)信號(hào)，防喘振控制系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)防喘振閥放風(fēng)，使得出口壓力下降，流量上升，防止喘振發(fā)生。在喘振線的下方10%設(shè)置一報(bào)警線，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)接近報(bào)警線時(shí)，控制器發(fā)出接近喘振報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員注意。根據(jù)廠商提供的鼓風(fēng)特性曲線，即可確定放空線、防喘振控制線和報(bào)警線等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由鼓風(fēng)機(jī)出口壓力和鼓風(fēng)機(jī)入口流量構(gòu)成，根據(jù)該風(fēng)機(jī)喘振曲線比較平滑接近直線的特性，使它們以折線形式存儲(chǔ)，采用這樣方案，不僅計(jì)算簡(jiǎn)單，而且也能夠充分利用鼓風(fēng)機(jī)的有效運(yùn)行區(qū)域。

5.2 溫壓補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)

一般情況下，溫壓補(bǔ)償可以用下式［7］來實(shí)現(xiàn)：

式中：Qo為補(bǔ)償后流量值，m3／min；Qi為測(cè)量流量實(shí)際值，m3／min；Pi為測(cè)量壓力，kPa；P0為參比壓力，kPa；Ti為測(cè)量溫度，℃；T0為參比溫度，℃。

5.3 快開、慢關(guān)的設(shè)計(jì)

當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)，防喘振閥應(yīng)迅速開啟，然而隨著防喘振閥的開啟，運(yùn)行點(diǎn)將回到防喘振線的下方，此時(shí)防喘振閥在關(guān)閉過程中又應(yīng)放慢，即要求在打開、關(guān)閉防喘振閥的過程中，所用的速度是不一樣的。由于防喘振控制器“快開慢關(guān)”的要求，若采用傳統(tǒng)不改變比例項(xiàng)或積分項(xiàng)參數(shù)的PID算法，則防喘振閥開和關(guān)的速度應(yīng)該是相同的。因此，為了讓防喘振閥“快開慢關(guān)”的要求得以實(shí)現(xiàn)，可改變PID參數(shù)中的比例項(xiàng)或積分項(xiàng)。而在本文的防喘振閥“快開慢關(guān)”控制中，主要是通過比例增益P的折線運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，即通過偏差e的限定范圍，改變?cè)鲆鍼的值。

5.4 防喘振控制的實(shí)現(xiàn)

鼓風(fēng)機(jī)防喘振的軟件實(shí)現(xiàn)采用模塊化程序的設(shè)計(jì)方法，分別由模擬量的輸入、輸出處理模塊、防喘振控制線函數(shù)發(fā)生器、比較器模塊、PID調(diào)節(jié)控制等部分組成（見圖3）。其中，將測(cè)量到的入口流量Q在進(jìn)行溫壓補(bǔ)償運(yùn)算后，所得的流量值經(jīng)過折線運(yùn)算后得到的出口壓力作為PID控制的設(shè)定值SP，并以此來控制測(cè)量值出口壓力PV。防喘振控制的偏差e＝SP－PV即為出口壓力的控制偏差。當(dāng)風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，則它的運(yùn)行點(diǎn)應(yīng)該在圖1中防喘振線的下方，此時(shí)偏差e＞0；若運(yùn)行點(diǎn)在防喘振線上方，此時(shí)偏差e≤0，則控制防喘振閥的開度［8］。

圖3中，P1，P2，P3分別為風(fēng)機(jī)出口壓力P經(jīng)過放空線、防喘振線、報(bào)警線函數(shù)發(fā)生器運(yùn)算后的壓力。在PLC的各種編程語(yǔ)言中，連續(xù)功能圖（continuous function chart，CFC）［9］不 僅 具 有PLC典型的元素（例如：輸入／輸出、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和符號(hào)表等），而且具有圖形化編程語(yǔ)言的特性，非常適合處理過程控制和系統(tǒng)工程的任務(wù)。而結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言（SCL）的特性與計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言非常相似，是一種基于PASCAL的高級(jí)編程語(yǔ)言，其具有循環(huán)、數(shù)組、選擇、分支和高級(jí)函數(shù)等特性，因此適合處理復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)、復(fù)雜運(yùn)算功能、數(shù)據(jù)管理和過程優(yōu)化等任務(wù)［10］。

圖3 防喘振控制流程圖Fig.3 Flow chart of anti－surge control

基于上述CFC和SCL編程語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，鼓風(fēng)機(jī)防喘振的邏輯組態(tài)則采用CFC＋SCL編程形式，即在SIEMENS STEP 7中使用結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言（SCL）設(shè)置函數(shù)發(fā)生器功能塊，使它們以折線函數(shù)表的形式儲(chǔ)存，然后，在CFC編輯器中，使用這些已經(jīng)制作好的具有特定的功能塊進(jìn)行工作，將這些功能塊放置到CFC圖中，并將相應(yīng)的參數(shù)互連。其中，溫壓補(bǔ)償功能塊FB5的程序如下：

6 結(jié)論

針對(duì)硫磺回收裝置中的鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)了一套防喘振控制系統(tǒng)，且將先進(jìn)的S7－400FH應(yīng)用到硫磺回收裝置上，具有良好的可靠性和安全性，可以避免鼓風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生喘振。該防喘振控制系統(tǒng)不僅能夠很好地檢測(cè)喘振的發(fā)生，適時(shí)報(bào)警，引起工作人員的注意，而且能夠及時(shí)的消除喘振，確保鼓風(fēng)機(jī)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

［1］馬鑫.硫磺回收裝置工藝方案確定及設(shè)備選擇［D］.北京：中國(guó)石油大學(xué)，2007.

［2］陳賡良，肖學(xué)蘭，楊仲熙，等.克勞斯法硫磺回收工藝技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［3］袁國(guó)利，郎兵.三冗余PLC在壓縮機(jī)防喘振控制中的應(yīng)用研究［J］.自動(dòng)化儀表，2011，32（1）：54－57.

［4］張俊.高爐鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制策略研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

［5］SIEMENS.西門子冗余系統(tǒng)指南［M］.北京：西門子（中國(guó)）有限公司，2008.

［6］張婉悅，唐健，孫以雷，等.污水處理過程中鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（2）：217－218.

［7］楊春來.S7－400FH在廣石化硫磺回收ESD中的應(yīng)用［D］.天津：天津大學(xué)，2006.

［8］程冠軍，劉建宇.探討TMR三重化冗余TRICON緊急停車系統(tǒng)應(yīng)用程序轉(zhuǎn)化和移植問題［J］.數(shù)字石油和化工，2008（8）：31－39.

［9］Simens.SIMATIC CFC for SIMATIC S7［Z］.SIEMENS AG，2006.

［10］張春.西門子STEP－7編程語(yǔ)言與使用技巧［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.