基于TRICON控制系統(tǒng)防喘振控制算法

李明輝　金千山

摘 要： 喘振是造成壓縮機(jī)損壞的重要原因，在此針對某廠70萬噸/年烯烴項目，根據(jù)丙烯工藝流程， 設(shè)計了一套壓縮機(jī)的防喘振控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以TRIEW軟件為人機(jī)界面，利用TRICON獨有的防喘振控制軟件包，將喘振PID控制、喘振超馳、手動控制算法相結(jié)合，通過喘振PID參數(shù)的在線優(yōu)化，有效地實現(xiàn)了壓縮機(jī)的防喘振控制，現(xiàn)場實際運行結(jié)果表明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時，驗證了該喘振控制算法的有效性。

關(guān)鍵詞： TRICON； 防喘振控制； 離心壓縮機(jī)； PID

中圖分類號： TN919?34； TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0032?03

0 引 言

離心壓縮機(jī)以其運行效率高、易損件少、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點，在石油化工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并且已經(jīng)成為工藝設(shè)備的核心[1]。因此，一旦壓縮機(jī)損壞，將造成巨大損失甚至人員傷亡。

喘振是壓縮機(jī)本身固有的特性，是造成壓縮機(jī)損壞的重要原因之一，因此，怎樣避免喘振的發(fā)生，得到喘振的最優(yōu)控制方案，一直是各控制系統(tǒng)廠家（Man Turbo 的Turbolog DSP系統(tǒng)、Nuovo Pig none 公司的UNICOS系統(tǒng)、TRICONEX的ITCC控制系統(tǒng)等[2]）研究的熱點問題，很多不同的防喘振控制方案也不斷涌出[3?5]。

本文以某廠70萬噸/年烯烴項目為例，根據(jù)其工藝流程，論述了TRICON控制系統(tǒng)防喘振控制的原理，實際運行結(jié)果表明了該控制方案的有效性。

1 壓縮機(jī)工藝流程及控制系統(tǒng)介紹

1.1 壓縮機(jī)工藝流程

本項目使用汽輪機(jī)驅(qū)動離心壓縮機(jī)，丙烯為介質(zhì)，通過壓縮、用水冷凝、節(jié)流降壓蒸發(fā)，達(dá)到制冷效果，提供冷量給低溫甲醇系統(tǒng)中的各冷器補償系統(tǒng)冷量損失[6]，其壓縮機(jī)部分的工藝流程如圖1所示（埃利奧特組廠家提供）。

1.2 TRICON 控制系統(tǒng)設(shè)計

該控制系統(tǒng)的硬件由TRICONEX公司提供的具有三重冗余結(jié)構(gòu)的控制器和工控機(jī)組成，其中，控制器的輸入模件到MP到輸出模件完全的三重化，因此，其具有超強(qiáng)的診斷、在線維修，無單點故障等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制系統(tǒng)的軟件由上位軟件TRIEW和下位軟件1131組成，開發(fā)系統(tǒng)是其應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境。其中上位軟件TRIEW通過OPC與控制器和下位軟件進(jìn)行通信。

TRIEW軟件由開發(fā)系統(tǒng)和運行兩系統(tǒng)部分組成。開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)是各自獨立的 32 位應(yīng)用程序，均可單獨使用；兩個系統(tǒng)又相互依存，在開發(fā)系統(tǒng)中開發(fā)的應(yīng)用程序必須在運行環(huán)境中才能運行。開發(fā)者在這個環(huán)境中完成圖形界面的設(shè)計、數(shù)據(jù)庫定義、動畫鏈接等。開發(fā)系統(tǒng)具有先進(jìn)完善的圖形生成功能；數(shù)據(jù)庫中有多種數(shù)據(jù)類型，能合理地抽象控制對象的特性，對數(shù)據(jù)的報警、趨勢曲線、歷史數(shù)據(jù)記錄、安全管理等重要功能有簡單的操作辦法。利用圖形控件功能可以大大減少界面的設(shè)計時間，加快軟件的開發(fā)進(jìn)度。1131軟件獲得T?V 認(rèn)證的系統(tǒng)支持軟件，其支持函數(shù)方塊圖（FBD）、梯形圖（LD）、結(jié)構(gòu)文本（ST）、因果矩陣（CEM） 語言。具有離線組態(tài)編程、離線仿真與監(jiān)控、在線程序監(jiān)控、支持在線程序修改等優(yōu)點。

2 TRICON控制系統(tǒng)的防喘振控制

這套丙烯壓縮機(jī)控制系統(tǒng)利用TRICON控制系統(tǒng)具有特定功能的獨立模塊間的相互配合，確保了防喘閥及時打開，從而避免喘振的發(fā)生由機(jī)組廠家提供的PID流程（見圖1）可知，該壓縮機(jī)由3段組成。本文以壓縮機(jī)一段喘振控制為例，闡述TRICON控制系統(tǒng)的防喘振控制算法，其主要根據(jù)PID流程及壓力、溫度、流量傳感器測量值和TRICON的功能塊實現(xiàn)了防喘振控制。

2.1 喘振控制線及操作點的計算

壓縮機(jī)制造商的喘振曲線轉(zhuǎn)換為以壓比和吸入端壓力為縱橫坐標(biāo)的圖表。這些數(shù)值輸入到Triconex 標(biāo)準(zhǔn)喘振控制算法里，可確定喘振點。喘振線上增加可調(diào)節(jié)安全裕度，產(chǎn)生流量設(shè)定點。流量與壓力變量可得出操作點，用來與喘振線做比較TRICON控制系統(tǒng)的通用喘振曲線選取[HrPs]百分比為橫坐標(biāo)，選取[PdPs]為縱坐標(biāo)，其利用通用喘振曲線計算控制線和操作點的具體步驟如下：

（1） 首先根據(jù)埃利奧特機(jī)組廠家提供的孔板流量計規(guī)格書、現(xiàn)場溫度、壓力測量值和TRICON的M_FLOW、HC_0401功能塊計算出補償后的質(zhì)量流量百分比，即操作點。

（2） 根據(jù)機(jī)組廠家提供的壓縮機(jī)性能曲線及壓力表，計算出實際的壓比和6個喘振點，將其作為SRGLN01_02功能塊的輸入從而計算出喘振線和實際壓比對應(yīng)喘振點。

（3） 利用實際操作點、功能塊SAFE_MAR功能塊和功能塊RECAL01_02計算出安全裕度MARGN，其中RECAL01_02具有校正裕度功能，每發(fā)生一次喘振，裕度增加2%。

利用步驟（3）計算的操作點，安全裕度和喘振線，根據(jù)以下公式便可計算出實際控制線：

控制線=喘振線+安全裕度

本項目根據(jù)壓縮機(jī)廠家提供的規(guī)格書，對一段喘振參數(shù)計算結(jié)果如下：

其中變量MFLOW_max 1，P_fob，T_fob M為功能塊M_FLOW入口參數(shù)；MFLOW_max2，P_sb，T_sb為功能塊HC_0401入口參數(shù)。

利用上述參數(shù)計算的喘振線如圖3所示。

2.2 防喘振控制器的輸出計算

為了更安全、準(zhǔn)確地控制防喘振閥，TRICON控制系統(tǒng)利用其特有的獨立功能塊和3種不同的操作模式對防喘振閥進(jìn)行控制，其控制原理如圖4所示。

（1） 喘振PID和手動控制

TRICON控制器采用常規(guī)的PID算法，以SP_HOVER的輸出盤旋點作為喘振PID的設(shè)定值，利用計算出的安全裕度MARGN和優(yōu)化的PID參數(shù)，實現(xiàn)喘振控制。

喘振PID控制中，喘振參數(shù)的選取尤為重要，TRICON控制器利用功能塊ADPTV_T對其PID參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，通過實際校驗，本項目ADPTV_T功能塊的輸入?yún)?shù)選取為NOR_GN=0.1；GN_BK1=0.0；GN_RS1=0.1； GN_BK2=6.0；GN_RS1=0.0。TRICON喘振控制器利用MDRAMP功能塊實現(xiàn)喘振的手動控制，其功能具有快升、快降、慢升及慢降功能，本項目取快升和快/降按鈕為量程的2%，即每按一次升降按鈕，手動輸出增加/減少量程的2%。而慢升和慢降按鈕為量程的1%，即每按一次升降速按鈕，手動輸出增加/減少量程的1%，其操作如圖5所示。

（2） 喘振超馳控制

常規(guī)PID 經(jīng)常因為較大的過程參數(shù)而在喘振將要發(fā)生時動作過慢，為了確保防喘閥及時打開。作為常規(guī) PID 喘振控制算法的補充，TRICON操作控制器還有喘振超馳功能，利用功能塊SRG_OVD，對防喘閥實施及時有效的控制。此功能塊將會按操作點移動至作用區(qū)內(nèi)的比例來打開防喘閥（見圖6）。從喘振線到喘振控制線70%處為超馳功能作用區(qū)間。當(dāng)操作點位于此區(qū)間左側(cè)，即喘振線上或向左越過喘振線時，超馳作用輸出為它的最大值，即防喘閥100%全開。當(dāng)操作點位于作用區(qū)間最右側(cè)時，超馳作用輸出為最小，即0%，防喘閥關(guān)閉。當(dāng)操作點位于作用區(qū)之間時，超馳作用按操作點的位置按比例輸出控制值。喘振控制器在喘振超馳和喘振PID 間進(jìn)行高選。所以只有在喘振PID 動作過慢的時候喘振超馳才會起作用，此時，喘振PID 的輸出結(jié)果追蹤喘振超馳的輸出。

TRICON控制系統(tǒng)利用功能塊PID_SRG，PID_SRG，MDRAMP，SRG_OVD的輸出，作為功能塊VLV_SEL的輸入，從而計算出喘振控制器的輸出，其根據(jù)不同的操作模式，選擇不同的輸出值控制防喘振閥，具體控制器輸出如下所述。

利用TRICON防喘振控制算法，喘振控制器輸出計算出之后，利用TRICON AO輸出卡鍵，將整形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號，送給喘振閥，有效地實現(xiàn)防喘振控制。

3 結(jié) 語

針對某廠70萬噸/年烯烴項目，利用TRIEW軟件和TRICON獨有防喘振控制軟件包，設(shè)計一套壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)。為使復(fù)雜算法產(chǎn)生的程序錯誤率更低、更易進(jìn)行錯誤診斷且更易理解，在防喘振控制程序中，Triconex控制系統(tǒng)使用了具有特定功能若干獨立模塊對防喘閥進(jìn)行控制，實際的運行數(shù)據(jù)及結(jié)果表明了該系統(tǒng)不但降低了運行成本，而且具有更好的可靠性和實時性。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀代芳.離心壓縮機(jī)的防喘振控制[J].化工自動化及儀表，2011（3）：90?92.

[2] 何謙，馬志勇.離心壓縮機(jī)的防喘振控制[J].瀘天化科技，2005（7）：6?9.

[3] 褚菲，王福利，王小剛，等.建多級離心壓縮機(jī)防喘模型與防喘控制策略[J]控制與決策，2013，28（3）：439?444.

[4] 沙宇.空氣壓縮機(jī)防喘振優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界， 2013（7）：19?21.

[5] 王飛.基于壓縮機(jī)喘振與3C防喘振控制器在空壓機(jī)上的設(shè)計策略[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013（3）：77?80.

[6] 靳伍銀.離心壓縮機(jī)的防喘振控制[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報， 2007，33（3）：42?45.

喘振PID控制中，喘振參數(shù)的選取尤為重要，TRICON控制器利用功能塊ADPTV_T對其PID參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，通過實際校驗，本項目ADPTV_T功能塊的輸入?yún)?shù)選取為NOR_GN=0.1；GN_BK1=0.0；GN_RS1=0.1； GN_BK2=6.0；GN_RS1=0.0。TRICON喘振控制器利用MDRAMP功能塊實現(xiàn)喘振的手動控制，其功能具有快升、快降、慢升及慢降功能，本項目取快升和快/降按鈕為量程的2%，即每按一次升降按鈕，手動輸出增加/減少量程的2%。而慢升和慢降按鈕為量程的1%，即每按一次升降速按鈕，手動輸出增加/減少量程的1%，其操作如圖5所示。

（2） 喘振超馳控制

常規(guī)PID 經(jīng)常因為較大的過程參數(shù)而在喘振將要發(fā)生時動作過慢，為了確保防喘閥及時打開。作為常規(guī) PID 喘振控制算法的補充，TRICON操作控制器還有喘振超馳功能，利用功能塊SRG_OVD，對防喘閥實施及時有效的控制。此功能塊將會按操作點移動至作用區(qū)內(nèi)的比例來打開防喘閥（見圖6）。從喘振線到喘振控制線70%處為超馳功能作用區(qū)間。當(dāng)操作點位于此區(qū)間左側(cè)，即喘振線上或向左越過喘振線時，超馳作用輸出為它的最大值，即防喘閥100%全開。當(dāng)操作點位于作用區(qū)間最右側(cè)時，超馳作用輸出為最小，即0%，防喘閥關(guān)閉。當(dāng)操作點位于作用區(qū)之間時，超馳作用按操作點的位置按比例輸出控制值。喘振控制器在喘振超馳和喘振PID 間進(jìn)行高選。所以只有在喘振PID 動作過慢的時候喘振超馳才會起作用，此時，喘振PID 的輸出結(jié)果追蹤喘振超馳的輸出。

TRICON控制系統(tǒng)利用功能塊PID_SRG，PID_SRG，MDRAMP，SRG_OVD的輸出，作為功能塊VLV_SEL的輸入，從而計算出喘振控制器的輸出，其根據(jù)不同的操作模式，選擇不同的輸出值控制防喘振閥，具體控制器輸出如下所述。

利用TRICON防喘振控制算法，喘振控制器輸出計算出之后，利用TRICON AO輸出卡鍵，將整形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號，送給喘振閥，有效地實現(xiàn)防喘振控制。

3 結(jié) 語

針對某廠70萬噸/年烯烴項目，利用TRIEW軟件和TRICON獨有防喘振控制軟件包，設(shè)計一套壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)。為使復(fù)雜算法產(chǎn)生的程序錯誤率更低、更易進(jìn)行錯誤診斷且更易理解，在防喘振控制程序中，Triconex控制系統(tǒng)使用了具有特定功能若干獨立模塊對防喘閥進(jìn)行控制，實際的運行數(shù)據(jù)及結(jié)果表明了該系統(tǒng)不但降低了運行成本，而且具有更好的可靠性和實時性。

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[6] 靳伍銀.離心壓縮機(jī)的防喘振控制[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報， 2007，33（3）：42?45.

喘振PID控制中，喘振參數(shù)的選取尤為重要，TRICON控制器利用功能塊ADPTV_T對其PID參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，通過實際校驗，本項目ADPTV_T功能塊的輸入?yún)?shù)選取為NOR_GN=0.1；GN_BK1=0.0；GN_RS1=0.1； GN_BK2=6.0；GN_RS1=0.0。TRICON喘振控制器利用MDRAMP功能塊實現(xiàn)喘振的手動控制，其功能具有快升、快降、慢升及慢降功能，本項目取快升和快/降按鈕為量程的2%，即每按一次升降按鈕，手動輸出增加/減少量程的2%。而慢升和慢降按鈕為量程的1%，即每按一次升降速按鈕，手動輸出增加/減少量程的1%，其操作如圖5所示。

（2） 喘振超馳控制

常規(guī)PID 經(jīng)常因為較大的過程參數(shù)而在喘振將要發(fā)生時動作過慢，為了確保防喘閥及時打開。作為常規(guī) PID 喘振控制算法的補充，TRICON操作控制器還有喘振超馳功能，利用功能塊SRG_OVD，對防喘閥實施及時有效的控制。此功能塊將會按操作點移動至作用區(qū)內(nèi)的比例來打開防喘閥（見圖6）。從喘振線到喘振控制線70%處為超馳功能作用區(qū)間。當(dāng)操作點位于此區(qū)間左側(cè)，即喘振線上或向左越過喘振線時，超馳作用輸出為它的最大值，即防喘閥100%全開。當(dāng)操作點位于作用區(qū)間最右側(cè)時，超馳作用輸出為最小，即0%，防喘閥關(guān)閉。當(dāng)操作點位于作用區(qū)之間時，超馳作用按操作點的位置按比例輸出控制值。喘振控制器在喘振超馳和喘振PID 間進(jìn)行高選。所以只有在喘振PID 動作過慢的時候喘振超馳才會起作用，此時，喘振PID 的輸出結(jié)果追蹤喘振超馳的輸出。

TRICON控制系統(tǒng)利用功能塊PID_SRG，PID_SRG，MDRAMP，SRG_OVD的輸出，作為功能塊VLV_SEL的輸入，從而計算出喘振控制器的輸出，其根據(jù)不同的操作模式，選擇不同的輸出值控制防喘振閥，具體控制器輸出如下所述。

利用TRICON防喘振控制算法，喘振控制器輸出計算出之后，利用TRICON AO輸出卡鍵，將整形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號，送給喘振閥，有效地實現(xiàn)防喘振控制。

3 結(jié) 語

針對某廠70萬噸/年烯烴項目，利用TRIEW軟件和TRICON獨有防喘振控制軟件包，設(shè)計一套壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)。為使復(fù)雜算法產(chǎn)生的程序錯誤率更低、更易進(jìn)行錯誤診斷且更易理解，在防喘振控制程序中，Triconex控制系統(tǒng)使用了具有特定功能若干獨立模塊對防喘閥進(jìn)行控制，實際的運行數(shù)據(jù)及結(jié)果表明了該系統(tǒng)不但降低了運行成本，而且具有更好的可靠性和實時性。

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