氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制算法研究

盧江波，翟紅波

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176)

大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式壓縮機(jī)[1]作為一種常見的化工機(jī)械設(shè)備，在化工、石油煉制、冶金、化肥等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，主要作用是壓縮并輸送工藝介質(zhì)，是企業(yè)工藝生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備，同時(shí)也是電能高消耗的設(shè)備，耗電量約占整個(gè)裝置耗電量的30%。在生產(chǎn)條件正常情況下，往復(fù)機(jī)出口流量是基本保持不變的，但由于生產(chǎn)需要，生產(chǎn)單位的工藝需求經(jīng)常變動(dòng)，因而用氣量就會有變化，往復(fù)機(jī)在使用過程中往往要滿足不同工況的流量要求，當(dāng)生產(chǎn)單位的工藝下游需要的氣量小于往復(fù)機(jī)實(shí)際排出的氣量時(shí)，就需要對往復(fù)機(jī)的排氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到往復(fù)機(jī)的實(shí)際排氣量以適應(yīng)需氣量要求的目的，滿足生產(chǎn)單位工藝需求[2-5]。

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)[6]既可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)機(jī)氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，又可以最大限度地節(jié)省電能消耗。目前，國內(nèi)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)的往復(fù)機(jī)投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)量越來越多，為保證現(xiàn)場往復(fù)機(jī)可靠連續(xù)運(yùn)行，對氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制性能提出了很高的要求。本文通過控制算法設(shè)計(jì)研究，對投用氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的往復(fù)機(jī)啟停邏輯、氣量調(diào)節(jié)控制算法、穩(wěn)定壓比等控制性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由PLC控制單元[7-8]、液壓系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和中控操作單元組成，如圖1所示。中控操作單元輸出往復(fù)機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)信號(4～20 mA)至PLC，由PLC根據(jù)接收到的負(fù)荷調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)化成頂開往復(fù)機(jī)進(jìn)氣閥的持續(xù)時(shí)間信號，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到該信號后，適時(shí)地打開或關(guān)閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)電磁閥，從而接通或斷開來自液壓系統(tǒng)的高壓液壓油，以控制強(qiáng)制頂開進(jìn)氣閥的時(shí)間，進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)往復(fù)機(jī)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。由于往復(fù)機(jī)的指示功耗與實(shí)際容積流量成正比，因此氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以最大限度地節(jié)省能源。

圖1 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成示意

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理為“回流省功”，如圖2所示，即活塞在往復(fù)機(jī)氣缸的一個(gè)正常工作循環(huán)(包括： 膨脹過程A～B，進(jìn)氣過程B～C，壓縮過程C～D，排氣過程D～A)基礎(chǔ)上，當(dāng)投入氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，進(jìn)氣閥在進(jìn)氣過程結(jié)束后由于在執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用下仍被強(qiáng)制地保持開啟狀態(tài)，因此壓縮過程并不能沿原壓縮曲線由位置C到位置D，而是由位置C先到達(dá)位置E(回流過程)，在這個(gè)過程中，吸入氣缸中的部分氣體會通過被強(qiáng)制頂開的進(jìn)氣閥側(cè)回流到進(jìn)氣管路中而不被壓縮，往復(fù)機(jī)氣缸內(nèi)的活塞做功要比往復(fù)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)小的多，待活塞運(yùn)動(dòng)到特定的位置E時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)使強(qiáng)制頂開進(jìn)氣閥的外力消失，進(jìn)氣閥的閥片在彈簧力的作用下回落到閥座上而關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著位置E到達(dá)位置F，氣體達(dá)到排氣壓力后，排氣閥打開，氣體通過排氣閥進(jìn)入下游工藝。

圖2 “回流省功”工作原理示意

2 控制算法設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

PLC控制單元是氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心部分，對實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用，其工作原理如圖3所示。

圖3 PLC控制單元工作原理示意

由圖3可知，通過上死點(diǎn)傳感器獲取往復(fù)機(jī)氣缸內(nèi)活塞的實(shí)時(shí)位置，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)至上死點(diǎn)位置時(shí)，上死點(diǎn)傳感器會發(fā)出一個(gè)脈沖信號，傳入PLC中， PLC控制單元的同步周期調(diào)整模塊根據(jù)接收到的脈沖信號計(jì)算出往復(fù)機(jī)的實(shí)時(shí)周期值，然后傳入PID控制回路中，參與頂開進(jìn)氣閥持續(xù)時(shí)間的計(jì)算。

同時(shí)，PLC將采集到的主控變量(進(jìn)氣壓力、排氣壓力、流量等)過程數(shù)據(jù)和輔控變量(級間壓力)過程數(shù)據(jù)先進(jìn)行濾波處理，然后與中控室操作單元中主控變量和輔控變量設(shè)定值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將處理后的數(shù)值經(jīng)過PID控制回路，結(jié)合計(jì)算出的往復(fù)機(jī)實(shí)時(shí)周期值，確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥打開時(shí)刻值和持續(xù)打開時(shí)間值(即進(jìn)氣閥持續(xù)頂開時(shí)間值)，PLC輸出控制信號作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥，使得電磁閥打開，液壓系統(tǒng)的高壓液壓油進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而頂開往復(fù)機(jī)的進(jìn)氣閥，當(dāng)滿足工藝所需氣量時(shí)，PLC輸出關(guān)閉電磁閥的控制信號，斷開液壓系統(tǒng)的高壓液壓油，進(jìn)氣閥關(guān)閉，再進(jìn)行壓縮排氣的工作過程，從而實(shí)現(xiàn)氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)和減少往復(fù)機(jī)壓縮做功，達(dá)到往復(fù)機(jī)節(jié)省電能消耗的目的。

2.2 上死點(diǎn)信號采集和同步周期計(jì)算

因?yàn)闅饬繜o級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在往復(fù)機(jī)的每個(gè)工作周期內(nèi)都要進(jìn)行頂開進(jìn)氣閥動(dòng)作，與往復(fù)機(jī)工作周期要保持同步，所以需要監(jiān)測氣缸內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)位置，從而確定氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制起始點(diǎn)和計(jì)算往復(fù)機(jī)實(shí)時(shí)工作周期。

一般情況下，當(dāng)往復(fù)機(jī)氣缸內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)至氣缸上死點(diǎn)位置時(shí)，在往復(fù)機(jī)飛輪側(cè)安裝一個(gè)上死點(diǎn)傳感器和感應(yīng)體。在往復(fù)機(jī)飛輪每一轉(zhuǎn)里，上死點(diǎn)傳感器會感應(yīng)到感應(yīng)體的到來，傳送一個(gè)脈沖信號至PLC，由于控制系統(tǒng)的精度很大程度上受上死點(diǎn)傳感器位置的影響，該點(diǎn)必須盡可能找準(zhǔn)。

由于往復(fù)機(jī)工作轉(zhuǎn)速較快，所以PLC采集上死點(diǎn)信號采用高速計(jì)數(shù)功能模塊，往復(fù)機(jī)工作周期計(jì)算采用循環(huán)中斷模塊，均是獨(dú)立于CPU程序掃描時(shí)間。當(dāng)PLC接收到上死點(diǎn)信號后，執(zhí)行高速計(jì)數(shù)功能模塊，調(diào)用“CTRL_HSC”程序塊，模式為單相向上計(jì)數(shù)，內(nèi)部控制，無外部輸入，設(shè)定合適的計(jì)數(shù)初值和復(fù)位組態(tài)，采用硬件中斷組態(tài)方式，高速計(jì)數(shù)識別號為257，通過上死點(diǎn)信號可以實(shí)時(shí)監(jiān)控氣缸內(nèi)活塞位置信息，確定氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制起始點(diǎn)。

PLC控制單元計(jì)算往復(fù)機(jī)實(shí)時(shí)工作周期采用的方法為“間隔法”，即通過采集到的兩個(gè)上死點(diǎn)信號的時(shí)間間隔確定往復(fù)機(jī)周期值。PLC采用循環(huán)中斷功能模塊，循環(huán)中斷時(shí)間設(shè)置為1 ms，計(jì)算的往復(fù)機(jī)周期值在高速計(jì)數(shù)功能模塊中進(jìn)行提取和復(fù)位，根據(jù)往復(fù)機(jī)工作周期變化進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，確保氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制時(shí)間與往復(fù)機(jī)工作周期實(shí)時(shí)同步。

2.3 多級壓縮控制邏輯和控制模式設(shè)計(jì)

因?yàn)橥鶑?fù)機(jī)大多為多級壓縮，所以多級壓縮控制邏輯對于實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)高精度、穩(wěn)定壓縮機(jī)級間壓比至關(guān)重要。PLC可以將排氣壓力、進(jìn)氣壓力、流量等作為主控變量，在往復(fù)機(jī)的每一級均需配置一個(gè)PI控制回路，第一級根據(jù)主控變量進(jìn)行控制，各級級間壓力可被選擇成后面各級的輔控變量。由中控操作單元輸出實(shí)際需要的氣量，傳遞到PLC中與實(shí)測的氣量進(jìn)行PI運(yùn)算，由PLC輸出控制頂開進(jìn)氣閥的時(shí)間信號。

多級壓縮控制邏輯設(shè)計(jì)如圖4和圖5所示(以兩級壓縮為例)。

圖4 第一路控制回路控制第二級排氣壓力邏輯示意

圖5 第二路控制回路控制第二級進(jìn)氣壓力邏輯示意

PLC的控制模式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制模式： 一級負(fù)荷用給定的負(fù)荷調(diào)節(jié)值直接控制；二級負(fù)荷根據(jù)二級壓力給定值(通過式(1)計(jì)算)和實(shí)際值的偏差由第二路PI控制回路控制。自動(dòng)控制模式： 一級負(fù)荷根據(jù)二級出口壓力給定值和實(shí)際值的偏差由第一路PI控制回路控制；二級負(fù)荷給定值與手動(dòng)模式相同。

(1)

式中：pS2——二級進(jìn)氣壓力，MPa(A)；pS1——一級進(jìn)氣壓力，MPa(A)；pD2——二級排氣壓力，MPa(A)；CS2——矯正系數(shù)，一般取值范圍為1.0～1.1。

由于往復(fù)機(jī)級間壓力冷卻會帶來壓力降，所以矯正系數(shù)主要在優(yōu)化設(shè)定值的過程中進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

2.4 頂開進(jìn)氣閥時(shí)間控制算法設(shè)計(jì)

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是通過PLC輸出的脈沖信號打開執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)電磁閥，使得液壓系統(tǒng)的高壓液壓油作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而頂開進(jìn)氣閥，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制頂開進(jìn)氣閥的目的。

通過控制頂開進(jìn)氣閥時(shí)間的長短來實(shí)現(xiàn)往復(fù)機(jī)氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，減少壓縮做功。一級進(jìn)氣閥頂開時(shí)間是根據(jù)往復(fù)機(jī)主控變量實(shí)際采集值與主控變量設(shè)定值的偏差，利用PLC中的PI控制算法獲得的，二級及以上進(jìn)氣閥頂開時(shí)間是根據(jù)輔控變量(級間壓力)實(shí)際采集值與輔控變量設(shè)定值的偏差，利用PLC中的PI控制算法獲得的。各級頂開時(shí)間在往復(fù)機(jī)工作周期25%T～75%T內(nèi)變化，T為往復(fù)機(jī)工作周期。

往復(fù)機(jī)氣缸的蓋側(cè)和軸側(cè)均布置進(jìn)氣閥，在往復(fù)機(jī)工作周期0～25%T內(nèi)，往復(fù)機(jī)氣缸蓋側(cè)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥是關(guān)閉的；當(dāng)達(dá)到25%T時(shí)刻，蓋側(cè)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥開始打開，頂開蓋側(cè)端進(jìn)氣閥，當(dāng)達(dá)到75%T時(shí)刻后，軸側(cè)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥開始打開，并頂開軸側(cè)端進(jìn)氣閥，蓋側(cè)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥和軸側(cè)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥輸出的脈沖信號頂開時(shí)間是一致的。但軸側(cè)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥的輸出信號要比蓋側(cè)端輸出信號落后50%T。

頂開時(shí)間可以根據(jù)式(2)確定：

t=-50%TP0+75%T+K

(2)

式中：t——進(jìn)氣閥的頂開時(shí)間；P0——往復(fù)機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)值，取值范圍為[0，1]；K——時(shí)間調(diào)整系數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

3 運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)

由于往復(fù)機(jī)作為企業(yè)的核心裝置，在往復(fù)機(jī)上投用氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，需要對該系統(tǒng)的運(yùn)行制定嚴(yán)格的運(yùn)行邏輯，尤其是當(dāng)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后必須能夠可靠地聯(lián)鎖切除，對往復(fù)機(jī)的正常運(yùn)行不能產(chǎn)生任何影響，保證裝置的正常生產(chǎn)。

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯在PLC控制單元中實(shí)現(xiàn)。氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三種運(yùn)行邏輯： 全行程運(yùn)行邏輯(往復(fù)機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)和切換機(jī)時(shí)使用)、部分行程運(yùn)行邏輯(自動(dòng)或手動(dòng)方式調(diào)節(jié)往復(fù)機(jī)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)氣量無級調(diào)節(jié))和切除邏輯(人為切除和故障聯(lián)鎖切除)。

3.1 全行程運(yùn)行邏輯

全行程運(yùn)行邏輯有三種運(yùn)行方式，分別為零負(fù)荷運(yùn)行、50%負(fù)荷運(yùn)行、滿負(fù)荷運(yùn)行方式，主要用于往復(fù)機(jī)的啟機(jī)、停機(jī)和往復(fù)機(jī)切換用，保證往復(fù)機(jī)啟機(jī)、停機(jī)和切換能夠平穩(wěn)地運(yùn)行。全行程運(yùn)行邏輯如圖6所示。

圖6 全行程運(yùn)行邏輯示意

3.2 部分行程運(yùn)行邏輯

當(dāng)往復(fù)式壓縮機(jī)工作在100%負(fù)荷下，即氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)全行程運(yùn)行邏輯結(jié)束后，氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)切入部分行程運(yùn)行邏輯，有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”兩種運(yùn)行方式，主要用于實(shí)現(xiàn)往復(fù)機(jī)的氣量連續(xù)調(diào)節(jié)。部分行程運(yùn)行邏輯如圖7所示。

圖7 部分行程運(yùn)行邏輯示意

3.3 切除邏輯

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要具備正常切除和故障聯(lián)鎖切除功能： 正常切除是用于往復(fù)機(jī)維護(hù)時(shí)期，氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)人為地進(jìn)行切除；故障聯(lián)鎖切除是用于氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障信息時(shí)，需能夠自動(dòng)切除液壓油站，往復(fù)機(jī)會恢復(fù)到原控制方案，不影響往復(fù)機(jī)正常運(yùn)行。氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)切除邏輯如圖8所示。

圖8 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)切除邏輯示意

4 應(yīng) 用

在型號為4K-165MG-42/0.75-22迷宮式活塞壓縮機(jī)組上驗(yàn)證了氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制算法和運(yùn)行邏輯，該機(jī)組為四列兩級立式壓縮，氣缸為無油潤滑，水冷式雙作用，工藝氣為丙烯氣，往復(fù)機(jī)主要參數(shù)見表1所列，往復(fù)機(jī)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)見表2所列。

表1 往復(fù)機(jī)主要參數(shù)

表2 往復(fù)機(jī)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)

在該機(jī)組上投用了氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，往復(fù)機(jī)啟機(jī)、停機(jī)和切換機(jī)邏輯采用全行程運(yùn)行邏輯，往復(fù)機(jī)按零負(fù)荷—50%負(fù)荷—滿負(fù)荷步驟啟動(dòng)(或滿負(fù)荷—50%負(fù)荷—零負(fù)荷步驟停機(jī))，減小了驅(qū)動(dòng)電機(jī)瞬間啟動(dòng)電流，對往復(fù)機(jī)啟機(jī)、停機(jī)和切換機(jī)過程起到了保護(hù)作用。

當(dāng)往復(fù)機(jī)達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定后，氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用部分行程運(yùn)行邏輯，先進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，逐漸降低往復(fù)機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)值，往復(fù)機(jī)旁路閥開度隨著負(fù)荷調(diào)節(jié)值的降低而逐漸減小，當(dāng)旁路閥開度減小為零時(shí)，該系統(tǒng)手動(dòng)操作切換為自動(dòng)操作；根據(jù)工藝生產(chǎn)要求，主控變量為一級進(jìn)氣壓力，設(shè)定值為0.062 MPa，級間壓力根據(jù)式(1)計(jì)算求得設(shè)定值為0.048 MPa，維持往復(fù)機(jī)正常壓比；PLC根據(jù)壓力設(shè)定值進(jìn)行PI運(yùn)算，再根據(jù)式(2)確定頂開進(jìn)氣閥的持續(xù)時(shí)間，使得一級進(jìn)氣壓力和二級進(jìn)氣壓力維持在設(shè)定值附近，控制壓力誤差不大于±2%，滿足控制性能要求。

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行階段又分別調(diào)試了故障切除運(yùn)行邏輯和維護(hù)切除運(yùn)行邏輯，均滿足現(xiàn)場使用要求。當(dāng)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)切除后，往復(fù)機(jī)恢復(fù)到原控制方案(旁路閥控制)，不影響往復(fù)機(jī)正常生產(chǎn)。氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)正式投用后，根據(jù)往復(fù)機(jī)配電箱中安裝的電表讀數(shù)和往復(fù)機(jī)主電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的變化，每月往復(fù)機(jī)節(jié)電費(fèi)用約4萬元人民幣，節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)束語

在迷宮式活塞壓縮機(jī)組上的應(yīng)用驗(yàn)證了氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制性能優(yōu)，調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)速度快，減小了現(xiàn)場活塞機(jī)啟停機(jī)時(shí)的設(shè)備沖擊。當(dāng)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，也可以智能聯(lián)鎖切除，不影響往復(fù)機(jī)正常運(yùn)行，節(jié)電效果好，投資回報(bào)率高。