梅鋼煤氣加壓機組的三電控制設計

李永剛

（上海梅山工業民用工程設計研究院有限公司，江蘇南京 210039）

1 簡要工藝流程

1.1 主要工藝設備

現煤氣加壓車間有貫通的加壓機廠房一座，廠房內由東到西依次布置有AII1200型離心式混合煤氣加壓機3臺，D700-12-2型混合煤氣加壓機3臺，及L48x66WD-1型羅茨焦爐煤氣加壓機2臺。

2臺羅茨焦爐煤氣加壓機一用一備，出口壓力為0.06 MPa，最大送氣能力為4500 m3/h，擔負著部分生活用城市煤氣、鋼廠RH爐等火炬點火用氣的供氣任務。

隨著梅鋼的改造及擴建，現有2臺羅茨焦爐煤氣加壓機已不能滿足最終規模的需求，需進行改造，拆除1臺L48x66WD-1型羅茨煤氣加壓機和1臺D700-12-2型離心混合煤氣加壓機，新增2臺HL83WD型羅茨煤氣加壓機。

對于焦爐煤氣加壓機組，改造后共有3臺加壓機，分別為2臺新加壓機及1臺舊加壓機，正常工作時為2臺新加壓機一用一備的工作形式，1臺舊加壓機作為極端情況下的備用。

1.2 工藝流程

改造后的3臺加壓機并聯布置，其入口及出口均設電動閥門，入口出口間設旁通回流閥門，用于加壓機輕載啟動，保護加壓機，另在入口總管和出口總管間也設有總回流調節閥門，調節總出口壓力。焦爐煤氣經入口總管進入加壓機組，經過3臺加壓機后煤氣管道壓力由15～17.5 kPa升至60～80 kPa，通過調節加壓機轉速、調節總回流閥開度等手段保持穩定的出口壓力，滿足用戶的需求。

新增2臺加壓機電機均采用變頻調速控制，正常工作時采用變頻調速維持壓力穩定。

2 三電控制系統工程設計

2.1 供配電及傳動控制系統

本工程用電設備為2臺煤氣加壓機電機設備，電機功率為400 kW，常規情況下應采用6 kV或10 kV等級的電機，同時配備相關的高壓配電柜、高壓變頻裝置。經過經濟性及維護便利性比較，本工程采用另外一種方案，即采用AC690 V電壓等級的電機，配置650 kVA，6 kV/0.69 kV整流變壓器，及AC690 V電壓等級的變頻裝置，配套Profibus-DP通訊接口。同時設置旁路主回路，即采用常規MCC控制，在變頻器故障時可直接啟動、運行加壓機，此時不具備加壓機調速功能。

不要求調速的設備電機采用MCC控制，如加壓機電機的冷卻風機、相關電動閥門等，每臺電機設一個控制回路，采用傳統的硬接線方式將相關信號送至PLC系統。

2.2 儀表檢測系統

系統設總管出口流量、壓力檢測，加壓機本體進出口溫度、壓力檢測及軸振動、軸溫檢測，冷卻水管進出口溫度檢測等。由于現場為氣體防爆區域，PLC柜內設隔離安全柵，現場信號經隔離后進入PLC系統。

2.3 基礎自動化控制系統

本工程基礎自動化控制系統采用SIEMENS S7-300系列PLC，包括控制器、通訊模塊、I/O模塊、現場總線等。設置1臺工業PC機作為HMI操作員站，用于生產區域內所有設備的監控及操作，同時作為工程師站，用于PLC和HMI軟件的開發和維護。

系統采用兩級控制網絡，一級采用現場工業總線Profibus-DP，主要用于控制主機和遠程I/O、傳動設備的連接和通訊；另一級采用工業以太網Industrial-EtherNet，主要用于操作員站/工程師站與PLC間的通訊，以及與能源管理系統（EMS）網絡間連接。

信號輸入輸出系統采用西門子ET200M遠程I/O結構，開關量輸入信號電源由PLC系統提供，外部均為無源接點，開關量輸出信號均為繼電器無源接點輸出，開關量I/O模塊均采用DC24V信號電源。

2.4 操作方式

根據工藝生產及安全要求，設自動、手動兩種操作方式，其中手動方式設現場手動和集中手動兩種模式：

自動操作：根據工藝生產情況，在滿足聯鎖條件下，加壓機人工畫面（HMI）啟停，設定好出口壓力后，加壓機電機運行速度調節自動完成，保持出口壓力的穩定。

手動操作：操作人員通過畫面（HMI）或在設備現場機旁操作箱上完成設備的起、停操作，僅設必要的安全聯鎖。

自動用于正常生產，機旁手動僅用于檢修、單機調試。

3 應用軟件組態及編制

PLC系統軟件采用STEP7，上位機監控系統軟件采用WINCC，在此基礎上開發出PLC應用軟件和監控畫面，實現對整個生產系統的控制。

應用軟件能夠實時監控現場各設備的工作狀態，顯示生產過程中的工作曲線，當參數超過設定范圍或設備發生故障時，可根據組態發出不同等級的聲光報警，可根據報警信息切換到相應的監控畫面，所有的報警信息均被記錄在報警數據庫中，便于以后的事故分析使用，可以實現報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。

4 羅茨加壓機的控制說明

從工藝角度來說，加壓機的最終目標是保持系統管網壓力穩定，在受到外界工況變化產生壓力波動時，可通過兩種方式進行壓力調節，一個是加壓機的轉速變頻調節，另一個是總回流閥的開度調節，其中：加壓機轉速增大，管網壓力也增大（在總回流閥開度一定的情況下）；總回流閥的開度增大，管網壓力則減小（在加壓機轉速一定的情況下）。

4.1 常規控制方式

根據本工程的情況，壓力控制一般可采用兩種常規控制方式，即：

方式1：單一PID控制，設定值:目標壓力，過程值：實時壓力，PID運算后的輸出給執行元件，即變頻器或總回流閥，從節能角度考慮，應首選變頻器調節方式。

方式2：分段PID控制，與方式1區別在于當壓力在不同的范圍內變化時控制不同的執行元件。

兩種常規控制方式均有一定的缺點：

方式1：因為本工程的執行元件有兩個，而單一的調節回路只能控制一個執行元件。如果我們只做一個回路來控制壓力，雖然也有可能實現壓力的穩定，但是調節設備的利用率不高，調節范圍有限，同時節能效果差。

方式2：確定好壓力的分段點后，在某一壓力區間采用變頻器作PID調節，在另一區間采用總回流閥作PID調節。但由于管網工況是時刻變化的，壓力分段人為固定后，不會隨工況變化，雖然調節效果比方式1要好，但是它不能將節能效果作到完美。

4.2 最佳控制方式

為實現調節范圍最大化，并且節能效果最佳，在本工程中采用了兩個PID調節回路，即：變頻器的PID調節回路和總回流閥的調節回路，相互間根據自己的調節能力相互切換。為了后續闡述方便，下文稱變頻器的PID調節回路為變頻回路，稱總回流閥的調節回路為回流回路。其控制框圖如圖1、2，其中框內部分在PLC內。

兩個回路的唯一區別在于執行元件不同，其他結構相同，這就存在一個問題，即兩個回路不能同時參與調節，因此一定要找到彼此間的關系，要實現在同一時刻，一個調節回路起作用，一個不起作用，這樣達到控制目的。為了使兩個回路配合密切，控制采用如下方式：

圖1 變頻器閉環調節控制系統框圖

圖2 總回流閥閉環調節控制系統框圖

當升壓時，先調節回流閥，回流閥調到下限壓力還不能滿足要求，則再調節變頻器回路使壓力達到設定值；當降壓時，先調節變頻器，變頻器調到下限壓力還不能滿足要求，再調節大回流閥回路使壓力達到設定值。

為了實現上述功能，其實只需將兩個回路作好互鎖即可實現上述功能。用回流回路的輸出下限來置位變頻回路的自動，用變頻回路本身的輸出下限來復位自己的自動，使其以當前值輸出。同理，用變頻回路的輸出下限來置位回流回路的自動，用回流回路本身的輸出下限來復位自己的自動，使其以當前值輸出。

PID控制塊本身都是做到了自動跟隨手動，但大多數PID功能塊都沒有做到手動值跟隨自動值，為此在軟件上，要自己做一個手動值跟隨自動值的功能。變頻回路和回流回路兩個之間的相互關系如圖3所示。

5 結束語

本工程于2011年底開始施工，并于2012年2月調試并熱負荷試車成功，三電控制系統功能完全滿足工藝要求，至今已順利生產運行數月，對于梅鋼煤氣管網送氣質量的提高起到重要作用。

圖3 變頻回路與回流回路相互關系框圖

說明：（1）PID調節器當Man_on為1時PID手動輸出，為0時，PID自動調節。

（2）RS觸發器為復位優先。

（3）“○”為連接符。