基于TRICON控制系統防喘振控制算法

李明輝　金千山

摘 要： 喘振是造成壓縮機損壞的重要原因，在此針對某廠70萬噸/年烯烴項目，根據丙烯工藝流程， 設計了一套壓縮機的防喘振控制系統。該控制系統以TRIEW軟件為人機界面，利用TRICON獨有的防喘振控制軟件包，將喘振PID控制、喘振超馳、手動控制算法相結合，通過喘振PID參數的在線優化，有效地實現了壓縮機的防喘振控制，現場實際運行結果表明了該系統的穩定性和可靠性，同時，驗證了該喘振控制算法的有效性。

關鍵詞： TRICON； 防喘振控制； 離心壓縮機； PID

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

0 引 言

離心壓縮機以其運行效率高、易損件少、運轉平穩、經濟效益好等優點，在石油化工行業中得到廣泛應用，并且已經成為工藝設備的核心[1]。因此，一旦壓縮機損壞，將造成巨大損失甚至人員傷亡。

喘振是壓縮機本身固有的特性，是造成壓縮機損壞的重要原因之一，因此，怎樣避免喘振的發生，得到喘振的最優控制方案，一直是各控制系統廠家（Man Turbo 的Turbolog DSP系統、Nuovo Pig none 公司的UNICOS系統、TRICONEX的ITCC控制系統等[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，根據其工藝流程，論述了TRICON控制系統防喘振控制的原理，實際運行結果表明了該控制方案的有效性。

1 壓縮機工藝流程及控制系統介紹

1.1 壓縮機工藝流程

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

1.2 TRICON 控制系統設計

該控制系統的硬件由TRICONEX公司提供的具有三重冗余結構的控制器和工控機組成，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，其具有超強的診斷、在線維修，無單點故障等優點，其結構如圖2所示。

控制系統的軟件由上位軟件TRIEW和下位軟件1131組成，開發系統是其應用程序的集成開發環境。其中上位軟件TRIEW通過OPC與控制器和下位軟件進行通信。

TRIEW軟件由開發系統和運行兩系統部分組成。開發系統和運行系統是各自獨立的 32 位應用程序，均可單獨使用；兩個系統又相互依存，在開發系統中開發的應用程序必須在運行環境中才能運行。開發者在這個環境中完成圖形界面的設計、數據庫定義、動畫鏈接等。開發系統具有先進完善的圖形生成功能；數據庫中有多種數據類型，能合理地抽象控制對象的特性，對數據的報警、趨勢曲線、歷史數據記錄、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計時間，加快軟件的開發進度。1131軟件獲得T?V 認證的系統支持軟件，其支持函數方塊圖（FBD）、梯形圖（LD）、結構文本（ST）、因果矩陣（CEM） 語言。具有離線組態編程、離線仿真與監控、在線程序監控、支持在線程序修改等優點。

2 TRICON控制系統的防喘振控制

這套丙烯壓縮機控制系統利用TRICON控制系統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，從而避免喘振的發生由機組廠家提供的PID流程（見圖1）可知，該壓縮機由3段組成。本文以壓縮機一段喘振控制為例，闡述TRICON控制系統的防喘振控制算法，其主要根據PID流程及壓力、溫度、流量傳感器測量值和TRICON的功能塊實現了防喘振控制。

2.1 喘振控制線及操作點的計算

壓縮機制造商的喘振曲線轉換為以壓比和吸入端壓力為縱橫坐標的圖表。這些數值輸入到Triconex 標準喘振控制算法里，可確定喘振點。喘振線上增加可調節安全裕度，產生流量設定點。流量與壓力變量可得出操作點，用來與喘振線做比較TRICON控制系統的通用喘振曲線選取[HrPs]百分比為橫坐標，選取[PdPs]為縱坐標，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） 首先根據埃利奧特機組廠家提供的孔板流量計規格書、現場溫度、壓力測量值和TRICON的M_FLOW、HC_0401功能塊計算出補償后的質量流量百分比，即操作點。

（2） 根據機組廠家提供的壓縮機性能曲線及壓力表，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

本項目根據壓縮機廠家提供的規格書，對一段喘振參數計算結果如下：

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

利用上述參數計算的喘振線如圖3所示。

2.2 防喘振控制器的輸出計算

為了更安全、準確地控制防喘振閥，TRICON控制系統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控制器采用常規的PID算法，以SP_HOVER的輸出盤旋點作為喘振PID的設定值，利用計算出的安全裕度MARGN和優化的PID參數，實現喘振控制。

喘振PID控制中，喘振參數的選取尤為重要，TRICON控制器利用功能塊ADPTV_T對其PID參數進行了優化，通過實際校驗，本項目ADPTV_T功能塊的輸入參數選取為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PID 經常因為較大的過程參數而在喘振將要發生時動作過慢，為了確保防喘閥及時打開。作為常規 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內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間。當操作點位于此區間左側，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。當操作點位于作用區間最右側時，超馳作用輸出為最小，即0%，防喘閥關閉。當操作點位于作用區之間時，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 的輸出結果追蹤喘振超馳的輸出。

TRICON控制系統利用功能塊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，將整形數據轉換成4～20 mA信號，送給喘振閥，有效地實現防喘振控制。

3 結 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，設計一套壓縮機防喘振控制系統。為使復雜算法產生的程序錯誤率更低、更易進行錯誤診斷且更易理解，在防喘振控制程序中，Triconex控制系統使用了具有特定功能若干獨立模塊對防喘閥進行控制，實際的運行數據及結果表明了該系統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

[1] 賀代芳.離心壓縮機的防喘振控制[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.空氣壓縮機防喘振優化控制系統設計[J].電子世界， 2013（7）：19?21.

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

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

喘振PID控制中，喘振參數的選取尤為重要，TRICON控制器利用功能塊ADPTV_T對其PID參數進行了優化，通過實際校驗，本項目ADPTV_T功能塊的輸入參數選取為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PID 經常因為較大的過程參數而在喘振將要發生時動作過慢，為了確保防喘閥及時打開。作為常規 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內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間。當操作點位于此區間左側，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。當操作點位于作用區間最右側時，超馳作用輸出為最小，即0%，防喘閥關閉。當操作點位于作用區之間時，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 的輸出結果追蹤喘振超馳的輸出。

TRICON控制系統利用功能塊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，將整形數據轉換成4～20 mA信號，送給喘振閥，有效地實現防喘振控制。

3 結 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，設計一套壓縮機防喘振控制系統。為使復雜算法產生的程序錯誤率更低、更易進行錯誤診斷且更易理解，在防喘振控制程序中，Triconex控制系統使用了具有特定功能若干獨立模塊對防喘閥進行控制，實際的運行數據及結果表明了該系統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

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

喘振PID控制中，喘振參數的選取尤為重要，TRICON控制器利用功能塊ADPTV_T對其PID參數進行了優化，通過實際校驗，本項目ADPTV_T功能塊的輸入參數選取為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PID 經常因為較大的過程參數而在喘振將要發生時動作過慢，為了確保防喘閥及時打開。作為常規 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內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間。當操作點位于此區間左側，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。當操作點位于作用區間最右側時，超馳作用輸出為最小，即0%，防喘閥關閉。當操作點位于作用區之間時，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 的輸出結果追蹤喘振超馳的輸出。

TRICON控制系統利用功能塊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，將整形數據轉換成4～20 mA信號，送給喘振閥，有效地實現防喘振控制。

3 結 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，設計一套壓縮機防喘振控制系統。為使復雜算法產生的程序錯誤率更低、更易進行錯誤診斷且更易理解，在防喘振控制程序中，Triconex控制系統使用了具有特定功能若干獨立模塊對防喘閥進行控制，實際的運行數據及結果表明了該系統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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