SPC在乙烯裂解氣壓縮機中的應用

劉宗林 陳文勇 涂勝華 張華平

(福建聯合石油化工有限公司)

SPC在乙烯裂解氣壓縮機中的應用

劉宗林 陳文勇 涂勝華 張華平

(福建聯合石油化工有限公司)

介紹伺服位置控制器(SPC)的工作原理、組態及標定等。闡述SPC在裂解氣壓縮機中的控制方案，并針對不足之處提出了優化建議。

SPC 裂解氣壓縮機 控制方案 優化

裂解氣壓縮機是乙烯裝置的“心臟”設備，因此確保壓縮機長周期安全穩定運行至關重要。某公司裂解氣壓縮機采用日本Elliott Ebara公司生產的進口機組，控制系統采用Triconex TS3000(即ITCC控制系統)。為確保壓縮機的穩定運行，透平轉速的穩定控制至關重要，因此對調速閥的控制精度要求極其嚴格。基于此，該裂解氣壓縮機透平調速閥閥位控制采用伺服位置控制器(Servo Position Control,SPC)。

1 SPC簡介

1.1 工作原理

SPC是一個伺服閥驅動器，主要用于汽輪機調速系統，從控制器接收位置指令信號后驅動液壓單元來確保伺服閥閥位準確定位。SPC接收來自系統控制器的DeviceNet或4～20mA位置指令信號，在接收反饋信號上，它既可以接收單路位置反饋信號(電流或電壓信號)，也可以接收雙路LVDT位置反饋信號。SPC系統的連接示意圖如圖1所示。

圖1 SPC系統連接示意圖

1.2 SPC組態

SPC可以通過PC機使用特定的應用軟件SPC Service Tool對自己進行組態和監視，采用RS-232進行接口通信。通過SPC Service Tool軟件可以實時監控SPC的輸入/輸出信號及其自身狀態，并進行修改控制參數、優化調節。

1.2.1 伺服控制器組態

伺服控制器有5種類型：Proportional比例、P比例控制器、PI比例積分控制器、PI w/Lag帶滯后的比例積分控制器、PI w/Lead-Lag帶超前-滯后的比例積分控制器。在實際應用中，大多采用PI比例積分控制器(圖2)[1]，因此筆者主要對PI控制類型進行介紹，通過調節PI控制器參數來調整油動機行程的快速定位與穩定性。

圖2 PI比例積分控制器結構示意圖

PI比例積分控制器參數的調整共分為3步：

a. 調整控制器的積分增益到一個最小值；

b. 增加控制器的比例增益直到執行器開始振蕩，此時記錄下振蕩周期和比例增益；

c. 把比例增益設定為原比例增益的45%，把積分增益設置為1.2/振蕩周期。

1.2.2 位置指令組態

SPC有4種位置指令類型：

a. DeviceNet Only。只接收DeviceNet總線信號。

b. DeviceNet Primary。DeviceNet總線信號作為主信號，模擬量信號作為備用信號。

c. Amalog Only。只接收模擬量信號。

d. Amalog Primary。模擬量信號作為主信號，DeviceNet總線信號作為備用信號。

當SPC同時接收兩種位置指令信號時，若主信號出現故障，備用信號正常運行時將自動切換到備用信號。當主信號與備用信號相匹配，且主信號連續保持5s正常運行則SPC接收位置指令信號將從備用信號切換到主信號。在實際生產過程中，模擬信號主要是4～20mA標準信號。

1.2.3 閥位反饋組態

根據伺服閥和接線方式的不同，閥位反饋信號類型包括電壓DC信號、RVDT信號、LVDT信號和4～20mA信號。若選擇的閥位反饋信號類型為4～20mA信號，則反饋信號將被自動設置為不使用。

1.2.4 位置偏差組態

SPC不斷比較位置指令和位置反饋，當兩者不匹配時將產生位置偏差故障報警。具體組態中根據實際情況可以設置為：當偏差故障報警出現后SPC響應Shutdown或Alarm。

1.2.5 驅動器組態

SPC能夠實時監視執行驅動器的接線端、檢測線圈的開路或短路、驅動器電流故障或過流。通過驅動器組態可以設置故障延遲時間、驅動器顫振電流幅度和出現報警后SPC的響應(Shutdown或Alarm)。

1.2.6 DeviceNet組態

DeviceNet組態即對DeviceNet總線信號的波特率和Mac地址進行組態。

1.2.7 Alarm和Shutdown邏輯條件設置

以SPC在裂解氣壓縮機中的應用為例，針對Alarm和Shutdown邏輯采用以下設置方案：

a. Alarm。位置指令和位置反饋偏差超過5%時，延時0.5s。

b. Shutdown。當SPC輸入電流低于4mA或高于20mA、位置反饋超量程-5%以下或105%以上、SPC監視執行驅動器的接線端、檢測線圈開路或短路、驅動器電流故障或過流時，延時0.5s。

1.3 SPC標定

通過SPC Service Tool軟件可以對SPC進行標定，在Action菜單欄中選擇Calibration選項，點擊進入。需要注意的是，SPC必須在Shutdown狀態下才能進行校驗。SPC校驗主要有5個步驟：

a. Introduction(介紹)，主要介紹校驗目的和使用校驗幫助；

b. Minimum(最小值)，該步驟的目的是使閥位值達到最小值0%，到達步驟b時，SPC會自動給出一個值使得閥位達到0%，若沒有達到，可以通過輸入補償值(-100～100)加以調整，當閥位值達到最小值后方可進行步驟c；

c. Maximum(最大值)，輸入補償值(-100～100)使得閥位值為最大值100%，當閥位值達到最大值后進行步驟d；

d. Verification(驗證)，輸入1～2個閥位值來驗證閥門的運動情況，正確后進行步驟e；

e. Save Setting(保存設置)，完成校驗工作。

SPC校驗完成后，必須點擊Action菜單欄下的RUN進行運行，否則SPC將依然停留在校驗模式。

1.4 LED指示燈說明

網絡通信燈和模塊燈指示說明分別見表1、2。

表1 網絡通信燈

表2 模塊燈

2 SPC在裂解氣壓縮機中的應用

為實現乙烯裝置裂解氣壓縮機控制系統中調速閥閥位控制的高可靠性，采用兩個伺服位置控制器(SPC A、SPC B)進行控制(圖3)，兩個SPC互為備用，分別控制調速閥的兩個線圈。在回路中，信號輸出到調速閥的驅動線圈，兩個SPC用一個relay繼電器實現切換，SPC的Alarm和Shutdown信號輸出進ITCC，通過ITCC表決后控制relay繼電器。由于只有一個調速閥閥位信號，無法同時給兩個SPC使用，因此采用一個信號分配器Spliter。正常工作時，以SPC A為主，SPC B備用，相應的線圈只有一個工作，另一個備用。

圖3 SPC控制原理

2.1 控制原理

ITCC系統發出控制輸出命令(4～20mA信號)進SPC A和SPC B，接線端子為Demand(IN)。經過伺服器轉換后從Drive(OUT)端子分別輸出到COIL A和COIL B，輸出信號為0～200mA。調速閥閥位反饋信號進信號分配器Spliter，分兩路給SPC A和SPC B。然后再從Monitor(OUT)端子進ITCC AI通道，到ITCC進行閥位顯示。

正常工作時，繼電器線圈13/14得電，觸點9/5、12/8閉合，SPC A從Drive(OUT)+端子輸出信號到COIL A，實現SPC A控制；SPC B從Drive(OUT)+端子輸出信號經電阻R返回Drive(OUT)-端子，不到COIL B。當SPC A出現Shutdown信號時，ITCC接收到該信號后發出SPC切換命令，使繼電器失電，觸點9/5、12/8斷開，觸點9/1、12/4閉合，SPC A從Drive(OUT)+端子輸出信號經電阻R返回Drive(OUT)-端子，不到COIL A；SPC B從Drive(OUT)+端子輸出信號到COIL B，實現SPC B控制。

2.2 控制方案缺點

實踐證明，單臺SPC在實際生產中能夠可靠運行，起到很好的控制效果，開工至今未出現主SPC故障從而切換到備用SPC的事件。但通過對該方案的進一步分析發現，當主SPC出現故障或受電子元器件影響時，該控制系統存在以下幾點不足：

a. 兩臺SPC作為冗余、互備考慮，相互之間不存在通信，無法實現冗余。

b. SPC切換采用繼電器控制，而且是單一的電子設備。如果繼電器出現故障將導致SPC信號變動，造成誤動作，影響控制；在實際測試中發現，當在用SPC出現Shutdown信號時，切換到備用SPC后，由于繼電器動作時間達不到毫秒級的要求，無法實現無擾動切換。

c. 反饋信號采用信號分配器，并且是單一設備，如果出現故障，兩個SPC都將出現Shutdown信號，導致裝置停機。

2.3 方案優化探討

該裝置多年的生產運行情況表明，單臺SPC的可靠性較強，故障率極低，為避免受電子元器件影響造成SPC Shutdown，建議將控制方案改為單臺SPC運行，從而取消繼電器，將信號反饋改為單路，從而取消信號分配器。

由于兩臺SPC無法實現無擾動切換，因此在現有方案下對電子元器件提出以下幾點優化建議：

a. 將反饋信號改為單路反饋，對調速閥閥位反饋進行改進，使用雙路LDVT分別進入兩個SPC，進而取消信號分配器。反饋信號由ITCC AI通道進入并在ITCC控制系統中分成兩組，然后由ITCC AO通道分別再進入SPC A和SPC B(圖4)。

b. 實際運行情況表明，SPC、繼電器及信號分配器等電子元器件均能夠可靠運行，但從裝置的長周期運行來看，需要對繼電器開展預防性維修，因此建議在生產運行一個周期后更換繼電器。

圖4 反饋信號改進

3 結束語

控制方案進行優化改進后，單臺SPC作為執行中樞在裂解氣壓縮機的應用中得到了較好的控制效果和控制精度，機組運行可靠，保證了機組透平轉速快速調節和裝置負荷的平穩控制。SPC組態方便、可靠性高，具有巨大的推廣應用價值，降低了機組透平調速控制的故障率，保證了壓縮機的長期穩定運行。

[1] 李維富,卞麗.SPC和CPC在汽輪機調節中的作用[J].自動化儀表,2008,29(6):42～44.

SPCApplicationinCrackingGasCompressorforEthyleneUnit

LIU Zong-lin, CHEN Wen-yong, TU Sheng-hua, ZHANG Hua-ping
(FujianRefining&PetrochemicalCompanyLimited)

The SPC’s (servo position controller) working principle, configuration and calibration were introduced and SPC control scheme in cracking gas compressor was expounded and suggestions on optimization were put forward.

SPC, cracking gas compressor, control scheme, configuration

TH862+.6

B

1000-3932(2017)07-0686-05

2017-02-18，

2017-05-02)

劉宗林(1988-)，工程師，從事儀表自動化管理工作，liuzonglin@fjrep.com。