對儲配站煤氣鼓風機控制系統改造的研究

周振國

摘要? 某儲配站煤氣鼓風機控制系統因設備老化，故障頻發，借助改造機會使用ABB的DCS控制器來代替老舊的半人工控制方式，通過PID算法控制實現出站煤氣壓力里的平穩，借助防喘振閥可以避免鼓風機在正常運行時發生喘振現象。同時在重點部位增加了傳感器的檢測，在ABB Freelance2016的強大功能下，工程師站和操作員站能對傳感器回傳的數據信息采集并可以對生成的趨勢圖、報表、報警等信息進行保存和打印，方便后期通過檢測到的數據分析從而改進工藝參數。本次改造也在國家節能降耗的號召下從設備能耗等方面對系統進行優化完善，使系統運行效率得到明顯提升。

關鍵字? 儲配站 煤氣鼓風機 PID 喘振 Freelance2016

引言

現有儲配站煤氣鼓風機控制系統已經使用了十余年，DCS等元器件嚴重老化，運行不平穩故障頻發。為提高其控制水平，并相應國家號召達到節能降耗的目的，對現有儲配站煤氣鼓風機控制系統進行改造優化。原本使用多個DCS對系統三個風機進行獨立控制，現改為一套ABB900冗余系統進行集中控制。該系統的使用在一定程度上避免了系統間通訊因信號干擾等原因導致的數據丟失、通訊中斷等故障，與此同時還增加了系統的關聯性以及響應速度，最終實現降低損耗達到節能的目的。

1.系統介紹

新系統采用2個ABB的DCS控制器PM901F組建的冗余系統進行集中控制，在DCS控制器通訊模塊插槽使用了一個CI930F模件與各子站的CI840模塊做Profibus通訊。2個DCS控制器間使用以太網交叉線連接，控制器與上位機間使用以太網直連線連接。

2.系統控制

2.1 PID

該系統的目的是使出站煤氣壓力保持在某一恒定范圍內，所以該系統使用PID閉環自動控制系統。PID的傳遞函數為：G（s）=U（s）/E（s）=Kp（1+1/Tis+Tds）=Kp+Ki*1/s+Kds

上述公式中，Kp為控制器的增益，或稱放大系數;Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數;K=Kp/Ti，為積分系數;Kd=Kp*Td，為微分系數。

PID控制器各校正環節的作用如下：

增益：對控制系統的偏差信號實現及時成比例的真實反映，從而使得控制器的輸入以及輸出能夠成比例關系。為了能夠最大限度的減小偏差， 同時也為了更好的提高響應速度，最大限度的縮短系統調節的時間，因此應該增加Kp。但是一度增加Kp，就會因為比例作用過大導致系統的動態性能變壞，甚至會造成閉環系統不穩定，嚴重影響工作效率。

積分：實現對誤差的記憶，減小穩態誤差，提高系統的控制精度，積分最顯著的特點就是無差控制。而積分作用的強弱受積分時間常數Ti的影響，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。

微分：微分能夠實現對儀器超前控制的效果，微分能夠真實反映信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。

從時間的角度講，比例作用主要是對系統當前存在的誤差進行控制，積分作用主要是對系統歷史存在的誤差進行記錄，微分作用主要是對系統誤差的變化趨勢做出真實的反映。將比例作用、積分作用、微分作用進行結合運用，實現了“過去、現在、未來”的完美結合。

項目中煤氣出站壓力作為PID控制的被測量。將被測量的信號反饋到DCS系統，與目標值進行比較，判斷是否達到了預期目的。如果沒有達到則根據兩者的差值進行調整直到達到預期的目的為止。

2.2 防喘振

該系統的煤氣鼓風機是通過液力耦合器來調節離心式鼓風機的轉速，進而調節煤氣出站壓力的。測試中發現當風機調節達到某一特定轉速時，就會發生喘振現象。離心式鼓風機的喘振現象即使是風機的固有特性，但是與其相連接的管網有關。換句話說離心式鼓風機的自身特性是發生喘振內因的話，那么外界條件就是外因。當內在因素在適當的外因條件下就會產生喘振現象。

當風機發生喘振現象時就會發生氣流能量損失，效率下降，風機性能變差。為了避免在運行過程中發生喘振現象，我們為系統設計了防喘振閥。在系統運行過程中保持風機永遠大于發生喘振時的轉速。當系統壓力高需要降低風機轉速時，但風機已經達到了設定轉速的最小值，這時我們開啟防喘振閥，使壓力過高的煤氣通過防喘振閥回流到煤氣儲罐以達到在不發生風機喘振的情況下降低出站煤氣壓力的目的。保證了系統安全平穩地運行。

2.3 聯鎖關系

為了防止風機的液力耦合器和防喘振閥的頻繁調節，所以對該系統設計了應對煤氣壓力波動的死區壓力。當煤氣壓力大于死區上限時先通過PID降低風機轉速，當風機轉速達到設定轉速下限時煤氣壓力還高就打開防喘振閥進行降壓。當煤氣壓力小于死區下限時先關閉防喘振閥再進行風機轉速的調節。

為了保護系統的安全平穩運行，我們使用多個傳感器對風機運行情況、煤氣儲罐及管網煤氣進行監測，超過警告值就會聲光報警對值班員進行提示，當超過動作值時就會觸發風機停機聯鎖動作，并進行聲光報警以作提示，同時所有的報警及設定值的修改都會在操作員站留下記錄，方便后期查看。

3.上位機

我們的工程師站和操作員站使用的Freelance2016版控制系統，該系統功能強大，集成的工作環境能夠大大簡化工程組態、調試、維護和總線管理等工作。直觀的操作員人機界面能夠整個系統的操作和診斷變得輕松容易。

3.1趨勢顯示

Freelance2016使用趨勢采集塊的趨勢顯示只能插入到一個操作員站下。同樣的趨勢顯示可以用于趨勢服務器，是通過采集標簽頁上的選項進行選擇。趨勢服務器是用來從不同的過程站采集變量的。在一個項目中只能有一個趨勢服務器，并且不能冗余。基于趨勢服務器的趨勢顯示可以插入到公共顯示池中。這些趨勢可以被所有的操作員打開。

使用趨勢服務器首先就要進行趨勢服務器組態，建立網關。當趨勢網關組態后，在項目中所有的標簽自動獲取讀取訪問權限。同樣的，讀取訪問權限指定給所有的過程站變量。然后在公共顯示池內插入趨勢顯示，在趨勢顯示設置框內使用變量采集方式并插入趨勢變量，每組趨勢只能顯示6個變量。這樣就可以通過趨勢服務器就可以在其所有操作員站查看數據變化趨勢。

3.2 報表

Freelance2016中Excel報表被用來獲取數據，并且將其儲存在Excel模版中，一個報表可以產生一個或者多個xls文件，這些文件中存儲了一系列變量的數據。 報表可以插入公共顯示池用于所有操作員站的訪問，也可以插入到某個特定的操作員站。 報表監控數據的時間可以在“周期”里面設置，在“周期時間”設置頻率，在“起始時間”中設置報表記錄開始創建的時間，例如：DT#2020-01-01-09：00：00.000 在“重啟動于”中設置報表記錄重新開始創建的時間，例如：T#24h0m0s，表明Excel報表文件將于一天之后重新創建，需要注意的是：重啟時間必需大于等于“周期”和“周期時間”的乘積：重啟動于≥周期*周期時間。

報表可以通過 “定義模版”去配置Excel報表的布局格式和內容，將會在Excel軟件中打開報表模版。獲取數據的函數遵循以下語法：。

變量：變量列表中的某個變量的名稱，比如SOFT.DateTime為系統時間變量;下一個位置則可以從NEXT_RIGHT，NEXT_LEFT，NEXT_DOWN，NEXT_UP中根據需要任選。

3.3 報警記錄

Freelance系統分為系統報警，故障報警，開關報警，提示和提示信息報警類型。根據對運行過程重要性，可以對報警類型進行優先級歸類。一個系統級（分成三組S1-S3）和五個過程級（1-5）。在工程師站組態過程中，每個優先級都分配一個特定的確認策略。確認策略用來定義操作員確認報警的方法。報警和提示在報警行，報警列表和提示列表中顯示，可以通過各自位置進行確認，而且，報警可以通過畫面顯示和分配的面板的上下文菜單進行確認。

結語

通過對煤氣鼓風機控制系統改造優化后，尚未出現因系統原因導致的停機故障，系統能在煤氣壓力出現波動時第一時間發出警報，操作員能從Freelance2016的趨勢及報表中通過數據分析快速找到壓力波動原因，使得故障率明顯降低，機組運行平穩，降低了能耗，達到了系統改造目的。

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