氣量無級調節系統控制算法研究

盧江波，翟紅波

(北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176)

大功率電機驅動的往復式壓縮機[1]作為一種常見的化工機械設備，在化工、石油煉制、冶金、化肥等行業有著廣泛的應用，主要作用是壓縮并輸送工藝介質，是企業工藝生產裝置的核心設備，同時也是電能高消耗的設備，耗電量約占整個裝置耗電量的30%。在生產條件正常情況下，往復機出口流量是基本保持不變的，但由于生產需要，生產單位的工藝需求經常變動，因而用氣量就會有變化，往復機在使用過程中往往要滿足不同工況的流量要求，當生產單位的工藝下游需要的氣量小于往復機實際排出的氣量時，就需要對往復機的排氣量進行調節，達到往復機的實際排氣量以適應需氣量要求的目的，滿足生產單位工藝需求[2-5]。

氣量無級調節系統[6]既可以實現往復機氣量的連續調節，又可以最大限度地節省電能消耗。目前，國內大功率電機驅動的往復機投用氣量調節系統的數量越來越多，為保證現場往復機可靠連續運行，對氣量調節系統的控制性能提出了很高的要求。本文通過控制算法設計研究，對投用氣量無級調節系統的往復機啟停邏輯、氣量調節控制算法、穩定壓比等控制性能進行分析驗證。

1 系統組成及工作原理

氣量無級調節系統是由PLC控制單元[7-8]、液壓系統、執行機構和中控操作單元組成，如圖1所示。中控操作單元輸出往復機負荷調節信號(4～20 mA)至PLC，由PLC根據接收到的負荷調節信號轉化成頂開往復機進氣閥的持續時間信號，執行機構接收到該信號后，適時地打開或關閉執行機構內電磁閥，從而接通或斷開來自液壓系統的高壓液壓油，以控制強制頂開進氣閥的時間，進氣閥延遲關閉，實現往復機流量的連續調節。由于往復機的指示功耗與實際容積流量成正比，因此氣量無級調節系統可以最大限度地節省能源。

圖1 氣量無級調節系統組成示意

氣量無級調節系統的工作原理為“回流省功”，如圖2所示，即活塞在往復機氣缸的一個正常工作循環(包括： 膨脹過程A～B，進氣過程B～C，壓縮過程C～D，排氣過程D～A)基礎上，當投入氣量無級調節系統后，進氣閥在進氣過程結束后由于在執行機構作用下仍被強制地保持開啟狀態，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先到達位置E(回流過程)，在這個過程中，吸入氣缸中的部分氣體會通過被強制頂開的進氣閥側回流到進氣管路中而不被壓縮，往復機氣缸內的活塞做功要比往復機滿負荷時小的多，待活塞運動到特定的位置E時，執行機構使強制頂開進氣閥的外力消失，進氣閥的閥片在彈簧力的作用下回落到閥座上而關閉，氣缸內剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著位置E到達位置F，氣體達到排氣壓力后，排氣閥打開，氣體通過排氣閥進入下游工藝。

圖2 “回流省功”工作原理示意

2 控制算法設計

2.1 控制原理

PLC控制單元是氣量無級調節系統的核心部分，對實現壓縮機排氣量的連續調節起著至關重要的作用，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，通過上死點傳感器獲取往復機氣缸內活塞的實時位置，當活塞運動至上死點位置時，上死點傳感器會發出一個脈沖信號，傳入PLC中， PLC控制單元的同步周期調整模塊根據接收到的脈沖信號計算出往復機的實時周期值，然后傳入PID控制回路中，參與頂開進氣閥持續時間的計算。

同時，PLC將采集到的主控變量(進氣壓力、排氣壓力、流量等)過程數據和輔控變量(級間壓力)過程數據先進行濾波處理，然后與中控室操作單元中主控變量和輔控變量設定值進行標準化處理，將處理后的數值經過PID控制回路，結合計算出的往復機實時周期值，確定執行機構電磁閥打開時刻值和持續打開時間值(即進氣閥持續頂開時間值)，PLC輸出控制信號作用于執行機構電磁閥，使得電磁閥打開，液壓系統的高壓液壓油進入執行機構，進而頂開往復機的進氣閥，當滿足工藝所需氣量時，PLC輸出關閉電磁閥的控制信號，斷開液壓系統的高壓液壓油，進氣閥關閉，再進行壓縮排氣的工作過程，從而實現氣量的連續調節和減少往復機壓縮做功，達到往復機節省電能消耗的目的。

2.2 上死點信號采集和同步周期計算

因為氣量無級調節系統是在往復機的每個工作周期內都要進行頂開進氣閥動作，與往復機工作周期要保持同步，所以需要監測氣缸內活塞的運動位置，從而確定氣量無級調節系統的控制起始點和計算往復機實時工作周期。

一般情況下，當往復機氣缸內活塞運動至氣缸上死點位置時，在往復機飛輪側安裝一個上死點傳感器和感應體。在往復機飛輪每一轉里，上死點傳感器會感應到感應體的到來，傳送一個脈沖信號至PLC，由于控制系統的精度很大程度上受上死點傳感器位置的影響，該點必須盡可能找準。

由于往復機工作轉速較快，所以PLC采集上死點信號采用高速計數功能模塊，往復機工作周期計算采用循環中斷模塊，均是獨立于CPU程序掃描時間。當PLC接收到上死點信號后，執行高速計數功能模塊，調用“CTRL_HSC”程序塊，模式為單相向上計數，內部控制，無外部輸入，設定合適的計數初值和復位組態，采用硬件中斷組態方式，高速計數識別號為257，通過上死點信號可以實時監控氣缸內活塞位置信息，確定氣量無級調節系統控制起始點。

PLC控制單元計算往復機實時工作周期采用的方法為“間隔法”，即通過采集到的兩個上死點信號的時間間隔確定往復機周期值。PLC采用循環中斷功能模塊，循環中斷時間設置為1 ms，計算的往復機周期值在高速計數功能模塊中進行提取和復位，根據往復機工作周期變化進行實時計算，確保氣量無級調節系統控制時間與往復機工作周期實時同步。

2.3 多級壓縮控制邏輯和控制模式設計

因為往復機大多為多級壓縮，所以多級壓縮控制邏輯對于實現壓縮機氣量調節高精度、穩定壓縮機級間壓比至關重要。PLC可以將排氣壓力、進氣壓力、流量等作為主控變量，在往復機的每一級均需配置一個PI控制回路，第一級根據主控變量進行控制，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際需要的氣量，傳遞到PLC中與實測的氣量進行PI運算，由PLC輸出控制頂開進氣閥的時間信號。

多級壓縮控制邏輯設計如圖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氣壓力邏輯示意

PLC的控制模式分為手動控制和自動控制。手動控制模式： 一級負荷用給定的負荷調節值直接控制；二級負荷根據二級壓力給定值(通過式(1)計算)和實際值的偏差由第二路PI控制回路控制。自動控制模式： 一級負荷根據二級出口壓力給定值和實際值的偏差由第一路PI控制回路控制；二級負荷給定值與手動模式相同。

(1)

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

由于往復機級間壓力冷卻會帶來壓力降，所以矯正系數主要在優化設定值的過程中進行壓力補償。

2.4 頂開進氣閥時間控制算法設計

氣量無級調節系統是通過PLC輸出的脈沖信號打開執行機構內電磁閥，使得液壓系統的高壓液壓油作用于執行機構，進而頂開進氣閥，實現強制頂開進氣閥的目的。

通過控制頂開進氣閥時間的長短來實現往復機氣量的連續調節，減少壓縮做功。一級進氣閥頂開時間是根據往復機主控變量實際采集值與主控變量設定值的偏差，利用PLC中的PI控制算法獲得的，二級及以上進氣閥頂開時間是根據輔控變量(級間壓力)實際采集值與輔控變量設定值的偏差，利用PLC中的PI控制算法獲得的。各級頂開時間在往復機工作周期25%T～75%T內變化，T為往復機工作周期。

往復機氣缸的蓋側和軸側均布置進氣閥，在往復機工作周期0～25%T內，往復機氣缸蓋側端執行機構電磁閥是關閉的；當達到25%T時刻，蓋側端執行機構電磁閥開始打開，頂開蓋側端進氣閥，當達到75%T時刻后，軸側端執行機構電磁閥開始打開，并頂開軸側端進氣閥，蓋側端執行機構電磁閥和軸側端執行機構電磁閥輸出的脈沖信號頂開時間是一致的。但軸側端執行機構電磁閥的輸出信號要比蓋側端輸出信號落后50%T。

頂開時間可以根據式(2)確定：

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

(2)

式中：t——進氣閥的頂開時間；P0——往復機負荷調節值，取值范圍為[0，1]；K——時間調整系數，根據系統動態響應時間進行調整。

3 運行邏輯設計

由于往復機作為企業的核心裝置，在往復機上投用氣量無級調節系統后，需要對該系統的運行制定嚴格的運行邏輯，尤其是當氣量無級調節系統出現故障后必須能夠可靠地聯鎖切除，對往復機的正常運行不能產生任何影響，保證裝置的正常生產。

氣量無級調節系統的運行邏輯在PLC控制單元中實現。氣量無級調節系統有三種運行邏輯： 全行程運行邏輯(往復機啟動、停機和切換機時使用)、部分行程運行邏輯(自動或手動方式調節往復機負荷，實現氣量無級調節)和切除邏輯(人為切除和故障聯鎖切除)。

3.1 全行程運行邏輯

全行程運行邏輯有三種運行方式，分別為零負荷運行、50%負荷運行、滿負荷運行方式，主要用于往復機的啟機、停機和往復機切換用，保證往復機啟機、停機和切換能夠平穩地運行。全行程運行邏輯如圖6所示。

圖6 全行程運行邏輯示意

3.2 部分行程運行邏輯

當往復式壓縮機工作在100%負荷下，即氣量無級調節系統全行程運行邏輯結束后，氣量無級調節系統切入部分行程運行邏輯，有“手動”和“自動”兩種運行方式，主要用于實現往復機的氣量連續調節。部分行程運行邏輯如圖7所示。

圖7 部分行程運行邏輯示意

3.3 切除邏輯

氣量無級調節系統運行時，需要具備正常切除和故障聯鎖切除功能： 正常切除是用于往復機維護時期，氣量無級調節系統人為地進行切除；故障聯鎖切除是用于氣量無級調節系統出現故障信息時，需能夠自動切除液壓油站，往復機會恢復到原控制方案，不影響往復機正常運行。氣量無級調節系統切除邏輯如圖8所示。

圖8 氣量無級調節系統切除邏輯示意

4 應 用

在型號為4K-165MG-42/0.75-22迷宮式活塞壓縮機組上驗證了氣量無級調節系統的控制算法和運行邏輯，該機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，往復機主要參數見表1所列，往復機用驅動電機主要參數見表2所列。

表1 往復機主要參數

表2 往復機用驅動電機主要參數

在該機組上投用了氣量無級調節系統，往復機啟機、停機和切換機邏輯采用全行程運行邏輯，往復機按零負荷—50%負荷—滿負荷步驟啟動(或滿負荷—50%負荷—零負荷步驟停機)，減小了驅動電機瞬間啟動電流，對往復機啟機、停機和切換機過程起到了保護作用。

當往復機達到滿負荷運行穩定后，氣量無級調節系統投用部分行程運行邏輯，先進行手動調節，逐漸降低往復機的負荷調節值，往復機旁路閥開度隨著負荷調節值的降低而逐漸減小，當旁路閥開度減小為零時，該系統手動操作切換為自動操作；根據工藝生產要求，主控變量為一級進氣壓力，設定值為0.062 MPa，級間壓力根據式(1)計算求得設定值為0.048 MPa，維持往復機正常壓比；PLC根據壓力設定值進行PI運算，再根據式(2)確定頂開進氣閥的持續時間，使得一級進氣壓力和二級進氣壓力維持在設定值附近，控制壓力誤差不大于±2%，滿足控制性能要求。

氣量無級調節系統調試運行階段又分別調試了故障切除運行邏輯和維護切除運行邏輯，均滿足現場使用要求。當氣量無級調節系統切除后，往復機恢復到原控制方案(旁路閥控制)，不影響往復機正常生產。氣量無級調節系統正式投用后，根據往復機配電箱中安裝的電表讀數和往復機主電機運行時間的變化，每月往復機節電費用約4萬元人民幣，節能效果明顯。

5 結束語

在迷宮式活塞壓縮機組上的應用驗證了氣量無級調節系統的控制性能優，調節精度高，調節速度快，減小了現場活塞機啟停機時的設備沖擊。當氣量無級調節系統出現故障后，也可以智能聯鎖切除，不影響往復機正常運行，節電效果好，投資回報率高。