用PLC和變頻器實(shí)現石油氣壓縮機的自動(dòng)控制

　　山東濱化集團有限公司有2臺石油氣壓縮機，單機額定功率75kW，一開(kāi)一備運行方式，而在實(shí)際生產(chǎn)中只需大約45kW輸出功率。

　　壓縮機在低于額定工況下運轉，負載率較低，而且其風(fēng)壓與流量大小要靠手動(dòng)閥調節，操作困難，也浪費大量電能。為此，考慮采用變頻調速技術(shù)進(jìn)行改造，用PLC實(shí)現自動(dòng)調節和各種控制功能。運行實(shí)踐證明，該方案穩定可靠，經(jīng)濟效果明顯。

　　一工藝要求

　?。?）正常生產(chǎn)過(guò)程中，2臺壓縮機應至少有1臺運行，即使在相互切換時(shí)，也不允許發(fā)生兩臺機器全部停止的現象。

　?。?）保持壓縮機出口壓力在預定值上。

　?。?）能實(shí)現對壓縮機運行狀態(tài)進(jìn)行分析，以實(shí)現預測性檢修。

　　二系統控制原理

　?。?）工藝專(zhuān)業(yè)設定壓縮機管網(wǎng)正常出口壓力為P1，而現場(chǎng)實(shí)際測定壓力為P2，根據ΔP（=P2-P1）值大小由PLC內PID功能模塊進(jìn)行PID運算，控制變頻器來(lái)改變電動(dòng)機轉速，達到所要求的壓力。當ΔP＞0時(shí)，現場(chǎng)壓力偏高，則提高變頻器輸出頻率，使電動(dòng)機轉速加快，提高實(shí)際風(fēng)壓；當ΔP＜0時(shí)，現場(chǎng)壓力偏低，則使轉速降低，ΔP減小。這樣不斷調整，使ΔP趨于0，現場(chǎng)實(shí)際壓力在設定壓力附近波動(dòng)，保證壓力穩定。系統結構如圖1。

　　(2)壓縮機長(cháng)期運行，造成各部件間隙變大，這樣引起的振動(dòng)會(huì )越來(lái)越大，容易造成壓縮機各部件的損壞。由PLC對現場(chǎng)振動(dòng)情況進(jìn)行判斷分析，可提前對壓縮機進(jìn)行計劃性維護保養，這樣可大大延長(cháng)設備的使用壽命，提高設備運行可靠性，減少設備故障引起的非計劃性停車(chē)。

　　三設計方案

　　該方案主要由1臺SiemensECO1-7500/3變頻器、1臺S7-200型PLC（CPU215/216，配套EM235擴展模塊）以及接觸器、操作按鈕、1臺現場(chǎng)壓力變送器和2臺振動(dòng)測量裝置（振動(dòng)變送器）組成，用PLC實(shí)現壓縮機出口壓力單回路閉環(huán)PID控制以及壓縮機起動(dòng)、停止、切換、故障處理等各種電氣控制功能，由振動(dòng)變送器對壓縮機狀態(tài)進(jìn)行監控分析，以實(shí)現預測性維護維修。主回路如圖2。

　?。?）PID運算功能的實(shí)現

　　S7-200系列中CPU215/216具有32位浮點(diǎn)運算指令和內置PID調節運算指令等特殊功能。使用時(shí)，只需在PLC內存中填寫(xiě)1張PID控制參數表（見(jiàn)下表），再執行指令：PIDTABLE，LOOP，即可完成PID運算。其中操作數TABLE使用變量存儲器VBx，用來(lái)指明控制環(huán)的起始地址；操作數LOOP是控制環(huán)號（常數，0～7）。編號為2、4、5、6、7的參數固定不變，可在PLC主程序中設定；編號為1、3、8、9的參數具有實(shí)時(shí)性，須在調用PID指令時(shí)填入。

　　由于S7-200輸入和輸出為開(kāi)關(guān)量，而變頻器、壓力變送器和振動(dòng)變送器的信號為模擬量，因此EM235模塊要實(shí)現D/A轉換。一個(gè)EM235模塊可同時(shí)擴展3路模擬量輸入通道（接1路壓力信號，2路振動(dòng)信號）和1路模擬量輸出通道（接至變頻器）。

　?。?）起動(dòng)

　　M1和M2各有兩種起動(dòng)方式，可通過(guò)轉換開(kāi)關(guān)選擇變頻/工頻起動(dòng)方式。

　?。?）運行

　　正常情況下，電動(dòng)機M1處于變頻調速狀態(tài)，電動(dòng)機M2處于停機備用狀態(tài)?，F場(chǎng)壓力變送器檢測管網(wǎng)出口壓力（4～20mA模擬量信號），并與預定值相比較，經(jīng)PLC內部專(zhuān)用PID指令進(jìn)行運算，得到變頻器所需頻率信號，自動(dòng)調節電動(dòng)機轉速，達到所需管網(wǎng)壓力。

　?。?）停止

　　按下“停止按鈕”，PLC控制所有接觸器斷開(kāi)，變頻器停止工作。

　?。?）切換

　　當需從電動(dòng)機M1切換到M2時(shí)，接觸器KM2斷開(kāi)，KM1閉合，此時(shí)電動(dòng)機M1工作在工頻下，在變頻器完全停止后，KM4閉合，變頻器重新起動(dòng)，電動(dòng)機M2在變頻器驅動(dòng)下起動(dòng)；完全起動(dòng)后，KM1斷開(kāi)，電動(dòng)機M1停止，切換操作結束。電動(dòng)機M2切換到M1過(guò)程類(lèi)似。

　?。?）報警及故障自診斷

　　通過(guò)PLC內部程序設定報警及聯(lián)鎖保護，一旦出現故障立即停止相應操作并報警。對于故障自診斷功能，考慮到成本問(wèn)題，未設計上位機，只設置相應故障代碼，通過(guò)4位數碼管顯示，使維修人員可根據故障信息方便查找到故障點(diǎn)。如：（a）壓縮機油壓低、水壓低等故障信號，可由現場(chǎng)防爆電接點(diǎn)壓力表測得，直接送至PLC，由PLC控制實(shí)現聲光報警和延時(shí)停車(chē)；（b）增設現場(chǎng)振動(dòng)傳感器，并將信號送至PLC，對壓縮機運行狀況進(jìn)行顯示和診斷。

　?。?）采用變頻控制后，實(shí)現了壓縮機的軟起動(dòng)，減小了起動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊；節電效果明顯，1年內可回收全部投資。

　　(2)采用PLC后，組成閉環(huán)自控系統，實(shí)現自動(dòng)調節，運行更加穩定可靠。

　?。?）變頻器、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內，可就地或遠控操作，方式簡(jiǎn)單靈活。

　?。?）系統可擴展性較好。若有多臺壓縮機在變頻/工頻供電方式下運行時(shí)，只需將增加信息或信號引至PLC，即可實(shí)現整個(gè)系統的自動(dòng)控制；若生產(chǎn)需要，本系統也可方便接入DCS或上位機，建立人機界面的監控系統等。

　　(5)預測性維護檢修可大大延長(cháng)壓縮機使用壽命，提高可靠性，減少停車(chē)損失，降低運行費用。

　?。?）PLC控制電動(dòng)機在變頻/工頻供電方式下切換時(shí)，須保證各接觸器閉合和斷開(kāi)順序以及足夠的延時(shí)，以防止電動(dòng)機繞組產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢加載到變頻器的輸出逆變橋上，造成損壞。

　?。?）PLC須實(shí)現KM2和KM4間的互鎖，以防止2臺電動(dòng)機同時(shí)變頻起動(dòng)，使變頻器因過(guò)載而損壞。

　?。?）因2臺電動(dòng)機會(huì )在短時(shí)間內分別在工頻和變頻下同時(shí)運行，故變頻控制柜的總電源開(kāi)關(guān)需按2臺電動(dòng)機負載量考慮。