用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)石油氣壓縮機(jī)的自動控制

　　山東濱化集團(tuán)有限公司有2臺石油氣壓縮機(jī)，單機(jī)額定功率75kW，一開一備運(yùn)行方式，而在實(shí)際生產(chǎn)中只需大約45kW輸出功率。

　　壓縮機(jī)在低于額定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載率較低，而且其風(fēng)壓與流量大小要靠手動閥調(diào)節(jié)，操作困難，也浪費(fèi)大量電能。為此，考慮采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造，用PLC實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和各種控制功能。運(yùn)行實(shí)踐證明，該方案穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效果明顯。

　　一工藝要求

　　（1）正常生產(chǎn)過程中，2臺壓縮機(jī)應(yīng)至少有1臺運(yùn)行，即使在相互切換時(shí)，也不允許發(fā)生兩臺機(jī)器全部停止的現(xiàn)象。

　?。?）保持壓縮機(jī)出口壓力在預(yù)定值上。

　　（3）能實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測性檢修。

　　二系統(tǒng)控制原理

　　（1）工藝專業(yè)設(shè)定壓縮機(jī)管網(wǎng)正常出口壓力為P1，而現(xiàn)場實(shí)際測定壓力為P2，根據(jù)ΔP（=P2-P1）值大小由PLC內(nèi)PID功能模塊進(jìn)行PID運(yùn)算，控制變頻器來改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到所要求的壓力。當(dāng)ΔP＞0時(shí)，現(xiàn)場壓力偏高，則提高變頻器輸出頻率，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速加快，提高實(shí)際風(fēng)壓；當(dāng)ΔP＜0時(shí)，現(xiàn)場壓力偏低，則使轉(zhuǎn)速降低，ΔP減小。這樣不斷調(diào)整，使ΔP趨于0，現(xiàn)場實(shí)際壓力在設(shè)定壓力附近波動，保證壓力穩(wěn)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

　　(2)壓縮機(jī)長期運(yùn)行，造成各部件間隙變大，這樣引起的振動會越來越大，容易造成壓縮機(jī)各部件的損壞。由PLC對現(xiàn)場振動情況進(jìn)行判斷分析，可提前對壓縮機(jī)進(jìn)行計(jì)劃性維護(hù)保養(yǎng)，這樣可大大延長設(shè)備的使用壽命，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，減少設(shè)備故障引起的非計(jì)劃性停車。

　　三設(shè)計(jì)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(kuò)展模塊）以及接觸器、操作按鈕、1臺現(xiàn)場壓力變送器和2臺振動測量裝置（振動變送器）組成，用PLC實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)出口壓力單回路閉環(huán)PID控制以及壓縮機(jī)起動、停止、切換、故障處理等各種電氣控制功能，由振動變送器對壓縮機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控分析，以實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)維修。主回路如圖2。

　?。?）PID運(yùn)算功能的實(shí)現(xiàn)

　　S7-200系列中CPU215/216具有32位浮點(diǎn)運(yùn)算指令和內(nèi)置PID調(diào)節(jié)運(yùn)算指令等特殊功能。使用時(shí)，只需在PLC內(nèi)存中填寫1張PID控制參數(shù)表（見下表），再執(zhí)行指令：PIDTABLE，LOOP，即可完成PID運(yùn)算。其中操作數(shù)TABLE使用變量存儲器VBx，用來指明控制環(huán)的起始地址；操作數(shù)LOOP是控制環(huán)號（常數(shù)，0～7）。編號為2、4、5、6、7的參數(shù)固定不變，可在PLC主程序中設(shè)定；編號為1、3、8、9的參數(shù)具有實(shí)時(shí)性，須在調(diào)用PID指令時(shí)填入。

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

　?。?）起動

　　M1和M2各有兩種起動方式，可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇變頻/工頻起動方式。

　?。?）運(yùn)行

　　正常情況下，電動機(jī)M1處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動機(jī)M2處于停機(jī)備用狀態(tài)?，F(xiàn)場壓力變送器檢測管網(wǎng)出口壓力（4～20mA模擬量信號），并與預(yù)定值相比較，經(jīng)PLC內(nèi)部專用PID指令進(jìn)行運(yùn)算，得到變頻器所需頻率信號，自動調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)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，變頻器停止工作。

　　（5）切換

　　當(dāng)需從電動機(jī)M1切換到M2時(shí)，接觸器KM2斷開，KM1閉合，此時(shí)電動機(jī)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，電動機(jī)M2在變頻器驅(qū)動下起動；完全起動后，KM1斷開，電動機(jī)M1停止，切換操作結(jié)束。電動機(jī)M2切換到M1過程類似。

　?。?）報(bào)警及故障自診斷

　　通過PLC內(nèi)部程序設(shè)定報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)，一旦出現(xiàn)故障立即停止相應(yīng)操作并報(bào)警。對于故障自診斷功能，考慮到成本問題，未設(shè)計(jì)上位機(jī)，只設(shè)置相應(yīng)故障代碼，通過4位數(shù)碼管顯示，使維修人員可根據(jù)故障信息方便查找到故障點(diǎn)。如：（a）壓縮機(jī)油壓低、水壓低等故障信號，可由現(xiàn)場防爆電接點(diǎn)壓力表測得，直接送至PLC，由PLC控制實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警和延時(shí)停車；（b）增設(shè)現(xiàn)場振動傳感器，并將信號送至PLC，對壓縮機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行顯示和診斷。

　?。?）采用變頻控制后，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的軟起動，減小了起動電流對電網(wǎng)的沖擊；節(jié)電效果明顯，1年內(nèi)可回收全部投資。

　　(2)采用PLC后，組成閉環(huán)自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

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

　?。?）系統(tǒng)可擴(kuò)展性較好。若有多臺壓縮機(jī)在變頻/工頻供電方式下運(yùn)行時(shí)，只需將增加信息或信號引至PLC，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動控制；若生產(chǎn)需要，本系統(tǒng)也可方便接入DCS或上位機(jī)，建立人機(jī)界面的監(jiān)控系統(tǒng)等。

　　(5)預(yù)測性維護(hù)檢修可大大延長壓縮機(jī)使用壽命，提高可靠性，減少停車損失，降低運(yùn)行費(fèi)用。

　?。?）PLC控制電動機(jī)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順序以及足夠的延時(shí)，以防止電動機(jī)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢加載到變頻器的輸出逆變橋上，造成損壞。

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

　?。?）因2臺電動機(jī)會在短時(shí)間內(nèi)分別在工頻和變頻下同時(shí)運(yùn)行，故變頻控制柜的總電源開關(guān)需按2臺電動機(jī)負(fù)載量考慮。