1 引言
萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司于2005年8月投產(chǎn)的制氧機(jī)是一套22000m3/h內(nèi)壓縮流程制氧機(jī)組。采用常溫分子篩凈化空氣，增壓透平膨脹機(jī)制冷，采用規(guī)整填料技術(shù)及全精餾制氬的外壓縮流程。氮壓機(jī)采用ATLAS HMH8型設(shè)備，由四級(jí)蝸殼設(shè)備和一臺(tái)西門子電機(jī)組成。氮壓機(jī)工作過程是在西門子電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下通過聯(lián)軸器帶動(dòng)齒輪箱工作，將空分中分離出來的氮?dú)馔ㄟ^四級(jí)蝸殼進(jìn)行四級(jí)壓縮從而達(dá)到2.5MPa的高壓無油氮?dú)庀蛲廨斔汀２⑼ㄟ^的喘振保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)本身的軸系統(tǒng)的保護(hù)工作。

2 控制要求及主要控制功能
控制程序主要完成氮壓機(jī)設(shè)備的啟動(dòng)—停止聯(lián)鎖控制，潤滑油系統(tǒng)的順序控制，輔助油泵的手/自動(dòng)啟動(dòng)—停止及溫度過熱保護(hù)功能，系統(tǒng)的溫度、壓力、閥位聯(lián)鎖等控制，入口導(dǎo)葉和防喘振閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，壓縮機(jī)特有的喘振保護(hù)功能，保護(hù)并保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)場(chǎng)總線、DCS、PLC等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)組自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通訊及上位機(jī)管理。

3 硬件配置及技術(shù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
3.1 控制系統(tǒng)硬件配置
(1) 系統(tǒng)配置
控制系統(tǒng)硬件配置 氮?dú)鈮嚎s機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與主DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。并通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程中空氣壓縮、氮?dú)鈮嚎s等子系統(tǒng)的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通訊及上位機(jī)管理，可完整地監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)情況。硬件配置示意圖如圖1所示。

圖1 硬件配置示意圖
系統(tǒng)以Win2000為運(yùn)行平臺(tái)，從而確保系統(tǒng)的通用性、開放性和易用性。系統(tǒng)提供了功能塊圖FBD、梯形圖LAD、語句表STL和CFC等圖形化組態(tài)手段。系統(tǒng)使用同一套組態(tài)工具軟件STEP7完成過程級(jí)控制策略和操作級(jí)HMI組態(tài)及調(diào)試，并使用同一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫和項(xiàng)目樹，使得程序生成靈活簡單，清晰明了。
S7-400 PLC是SIEMENS公司推出的目前功能最強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，支持多種國際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，既可連接常規(guī)I/O，又可連接Remote I/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。
(2) 上位機(jī)配置
上位機(jī)配置 PLC系統(tǒng)選用的是西門子SIMATIC S7-400可編程控制器，監(jiān)控軟件采用SIMATIC WINCC,并帶有1個(gè)操作員站OS、1個(gè)工程師工作站ES。PLC與上位機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊，光纖連接。如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)框圖
上位機(jī)的監(jiān)控功能主要包括畫面顯示、系統(tǒng)的運(yùn)行操作、報(bào)表管理及報(bào)警功能。便于故障跟蹤和智能分析，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、分析故障、解決故障創(chuàng)造了有利條件。

3.2 控制系統(tǒng)采用的技術(shù)
(1) 可變周期任務(wù)運(yùn)行S7-400 PLC控制器高度容錯(cuò)自動(dòng)化系統(tǒng)控制程序采用“任務(wù)運(yùn)行”方式，每個(gè)任務(wù)都可設(shè)定運(yùn)行周期和優(yōu)先級(jí)。所以該控制器既可滿足復(fù)雜調(diào)節(jié)回路控制要求，又可滿足快速電氣開關(guān)量控制，從而一個(gè)控制器可以覆蓋工廠所有環(huán)節(jié)的控制要求且系統(tǒng)編程語言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)。
(2) 開放的TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)技術(shù) S7-400 PLC控制系統(tǒng)通信模件為標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)模件，使系統(tǒng)無須增加設(shè)備就可與工廠局域網(wǎng)連接;由于系統(tǒng)支持各種OPC數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)與各種第三方數(shù)據(jù)庫或軟件的數(shù)據(jù)交換更加容易。
(3) PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時(shí)間必須要比主站(PLC)程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。
3.3 功能設(shè)計(jì)特點(diǎn)
氮壓機(jī)采用遠(yuǎn)程分布式控制方式，遠(yuǎn)程站設(shè)在壓縮機(jī)機(jī)旁柜，觸摸屏操作和監(jiān)控。本控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程手動(dòng)操作及上位機(jī)管理，可完整地監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)情況。
(1) 在手動(dòng)方式下，可通過計(jì)算機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)對(duì)所有受控閥門進(jìn)行控制，微小增/減開度的按鈕，可避免操作人員的誤操作導(dǎo)致工況的不穩(wěn)定。
(2) 在自動(dòng)方式下，主PLC主要實(shí)現(xiàn)了下列功能:
●入口導(dǎo)葉和旁通閥之間自動(dòng)聯(lián)鎖調(diào)節(jié)控制，即自動(dòng)加載和自動(dòng)卸載控制可實(shí)現(xiàn)無人操作;
●氮壓機(jī)排氣壓力控制旁通閥和入口導(dǎo)葉回路的自動(dòng)調(diào)節(jié);
●氮壓機(jī)電機(jī)限流控制器控制回路的自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)變負(fù)荷;
●氮壓機(jī)“流量比調(diào)節(jié)器”防喘振控制和喘振保護(hù)功能;
●氮壓機(jī)報(bào)警、開/停車聯(lián)鎖控制、輔油泵啟/停聯(lián)鎖控制等。
3.4 系統(tǒng)工作原理
(1) 系統(tǒng)通訊
氮壓機(jī)PLC控制采用SIEMENS S7-400 PLC，人機(jī)界面采用TP270觸摸屏?？刂破髋c人機(jī)界面之間使用profibus現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，即CPU414-2DP模板所帶的DP接口通過通訊電纜與人機(jī)界面的profibus-DP口相連;控制器通過以太網(wǎng)模塊與操作站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。通過編制適當(dāng)?shù)目刂瞥绦?，?shí)現(xiàn)了氮壓機(jī)溫度、壓力、流量、振動(dòng)等各種工藝參數(shù)的集中監(jiān)視、記錄、歸檔并報(bào)警;壓縮機(jī)啟動(dòng)和緊急停車等順序聯(lián)鎖控制以及重要的防喘振控制。
(2) 防喘振
PLC配置的喘振探測(cè)部分監(jiān)視壓縮機(jī)出口壓力的變化從而保護(hù)壓縮機(jī)防止受到?jīng)_擊壓力的影響。壓力變化的范圍和方向決定了出口壓力的斜率。如果該斜率在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)下降到低于最低設(shè)定點(diǎn)(出口壓力快速下降)然后又上升超過了最高設(shè)定點(diǎn)(出口壓力快速上升)，系統(tǒng)則通過沖擊報(bào)警指出發(fā)生了沖擊周期。最低和最高斜率設(shè)定點(diǎn)和沖擊周期時(shí)間都可根據(jù)具體設(shè)備調(diào)節(jié)。
發(fā)生沖擊報(bào)警時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)行卸載(BOV完全打開，同時(shí)IGV關(guān)閉達(dá)到其最小位置)。在按壓復(fù)位按鈕確認(rèn)沖擊報(bào)警之前不可能使壓縮機(jī)負(fù)載。確認(rèn)后，壓縮機(jī)自動(dòng)負(fù)載。如果在2min內(nèi)探測(cè)到6個(gè)沖擊周期，應(yīng)急停機(jī)就被觸發(fā)，壓縮機(jī)由于沖擊壓力而停機(jī)。沖擊周期的次數(shù)和對(duì)沖擊周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的時(shí)間期限可根據(jù)具體設(shè)備調(diào)節(jié)。
如果該選項(xiàng)獲得允許，系統(tǒng)則在下述情況下使沖擊報(bào)警復(fù)位:持續(xù)2min沒有沖擊，并且在前面的一個(gè)小時(shí)內(nèi)的沖擊不超過3次。這樣，系統(tǒng)可忽略對(duì)壓縮機(jī)影響很小的單件的沖擊周期并自動(dòng)負(fù)載而不需要操作人員干預(yù)。
通過在調(diào)試期間用手控方式對(duì)壓縮機(jī)施加沖擊壓力使其達(dá)到限值可生成沖擊探測(cè)采用的最小和最大設(shè)定點(diǎn)。在控制條件下生成的這些限值用于保護(hù)壓縮機(jī)防止受到?jīng)_擊。
控制系統(tǒng)計(jì)算壓縮機(jī)最后4個(gè)出口壓力的平均值并使該平均值與設(shè)定點(diǎn)對(duì)比。IGV和BOV如下響應(yīng)該壓力。
具有“流量比調(diào)節(jié)器”的防喘振控制。就能量從葉輪賦予流體的方式而論，離心式壓縮機(jī)它的壓縮比與進(jìn)氣側(cè)體積流量的關(guān)系是拋物線。在低流量范圍內(nèi)，由于氣體的可壓縮性會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)，稱作喘振。這時(shí)壓縮機(jī)特性曲線呈現(xiàn)負(fù)阻特性，從而導(dǎo)致一個(gè)不可控的極限環(huán)。當(dāng)流量減小到喘振線以下時(shí)，壓縮比就要下降，使流量進(jìn)一步減小，使輸出管線中的壓縮氣體向壓縮機(jī)倒灌。在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)，流動(dòng)方向又會(huì)反過來，除非加以校正，否則1s內(nèi)又會(huì)開始另一次循環(huán)。根據(jù)流量孔板的差壓與壓縮機(jī)壓比的關(guān)系，我們采用流量比調(diào)節(jié)器調(diào)整進(jìn)氣側(cè)的流量使其保持在防喘振線的上方。如果流量接近防喘振線，就必須立即打開旁通閥。
入口導(dǎo)葉和旁通閥控制。低于設(shè)定點(diǎn)的排氣壓力 旁通閥在低壓下關(guān)閉。如果旁通閥達(dá)到完全關(guān)閉的位置而排氣壓力仍然低于該設(shè)定點(diǎn)并且在死區(qū)的范圍外，入口導(dǎo)葉就開始打開。當(dāng)排氣壓力達(dá)到死區(qū)范圍內(nèi)并且在設(shè)定點(diǎn)附近時(shí)，入口導(dǎo)葉就停止打開。在旁通閥關(guān)閉之前，入口導(dǎo)葉不能移動(dòng)。
高于設(shè)定點(diǎn)的排氣壓力 旁通閥在高壓下打開。當(dāng)壓力達(dá)到死區(qū)范圍內(nèi)并且在設(shè)定點(diǎn)附近時(shí)，旁通閥停止打開。
電機(jī)電流限流 如果電機(jī)電流超過了滿負(fù)荷電流，電機(jī)電流限流功能則工作。按照排氣壓力打開入口導(dǎo)葉的所有命令都被禁止。但入口導(dǎo)葉仍然響應(yīng)排氣壓力的控制而關(guān)閉。
3.5 自動(dòng)變負(fù)荷功能設(shè)計(jì)
根據(jù)熱線生產(chǎn)的需要，操作人員按照調(diào)度人員下達(dá)的管網(wǎng)壓力要求，只需從操作界面上輸入壓力設(shè)定值，氮壓機(jī)的旁通閥和入口導(dǎo)葉便會(huì)從當(dāng)前開度慢慢調(diào)整到壓力設(shè)定點(diǎn)附近需要的開度，無須操作人員進(jìn)行長時(shí)間的手動(dòng)操作。這一人性化設(shè)計(jì)給操作人員帶來很大方便，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和避免了誤操作。

3.6 潤滑油系統(tǒng)控制
潤滑油系統(tǒng)向齒輪箱和電動(dòng)機(jī)軸承提供清潔的、溫度得到控制的油。內(nèi)部加熱器保證了油箱溫度保持在高于最低溫度1000F。系統(tǒng)自動(dòng)將齒輪箱油溫控制在900F，即啟動(dòng)需要的溫度以上。油箱配備了低油位報(bào)警和停機(jī)功能。
該系統(tǒng)配備2只潤滑油泵:主油泵(用齒輪箱機(jī)械驅(qū)動(dòng))和輔助油泵(電氣驅(qū)動(dòng))。只要壓縮機(jī)在運(yùn)行，主油泵就提供潤滑油。如果需要，當(dāng)壓縮機(jī)不運(yùn)行或者雖然壓縮機(jī)在運(yùn)行但油壓下降到低于報(bào)警設(shè)定點(diǎn)時(shí)，輔助油泵則運(yùn)行。油箱溫度必須至少達(dá)到600F才能使輔助油泵運(yùn)行。該系統(tǒng)有泄壓閥保護(hù)防止過壓。
(1) 輔油泵運(yùn)行方式。
●手控
只要油箱溫度保持在600F以上，輔助油泵就持續(xù)運(yùn)行。
●自動(dòng)
壓縮機(jī)不運(yùn)行時(shí)，泵自動(dòng)循環(huán)使齒輪箱的油溫保持在壓縮機(jī)啟動(dòng)需要最低溫度以上。當(dāng)油溫下降達(dá)到低于920F時(shí)，泵便啟動(dòng)，當(dāng)油溫上升到超過960F時(shí)泵便停機(jī)。如果油箱溫度下降到低于600F，泵就不能運(yùn)行。(油箱加熱器應(yīng)該自動(dòng)將油箱溫度保持在高于1000F。)如果壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)油壓下降到低于23psi表壓，泵便啟動(dòng)。當(dāng)油壓上升到高于34psi表壓時(shí)，按壓復(fù)位按鈕使泵停機(jī)。由于該方式將油溫保持在高于啟動(dòng)需要的最低溫度，所以建議采用該方式。
●備用
如果壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)油壓下降到低于23psi表壓，泵便啟動(dòng)。當(dāng)油壓上升到高于34psi表壓時(shí)，按壓復(fù)位按鈕使泵停機(jī)。但當(dāng)壓縮機(jī)不運(yùn)行時(shí)，該泵就不運(yùn)行維持油溫。
(2) 自動(dòng)方式或備用方式輔助油泵運(yùn)行條件。
●如果壓縮機(jī)開始啟動(dòng)時(shí)泵不在運(yùn)行，泵便啟動(dòng)。如果主驅(qū)動(dòng)器達(dá)到全速時(shí)油壓超過了34psi表壓，泵就停機(jī)。如果油壓保持低于34psi表壓，泵就繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)油壓達(dá)到34psi表壓時(shí)，按壓復(fù)位按鈕使泵停機(jī)。
●如果壓縮機(jī)在運(yùn)行、油壓下降到低于23psi表壓并且觸發(fā)了報(bào)警，泵就啟動(dòng)。當(dāng)油壓上升到超過了34psi表壓，按壓復(fù)位按鈕使泵停機(jī)。
●壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，泵便啟動(dòng)并運(yùn)行一個(gè)小時(shí)潤滑和冷卻軸承。
●如果壓縮機(jī)至少停止運(yùn)行了30s并且壓縮機(jī)出口壓力超過了2psi表壓，泵就啟動(dòng)。如果壓力下降到低于2psi表壓，按壓復(fù)位按鈕使泵停機(jī)。該壓力設(shè)定點(diǎn)初始設(shè)置在2psi表壓，但在調(diào)試時(shí)可進(jìn)行調(diào)節(jié)。
通過引導(dǎo)一部分油流過冷卻器可使齒輪箱油溫保持在低于最低值。恒溫閥自動(dòng)調(diào)節(jié)通過冷卻器的油流量從而將溫度保持在1100F。經(jīng)過冷卻器后，油通過濾油器，然后進(jìn)入齒輪箱。
4 結(jié)束語
該系統(tǒng)ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線、S7-400 PLC等先進(jìn)控制技術(shù)的綜合采用，以及“自動(dòng)變?nèi)蝿?wù)運(yùn)行周期”、“自動(dòng)變負(fù)荷”、“排氣壓力斜度控制”的喘振保護(hù)、“流量比調(diào)節(jié)器”防喘振控制等先進(jìn)控制功能的實(shí)現(xiàn)，使得該機(jī)組自建成投產(chǎn)以來，工作穩(wěn)定，安全性和可靠性高,故障停機(jī)率低,機(jī)組產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量穩(wěn)定，為萊鋼大H型鋼生產(chǎn)線提供了連續(xù)、優(yōu)質(zhì)的氮?dú)鈿庠矗ＷC了熱線生產(chǎn)的順利進(jìn)行，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。