基于PCS7对膨胀机控制系统进行改进的应用

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【摘 要】本文针对透平膨胀机运行过程中出现的问题，通过SIMATIC pcs7软件对CFC程序连锁逻辑进行分析，结合膨胀机操作流程及设备特性对CFC程序进行完善，通过对连锁逻辑关系进行改进和增加功能块，防止操作过程中的膨胀机非正常停车，避免干扰信号引起的跳车，同时提高了操作和维护的效率。

【关键词】膨胀机；转速；PCS7；联锁逻辑

1 引言

福建三安钢铁有限公司为配套新100万吨年生产能力，新建的1套20000Nm3/h等级的空气分离装置。仪控系统采用SIMATIC PCS7过程控制系统。配套硬件模块为SIMATIC S7-400系列。空分装置采用常温分子筛吸附净化，增压透平膨胀机制冷；采用规整填料技术及全精馏无氢制氩的外压缩流程。其中，膨胀机制冷量是维持空分工况稳定的重要保障。因此确保增压透平膨胀机组的稳定运行是非常关键的。

2 膨胀机工艺流程简介

膨胀机系统工艺流程图简图如图（1）所示。ET401/402分别为A/B膨胀机；B401/402分别为A/B增压机。以A台为例，V405A为紧急切断阀，HC406A为导叶控制调节阀，V404为增压机旁通阀。当膨胀机启动准备完成后。操作V405A打开，膨胀空气通入机组，遥控HC406A调节增压空气流量，随着膨胀机转速上升带动B401工作。再慢关V404A进行提速。两台机组结构形式完全一致，互为备用。A台切换到B台操作流程为：慢开V404A直至100%，降低A台转速。手动操作V405B打开。慢开HC406B对B台提速至11000rpm左右。手动操作V405A关闭。慢关V404B对B台进行提速。增压机是由膨胀机直接带动，两者具有相同的功率、气量、转速。超速运转易使膨胀机失控导致“飞车”。而膨胀机失速时气量减少易使增压机进入喘振区导致“喘振”而损坏设备。应避免在叶轮敏感区时间停留过久，还要对机组运行各参数进行实时监控设置连锁，防止超压、超速、超温运转，在发生异常工况时能连锁停机保证设备的的安全运行。

3 系统运行中出现的问题及分析

3.1 故障现象

由上文可知膨胀机转速不仅直接关系着空分冷量的供给，对机组设备稳定运行的影响也非常大。空分投产以来，膨胀机运行中碰到以下一些故障现象。在对膨胀机进行手动切换操作过程时，对运行中膨胀机提速、降速操作过程中易导致直接连锁停车。运行中膨胀机也出现多次无故障跳车现象。这对空分运行及膨胀机组设备寿命都造成影响，对生产稳定运行造成隐患。针对出现的问题，通过SIMATIC PCS7软件中连续功能图（CFC）对膨胀机系统连锁控制程序对故障源进行逐一排查。

3.2 膨胀机启停逻辑

CFC中膨胀机启停逻辑组态图如图（2）所示。图中ET401跳车连锁块为逻辑“OR”功能块，输入点引脚1～11分别来自各监控参数块的连锁值输出引脚，其中引脚5为：膨胀机转速超低连锁；引脚7为：膨胀机转速超高连锁。只有当输入引脚信号全部为状态0时“OR”功能块输出才为0，只要一个输入为状态1，“OR”逻辑块即输出状态1，该状态分为三路送出，如（图2） A路送入控制增压机出口回流阀逻辑功能块“OR”使V404A打开。B路与其他信号共同送入“AND”使V405A关闭。C路送至“ET_TRIP”用于DCS画面报警指示膨胀机跳车。

3.3 转速跳车连锁逻辑

如图（3）所示转速模拟信号分两路，一路送入PID块“SICAS401A” 。PID块中“PVL_WRN”引脚为低限报警，“PVL_ALM”为底限连锁。当转速低于8000rpm时PID输出引脚“QPVL_ALM”输出1，与转速连锁功能块“OP_D”信号一起送入“AND”块，当SIAS401A连锁投入（即“OP_D”块输出“QO”为1）时，“AND”逻辑输出1 ，经延时块“TIMER_P”送入ET401跳车连锁“OR”块输入引脚5连锁停机。另一路送入测量值显示功能（MEAS_MON）块“SIAS401A”。“U_WH”为高限报警，“U_AH”为高限连锁。“QH_ALM”（如箭头E所指）为连锁输出引脚，送入图（2）中ET401跳车连锁“OR”块输入引脚6连锁停机。

3.4 故障原因分析

经过分析发现膨胀机连锁停机程序存在一些不完善之处。首先由上文可知，为避免在叶轮敏感区时间停留过久，当运行时转速低于8000rpm时或正常开机过程中转速在8000rpm附近停留过长时都设置了低限跳车连锁。为保证开车过程转速8000rpm以下不连锁停机，只能在操作画面上将连锁投入块“SIAS401A连锁”手动置0。如图（3）在低转速连锁中串入延时块，因为膨胀机进行降速和升速操作都是缓慢进行，若是延时时间过短容易超过延时时间连锁停车，过长则在增压机流量进入喘振区停留过久而此时连锁未投入情况下易导致设备损坏。其次转速为模拟量信号以4～20mA电流信号，在传输过程中容易受到外界电磁干扰、温、湿度等影响而失真造成转速瞬间过低或过高都易造成膨胀机跳车。图（2）所示连锁跳车块各输入引脚分别表示不同来源的故障点，当“OR”输出信号为1时送入膨胀机跳车报警提示“ET_TRIP”功能块，当膨胀机故障停机时DCS画面上只提示膨胀机跳车报警信息并不能有效反应具体故障源，给运行操作人员操作设备和维护人员排查故障源都带来困难。

4 改进方案

结合上文膨胀机工艺和CFC中连锁设置对膨胀机连锁控制程序进行改进。增加一个逻辑功能块“AND”和一个延时块“TIMER_P” 加一个比较功能块“CMP_R”。延时功能块的输入引脚“TIME0”设置为Ts“MODE”=2，由状态时序图（4）可知，当“I0”接收上升沿信号，延时“T”s后若期间“I0”保持为状态1，“Q0”即输出状态1，直到“I0”恢复为0状态或者复位信号“RESET”置1，“Q0”才恢复输出0状态。而在延时“T”s期间只要“I0”接收到下降沿信号，即延时重新计算。

从图（3）所示“AND”逻辑功能块处引入图（5）所示增加的“SIAS401A连锁”逻辑功能块“AND” 同时增加一个连锁延时块“TIMER_P”，从“CH_DI”数字量输入模块读取机组运行状态1，送入连锁延时块“TIMER_P”（设置延时时间为600s），经延时块后也送入“SIAS401A连锁”逻辑功能块“AND”，最后由箭头D所示送入膨胀机ET401跳车连锁块“OR”引脚5。增加的CMP功能块输入引脚IN1来自SIAS401A转速AI信号，引脚IN2设置为实数15000，输出引脚设置为GE（即当输入引脚IN1≥IN2时，输出为状态1），送入连锁延时块“TIMER_P”的复位引脚“RESET”。输出引脚GE表示经过改进后，当对膨胀机进行提速操作时，运行超过600s后连锁延时块输出为1，连锁系统自动投入。此时将默认已是正常运行工况。不用手动取消或投入膨胀机连锁，避免了人为操作失误对设备带来的损害。而根据操作规程结合操作人员操作经验，开膨胀机提速过程设置为600s既保证足够时间提速经过喘振区，也不会时间过长而连锁未投带来的设备事故隐患。而加入CMP功能块可以保证当开膨胀机达到正常转速15000转以上（即IN1≥IN2）时自动复位“CMP_R”功能块，使其输出状态为0，送入逻辑功能块“AND”。这样当干扰信号导致转速瞬间超低连锁信号送入“AND”块时，“AND”块仍不会输出状态1。有效排除了外界干扰引起的转速信号瞬间波动超出连锁设定值，同时在回路中增加隔离安全栅之，对程序中连锁停机信号串入上文所述延时块 “TIMER_P”。设置“TIME0”=1.5s，经过串入延时块后只要瞬间超限信号不保持超过1.5s就不会引起连锁停车。这样不仅能过滤短暂干扰信号又不影响在设备发生故障时及时连锁停机保护设备。

针对连锁报警信息不够完善的问题，新增加12个“DIG_MON”功能块。在CFC中对ET401跳车连锁块“OR”12个输入引脚来源“CH_DI”功能块的输出端引脚分为两路送出，一路进入“OR”逻辑块连锁跳车，另一路送入“DIG_MON”块用于DCS画面上同步报警提示。报警功能块如图（6）所示，这样可以对每个连锁信号实现DCS画面同步报警提示，对于操作和维护都能节省大量时间。

5 结束语

针对实际生产运行过程中发现的问题，通过SIMATIC PCS7平台，能够有效的提出查找和解决故障问题的方案。不需要对外部硬件和设备进行改进或增减，只要通过连续功能图CFC对膨胀机连锁逻辑控制程序进行简单改善，就能达到预期的效果。经过改进后，使膨胀机正常的操作和维护工作都变得简便，机组运行过程中也没有出现过因外界干扰引起的跳车现象，保证了膨胀机组的正常运行，对空分工艺的稳定生产提供保障。

参考文献：

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