某石化集團(tuán)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(dòng)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(dòng)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。
(2)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(dòng)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(dòng)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(dòng)，保證壓力穩(wěn)定。
(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(dòng)會(huì)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(dòng)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Siemens ECO1-7500/3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(dòng)測量裝置(振動(dòng)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(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(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。
(1)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：PID TABLE, 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(dòng)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(dòng)信號)和1路模擬量輸出通道(接至變頻器)。
(2)起動(dòng)
M1和M2各有兩種起動(dòng)方式，可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇變頻/工頻起動(dòng)方式。
(3)運(yùn)行
正常情況下，電動(dòng)機(jī)M1處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)M2處于停機(jī)備用狀態(tài)。現(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(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到所需管網(wǎng)壓力。
(4)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(dòng)機(jī)M1切換到M2時(shí)，接觸器KM2斷開，KM1閉合，此時(shí)電動(dòng)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(dòng)，電動(dòng)機(jī)M2在變頻器驅(qū)動(dòng)下起動(dòng)；完全起動(dòng)后，KM1斷開，電動(dòng)機(jī)M1停止，切換操作結(jié)束。電動(dòng)機(jī)M2切換到M1過程類似。
(6)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(dòng)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。
四、幾點(diǎn)體會(huì)和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題
(1)采用變頻控制后，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的軟起動(dòng)，減小了起動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。
(3)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。
(4)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(dòng)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。
(6)PLC控制電動(dòng)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(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢加載到變頻器的輸出逆變橋上，造成損壞。
(7)PLC須實(shí)現(xiàn)KM2和KM4間的互鎖，以防止2臺電動(dòng)機(jī)同時(shí)變頻起動(dòng)，使變頻器因過載而損壞。
(8)因2臺電動(dòng)機(jī)會(huì)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(dòng)機(jī)負(fù)載量考慮。
