摘要：以硝酸四合一機組為例子，對GE 90_70熱冗余系統在旋轉風機控制和檢測系統中的應用做簡單介紹。 關鍵詞：壓縮機、熱冗余 一、前言： 隨著近年來硝酸行業的蓬勃發展，國內很多化工廠都相繼上馬年產10萬噸的雙加壓法硝酸生產線，而四合一機組就是生產線的心臟。可編程控制器（PLC）以其在操作、控制、效率和精度等各個方面所具有的無法比擬的優點，迅速占領了工業生產中的各個領域，在旋轉風機的控制中也占有不可或缺的位置。尤其旋轉風機本身具有喘振特性，要求控制系統迅速作出反應，這就更加凸顯了PLC控制的優勢。這里以硝酸四合一機組的控制為例子，對GE公司的90_70系列PLC在此領域的應用做一個介紹。 二、工藝要求： 硝酸四合一機組由軸流壓縮機、NOX壓縮機、尾氣透平膨脹機、汽輪機、變速箱，和配套輔機，包括潤滑調節油站和相關閥門等件組成。硝酸四合一機組中，軸流壓縮機、NOX壓縮機為耗功設備，尾氣透平膨脹機、汽輪機為原動機，共同驅動軸流壓縮機、NOX壓縮機。軸流壓縮機是硝酸工程的原料壓縮機，軸流壓縮機所壓縮的空氣與氨混合后進入氧化爐，進行氧化反應，生成的氨氧化合物混和氣經廢熱鍋爐進行熱交換，然后進行速冷，溫度降至60℃，經脫水后進入NOX壓縮機，經過壓縮的氣體進入吸收塔，制成硝酸，從塔頂逸出的尾氣經預熱、過熱后進入膨脹機做功，回收能量，尾氣做功后經煙囪排入大氣。 自控系統要求檢測系統過程參數，計算后對作用到執行機構上，使過程參數符合工藝要求；對各個工藝變量進行實時檢測，防止系統由于工況異常而出現事故,特別是當機組出現喘振的趨勢，系統要能迅速作出反應，對機組進行控制，防止喘振的發生；當工藝變量異常時，系統能夠報警、停車。 三、設計選型： 系統硬件選用美國GE_Fanuc公司的90_70雙機熱備系統作為PLC主站，VersaMax系列作為系統I/O子站，上位使用DELL工控機，配備20’寬屏液晶顯示器。 90_70系列PLC是GE公司推出的針對中等規模PLC控制系統的一系列產品，這里選用其中的IC697CGR772型號，采用96MHZ主頻，1M用戶內存，特別支持雙機熱備。雙機熱備系統中兩個PLC主站互為備用。正常工作時其中一個對系統進行控制，另一個作為備用，在主機架出現問題的情況下，無擾切換到備用機架，以保證系統的正常運行，讓客戶可以從容對問題機架進行維護。 VersaMax系列作為GE的低端產品，主要應用在小型控制系統上，這里選用這個系列的I\O模塊產品作為下位的I/O子站，主要是出于成本考慮，其在較低價格的基礎上性能能夠完全滿足客戶需求，并且具有結構緊湊、易于安裝、兼容性好等優點。 在90_70和VersaMax系列I/O子站之間使用Genius總線進行連接。Genius總線每層局部網絡最多可以支持31個裝置，裝置之間最大通訊距離為7500英尺，傳輸速率最大為153.6kbps。每個90_70機架上選用2塊專門的總線控制模塊IC697BEM731,配合下位I/O子站的IC200GBI001，構成冗余Genius總線通訊系統。冗余系統能夠在其中一條Genius總線出現故障的時候，保證系統通訊正常，確保生產過程的安全性。 上位工控機特意選擇20’寬屏液晶顯示器，主要是為了讓現場工作人員能夠長時間觀察系統畫面不至過度疲勞。 在90_70控制站和上位工控機之間使用以太網進行連接，控制站上選用專門的以太網通訊模塊IC697CMM742，通過交換機，和上位工控機進行數據交換。 由于系統還要和專門的旋轉機械檢測設備本特利3500系統進行通訊，所以在90_70控制站上還安裝了編程協處理器模塊IC697PCM711，專門和本特利3500進行數據交換，保證數據的及時、準確。 為了和工藝上的DCS系統進行通訊，系統還在90_70控制站上安裝了通訊協處理器模塊IC697CMM711，保證通訊暢通。 系統結構見下圖 四、設計過程： 目前控制系統普遍采用如下模式： 現場操作人員<====>上位操作畫面<====>PLC<====>現場監控設備 PLC通過現場設備讀取各種現場數據，通過編制好的程序，進行邏輯判斷，傳遞給現場的設備進行動作。同時現場的操作人員可以通過上位機讀取數據、對相關設備進行操作。 其中主要的工作重點，一個是PLC內部程序的編制，要求能完全滿足工藝的要求，確保設備安全、穩定的長期運行。另一個就是上位畫面的繪制組態，要求能夠符合現場工作人員的習慣，操作盡量簡潔、明了。 ⑴下位機編程： 下位編程使用GE公司的CIMplicity Machine Edition軟件（簡稱ME），它是GE公司開發的讓用戶可在個人電腦上進行控制程序開發，然后通過以太網或其他方式下載到PLC中的新一代編程軟件。其內置大量先進、實用的公共編程工具，讓用戶使用最少的時間去學習軟件的使用，把更多的精力用于控制程序的開發。 編程過程主要是將下位I/O子站傳輸上來的各種信號經過變換、計算后，得到我們需要的信號或數據，在此程序中主要包括如下幾個方面： 量程變換 在編程過程中，首先將所有模擬量輸入信號進行量程變換，使其在上位機顯示出實際值。由于現場來的模擬量信號都為4～20mA信號，經過AI模塊轉換后，對應到相應AI為0～32000的數字值，所以為了得到該信號代表的實際值，需要將該數值除以32000再乘以量程，最后加上量程下限，得到實際值。 例如：壓力量PI6501量程是0.5MPa～1.5MPa，如果此時輸入的模擬信號為16mA，則在PLC中認為該AI為等于24000的一個數值，24000/32000×（1.5-0.5）＋0.5＝1.25MPa，這才是該點的實際值。 機組啟動 四合一機組的啟動需要滿足很多條件，包括潤滑油壓力、調節油壓力、盤車電機解鎖、油箱液位、兩個防喘閥開度都為最大等等，這些條件必須同時滿足，才能允許機組啟動。 停車連鎖 為了整個機組的安全，當某些條件一旦出現，機組必須停車，避免發生事故。比如潤滑油壓力低、冷凝泵同停、軸振動高、軸位移高、速關油壓力低、調節閥過高而轉速低等等，這些條件的任意一個都需要使機組停車，而機組的停車操作需要進行諸如關閉速關閥、開防喘閥、開尾透出口閥、關尾透進口閥等一系列操作，這些操作必須及時、準確的達到設計要求。 防喘振 喘振是各類壓縮機、鼓風機等大型旋轉設備特有的機械現象。一般表現為：快速的流量波動、迅速的壓力振蕩，喘振會導致風機的流量和壓力極其不穩定。由于喘振同時伴隨有反向的軸向推力和反向介質流動，從而造成風機的間隙改變，降低風機的效率，縮短風機的壽命，對風機造成嚴重危害。 四合一機組共有兩個需要喘振調節的設備：NOX壓縮機和空氣壓縮機，他們的控制原理是一樣的，只是喘振線的數據不同。當PLC檢測到喘振即將發生時，會通過PID算法控制喘振閥進行“快開慢關”的操作，達到防止喘振發生的目的。喘振線和防喘振線都由風機的生產廠家在現場進行試驗后提供。 汽輪機熱井排水閥、回水閥調節 通過PID計算，對汽輪機排水閥、回水閥開度進行控制，對熱井液位進行調節，使其保持在現場工作人員設定的數值。 低壓設備控制 控制包括潤滑油泵、油加熱器、事故油泵、冷凝液泵、盤車電機等設備在內的8個低壓控制設備，使其工作狀態能夠顯示在上位畫面上，并且在旋鈕開關打到自動狀態下時，能夠在上位機畫面上進行相應設備的啟停操作。 調節在上位畫面上對靜葉開度、尾透進口閥、出口閥等設備進行控制。 編程過程力求安全、全面，要盡量全面的考慮可能發生的各種情況，并設計出相應的處理方法，同時盡量使程序簡潔，加快運行速度。 ⑵上位機畫面 上位機畫面采用GE公司的iFix3.5，該軟件也為GE_Fanuc公司產品，提供了大量實用繪圖工具，讓上位畫面的繪制簡單、快捷。PLC與上位畫面之間使用以太網進行通訊，保證了通訊質量。畫面主要是讓操作人員感覺操作簡潔、明了、習慣、快捷。一般的操作都可在3次操作內完成。 五、總結： 系統自投運以后，一直運行正常，從未因自控系統造成過系統故障停車，保證了產量，也就保證了企業的效益。 此系統的優越性體現在以下幾個方面： 速度快，能夠滿足防喘振對“高速處理”的要求 通過Genius總線和以太網通訊，能夠滿足“高速通訊”的要求 熱備冗余系統保證了系統穩定性，方便在不影響生產的同時對系統進行硬件 易于擴展，同第三方模塊的融合