用PLC和變頻器對(duì)石油氣壓縮機(jī)的控制
一 工藝要求
(1)正常生產(chǎn)過(guò)程中,2臺(tái)壓縮機(jī)應(yīng)至少有1臺(tái)運(yùn)行,即使在相互切換時(shí),也不允許發(fā)生兩臺(tái)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(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析,以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)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(chǎng)實(shí)際測(cè)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(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)實(shí)際壓力在設(shè)定壓力附近波動(dòng),保證壓力穩(wěn)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。
(2)壓縮機(jī)長(zhǎng)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(lái)越大,容易造成壓縮機(jī)各部件的損壞。由PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)情況進(jìn)行判斷分析,可提前對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行計(jì)劃性維護(hù)保養(yǎng),這樣可大大延長(zhǎng)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(tái)Siemens ECO1-7500/3變頻器、1臺(tái)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(tái)現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器和2臺(tái)振動(dòng)測(cè)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(duì)壓縮機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控分析,以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)維修。主回路如圖2。
(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(chǔ)器VBx,用來(lái)指明控制環(huán)的起始地址;操作數(shù)LOOP是控制環(huán)號(hào)(常數(shù),0~7)。編號(hào)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(hào)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(hào)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(hào),2路振動(dòng)信號(hào))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(guò)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)?,F(xiàn)場(chǎng)壓力變送器檢測(cè)管網(wǎng)出口壓力(4~20mA模擬量信號(hào)),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(hào),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(guò)程類似。
(6)報(bào)警及故障自診斷
通過(guò)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(duì)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(guò)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(hào),可由現(xiàn)場(chǎng)防爆電接點(diǎn)壓力表測(cè)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(chǎng)振動(dòng)傳感器,并將信號(hào)送至PLC,對(duì)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(duì)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(tái)控制柜內(nèi),可就地或遠(yuǎn)控操作,方式簡(jiǎn)單靈活。
(4)系統(tǒng)可擴(kuò)展性較好。若有多臺(tái)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(hào)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(cè)性維護(hù)檢修可大大延長(zhǎng)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(shì)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(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)變頻起動(dòng),使變頻器因過(guò)載而損壞。
(8)因2臺(tái)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(tái)電動(dòng)機(jī)負(fù)載量考慮。
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