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    前言

    原料空氣壓縮機系統對于整個空分裝置而言，空氣壓縮機的穩定運行直接影響到所有的后續系統的穩定性，目前空壓機的控制方式有機器廠家自帶PLC控制器，或在DCS上實現控制，而后者被越來越多的應用，空壓機控制系統的設計在整個儀控設計中同樣有著極為重要的作用，空壓機系統自動化水平的高低直接影響了整套空分裝置的自動化水平。

    河北前鋼21000Nm3/h空分裝置主體設備由杭氧生產，空壓機采用的是美國Copper 公司3MSG25/ 10型三級壓縮的壓縮機, 配套的電機是美國西屋公司10000kW電機, DCS控制系統采用的是美國HONEYWELL公司的PKS（ R301版本）系統，通過PKS系統的控制組態軟件Control Build 可以創建控制模塊（CMs），順序控制模塊（SCMs），及硬件設備，通過執行下位程序的編寫和運行監視，實現各種控制策略的組態；通過流程圖組態軟件HMIweb Display Build則可以實現繪制用戶流程圖、連接顯示數據、組態數據及圖形參數，并且利用強大VB代碼可以實現包括動態顯示在內的各種功能；而通過第三方控制系統數據庫組態軟件Quick Builder可以建立上位軟件與下位硬件之間讀取數據的接口，從而在操作站軟件上搭建監控系統平臺，從而真正達到DCS系統的分散控制，集中操作、分級管理。

    空壓機系統控制要求

    （1）恒壓控制

    原料空壓機的作用就是滿足工藝要求送出一個壓力恒定的氣流，為分餾塔分餾提供原料空氣，所以它的最基本的控制要求就是恒壓控制。

    （2）防喘振控制

    喘振工況是空壓機系統的非正常工況，也是離心式壓縮機特有的工況之一，具有破壞性。如果空壓機出現喘振，則會直接損壞空壓機設備，造成空分停車事故，所以必須要避免喘振現象的發生，以免造成更大的損失。

    （3）故障聯鎖邏輯控制

    在空壓機正常運行時，只要有任意一個監控參數達到聯鎖值，為了避免損壞設備，必須將空壓機停車。這也是空壓機的故障聯鎖控制的基本要求。

    （4）輔助安全控制

    高壓保護控制：為了防止出口壓力過高，空壓機的出口壓力設置一個安全保護范圍，使它工作在正常范圍之內。
    電機過載保護控制：為了防止空壓機電機超負荷工作，限制入口導葉無限開大，通過電機過載保護控制器調節導葉而減小負荷。

    （5）空壓機自動加載和自動卸載

    實現空壓機的自動加載大大方便了操作人員的操作，避免了操作升壓時誤操作而引起空壓機喘振，縮短了人工加載的加載時間，具有升壓快，升壓電流小，節能的特點。

    通過了解以上各個控制要求，我們控制策略的設計必須合理、有效的把各個要求都在我們的控制系統中得以實現，從而對空壓機的可靠運行提供重要的保障。

    空壓機自動控制系統設計

    在先前的介紹中，我們已經了解可以通過Control Build實現控制策略的組態，而在整個空壓機系統的設計中，我們通過控制模塊CM、順序控制模塊SCM，將以上幾個控制要求很好的結合在一起，并且各司其職。既實現了各種控制要求，又實現了自動加載、卸載，停車邏輯等保護。

    空壓機系統中被控對象就是兩個閥門：入口導葉IGV1001,放空閥BOV1002。通過各個控制模塊的組合設計，讓各個控制器在該起作用的時候就接過控制權，控制閥門動作，使其工作在穩定、安全的工作區域。圖1、圖2分別是入口導葉IGV1001和防空閥BOV1002的控制框圖。

               

                                              圖1 入口導葉控制

    圖1中，HC1001是入口導葉手操器，PIC1019B是入口導葉壓力控制器，IIC1060是電流保護控制器，UNLOAD_RAMP是卸載爬坡器， IGV_RAMP是入口導葉爬坡器，CALC是一個計算模塊。PIC1019B和HC1001的信號通過高選器輸出，之后再與電流保護控制器的輸出低選，最后通過與導葉的最小開度計算作為最終的輸出信號，最后的計算公式的意義也就是保證了導葉開度在20%-100%之間調整。電流保護控制器一般有兩種控制方法，一種就是與電流保護控制器信號低選，另一種就是直接減去（100-電流控制器信號），若是選擇了第一種則需要對電流控制器的輸出做一個跟蹤，從而保證過流控制器在過流的情況下馬上進行減負荷。

               

                                         圖2 放空閥控制

    圖2中，HC10012是放空閥手操器，PIC1019A是放空閥壓力控制器，IIC1061是防喘振控制器，BOV_RAMP是放空閥爬坡器，有0-100%和100-0%兩段。防喘振控制不管采用哪種方式原理都是類似的，都是根據出口壓力計算出的設定值，這也就決定了防喘振控制器必須投串級控制，該計算公式則在做完喘振曲線之后通過平移計算得出，此外喘振控制器的輸出需要跟蹤。圖中HC1002與BOV_RAMP的輸出高選作為PIC1019A控制器的低限跟蹤信號，同時將PIC1019A的模式置為串級，在自動加載中也正是利用這一塊來實現對放空閥的自動控制，當PIC1019A的輸出大于低限跟蹤信號時，加載完成，放空閥處于自動控制。

    自動加載簡單說就是通過用程序和邏輯控制自動完成對閥門的控制達到設定壓力的步驟。空分中常用的自動加載有兩種：一種是入口導葉和放空閥同時動作，另一種是導葉和防空閥分時動作，保證調節的時候始終只有一個閥門在動作。顯然，第一種控制方案對PID參數設置的要求更高，相當于MIMO（多輸入多輸出）系統，對于第二種方案，相當與兩個SISO（單輸入單輸出）系統，參數調整相對容易些，但是必須解決好兩個控制器之間轉換的銜接問題，控制回路相對復雜。筆者此次項目空壓機控制方式采用的是第二種控制方式，本加載控制系統由兩個程序和之前介紹的控制模塊組成。整個加載控制方案的程序框圖見圖3、圖4。
在每次啟動空壓機之前，將程序置在運行狀態，開始程序之后，程序將初始化各模塊的參數，程序在等待空壓機運行信號和加載信號到來之后，程序觸發入口導葉爬坡器IGV_RAMP，入口導葉也將從0開始向20%爬坡，同時這個開度也將作為入口導葉的最小開度(該開度廠家確定)，在程序判斷導葉到達最小開度之后，選擇自動加載或手動加載，同時判斷放空電磁閥邏輯是否得電。若是選擇手動加載，程序將執行手動加載程序，將HC1001、HC1002模式置為手動，UNLOAD_RAMP輸出置為100%，BOV_RAMP輸出置為0%，PIC1019A置為串級，通過操作手操器實現對空壓機系統的加載，在出口壓力接近PIC1019A的設定值之后，該控制器將起作用，放空閥將處于自動控制狀態，到此手動加載程序完成；

                

                                    圖3 空壓機自動加載主程序框圖

    若是選擇自動加載，則只要操作員按下自動加載按鈕，程序開始執行自動加載程序，自動加載程序的動作將按如下步驟進行，首先繼續動作入口導葉，將PIC1019B的輸出按一定速率開到合適開度（接近正常工作開度），該開度可以根據實際情況可調，之后觸發BOV_RAMP下降段開始提壓,當PIC1019A的輸出大于BOV_RAMP的輸出時放空閥處于自動控制，到此，空壓機自動加載程序完成。需要注意的是，IIC1060、IIC1061兩個控制器只要空壓機運行就分別投自動模式、串級模式，不允許修改。

    上述過程中，只是把空壓機達到了設定壓力，沒有向后續系統送氣，所以在開始向后續系統送氣的過程中，放空閥會繼續在PIC1019A的控制下關小，當BOV的開度小于1%之后，恒壓控制的任務將由PIC1019B 控制器來完成，PIC1019B的模式將變成自動模式，同時為了防止放空閥同時動作，PIC1019A的設定值將自動增加0.03MPA。PIC1019B的模式置為自動之后，操作員可以人為干預，從而防止失調現象，而該PID模式的轉換，可以通過圖5小程序來實現。

               

                              圖4 空壓機結束程序 圖5導葉控制器模式轉換程序

    在加載完成之后，程序等待在卸載步，分為自動卸載和緊急卸載，自動卸載可用在計劃停車時，而緊急卸載則是根據卸載邏輯來觸發，后續系統故障、空壓機進入安全線等都將觸發程序緊急卸載，從而讓空壓機工作在安全狀況下。卸載的結果都將是放空閥全開，入口導葉在最小位置，當故障排除之后，可以通過畫面上的按鈕從新來選擇加載方式進行加載。

    空壓機加載程序由主程序和結束程序組成，且兩者具有優先級，結束程序優先于主程序，這樣就很好的保護了空壓機，在加載的任意時間，只要有故障邏輯或則停電，空壓機程序將立刻走結束程序，自動完成各參數初始化。

    4、總結

    通過在現場的實際應用，整個加載程序達到了預期的目的，整個加載過程快速而又平穩，圖6即為在現場使用程序后的加載歷史曲線圖。

               

                                    圖3 空壓機加載曲線

    從圖中我們可以看到在升壓的過程中，快速而又平穩，在達到設定壓力之后，三條曲線都很穩定，且在開始向后續系統送氣之后，出口壓力還是穩定在設定值處，也就達到了我們自動控制的要求，取得了比較滿意的效果。