趙艷濤 郝報 張洵
摘要：本文闡述我們對PLC在壓縮機中應用的認識,了解高性能PLC在大型機組控制中的應用。首先通過對壓縮機控制系統的現狀分析進行系統設備選型，用SIEMENS公司的S7—400產品實現冗余控制，和復雜的高級運算；然后對儀控系統進行說明，充分考慮氧氣壓縮機易燃易暴的特殊性，進行盤柜設計和用STEP7編程軟件進行程序編制并進行網絡組建,主機架和其它機架以及觸屏采用PROFIBUS-DP總線連接，協議為西門子自帶的總線協議。PLC與上位機的通訊為以太網，用TCP/IP開放式的網絡協議，便于以后的網絡擴展。CPU上MPI（多點接口）用于和編程器以及其他的CPU通訊。根據操作規程進行上位系統（工控機）的組態，上位系統采用INTOUCH組態軟件，功能強大，報表和趨勢系統完善，使操作安全、便捷。用I/OSERVER軟件實現STEP7和INTOUCH的數據鏈接；用PROTOOL6.0實現對觸屏的組態和與PLC的通訊。經過實驗、調試形成一套比DCS更靈活比繼電器、二次表控制更安全可靠的控制系統。
關鍵詞：PLC;機架；冗余；以太網；MPI網絡；PROFIBUS-DP總線；聯鎖；
Abstract: This paper describes our application of PLC in Compressor and understand high-performance PLC in a large machine control applications. First by the status of the compressor control system analysis system equipment selection, with the SIEMENS company's S7-400 product to achieve redundancy control, and complex high-level operations; and then explain to the instrument control system to take full account of flammable oxygen compressor easy to violence are unique, for enclosure design and programming with STEP7 programming software and the network formation, the host aircraft and other rack, as well as touch-screen using PROFIBUS-DP bus connection, the agreement for the Siemens built-in bus protocol. PLC and PC communication for Ethernet, with TCP / IP open network protocols to facilitate the future network expansion. CPU on the MPI (Multi Point Interface) is used and the programmer as well as other CPU communications. According to operational procedures for the upper system (IPC) configuration, the upper system uses INTOUCH configuration software, powerful, reports and trends in the system perfect, so that safe and convenient. With the I / OSERVER software STEP7 and INTOUCH data link; PROTOOL6.0 achieve touch-screen with the configuration and communication with the PLC. Through experiments, the formation of a set of debugging more flexible than the DCS than the relays, the second table control more secure and reliable control system.
Keywords: PLC; rack; redundancy; Ethernet; MPI network; PROFIBUS-DP bus; interlock;
1.引言
原有的1#氧壓機是現存的唯一能夠提供氧氣的壓縮機，其工藝流程復雜，聯鎖點較多，DCS控制系統為橫河早起生產的μxl，1994年投入生產運行。該壓縮機經過十多年的連續運行，機組本體及控制系統多次因故障等問題停車維護，由此也多次導致乙二醇裝置因無氧氣供應而停止生產?，F在隨著時間的推移，故障率逐年增加，增加一臺新的氧氣壓縮機作為備用勢在必行。
2.控制系統硬件配置方案
由于PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。采用以PLC為核心的控制系統取代原先的模擬儀表控制系統不僅使系統更加安全、可靠而且易操作、易管理、易維護，可以進行優化控制和先進控制。另外從價格因素考慮，新的計算機控制系統價格與常規模擬儀表控制系統相當，甚至低于常規模擬儀表控制系統，而且日后維護、檢修的費用都較低。
通過對可行性建議的充分討論和研究決定新增加一臺氧氣壓縮機，設備采用杭州氧壓機廠的7300NM3/H氧氣透平壓縮機儀控系統PLC采用德國SIEMENS公司S7-400H產品，由一個主機架（CPU機架）和四個擴展機架（ET200）構成，其中主機架CPU型號為S7414-4H，它為冗余型CPU，當PLC正常工作時，如果其中一套CPU發生故障時則系統自動切換到另一套CPU上工作，以保證氧壓機不間斷正常運行，主機架上的卡件都為冗余配置，其中主要卡件除CPU外還包括2塊電源卡，負責給主機架上相關卡件提供工作電源，兩塊通訊卡型號為CP443其主要負責和上位機通訊。四個擴展機架上負責通訊的卡件IM153-2均為冗余配置，以保證I/O卡件通訊良好狀態，
其中數字量輸入模板為SM321，DI16*24VDC，
數字量輸出模板為SM322，DO16*24VDC/0.5A，
模擬量輸入模板為SM331，AI8*12；
模擬量輸出模板為SM332，AO4*12；
模擬量輸入模板為SM331，AI8*RTD；
PLC系統供電由兩個20A的SIEMENS電源提供，同樣也是冗余配置，以保證系統良好運行。
3.控制系統軟件配置方案
本系統在軟件上用STEP7 V5.3用于PLC的編程和硬件及網絡的組態；控制室上位機采用DELL產品，系統軟件采用WINDOWS2000，人機界面采用INTOUCH8.0中文版來完成組態,控制室可以完成開、停車及控制的所有操作，上位機CRT顯示氧壓機開停車狀態、壓力、溫度、震動、位移等參數，顯示報警狀態、歷史趨勢圖、調節閥開關狀態，并具有報表打印功能。用I/OSERVER軟件實現STEP7和INTOUCH的數據鏈接；用PROTOOL6.0實現對觸屏的組態和與PLC的通訊。
4.控制系統網絡結構及網絡協議配置
本系統S7400主機架和其它機架ET200M以及觸屏采用PROFIBUS-DP總線連接。PLC與上位機的通訊采用以太網，通過主機架上的CP443網卡連接，用TCP/IP開放式的網絡協議，便于以后的網絡擴展。CPU上的MPI（多點接口）用于和編程器以及其他的CPU通訊，
MPI網絡可用于單元層，它是 SIMATIC S7, M7 和 C7的多點接口。
單元層和現場層的通訊系統采用PROFIBUS，用于連接單元層上對等的智能結點和智能主機與現場設備間的循環的數據交換。
圖一為由高速以太網和PROFIBUS-DP總線組成的S7-400網絡組態圖：
圖一氧壓機S7-400網絡組態圖
5. 氧氣壓縮機的特點
低壓氧氣由入口導葉進入壓縮機，經各個氣缸的壓縮、冷卻后，在出口達到較高的壓力，再經高壓旁通閥和高壓放空閥調節到所需的壓力。兩級壓縮機的進出口都有密封裝置，有氧氣、氮氣和氧氮混合氣密封。密封氣的壓力與氣缸內的壓力保持一定的差值，以免潤滑油進入氣缸內部或溢出。密封不好會造成潤滑效果不佳，使相關部位溫度升高，機件磨損嚴重，加速設備老化，增加不安全因素。
壓縮機各段進出口氣體溫度及各運轉部位的溫度正常與否是反映壓縮機運轉狀態好壞的重要標志，而各摩擦部位溫度的高低，與安裝和潤滑情況的好壞有關。因此在壓縮機的溫度控制中，要密切關注壓縮機各部位的溫度變化，如機殼、電動機、氣缸內氧氣以及轉軸等任意一處溫度超出高高限，就必須停掉壓縮機，以免毀壞壓縮機和發生危險。氣缸內氧氣溫度高時，還需打開與低壓氧氣進口處并聯的緊急滅火氮氣進口，同時關掉氧氣。
正常生產中，壓縮機運行穩定，振動很小。然而在異常情況下，振動會變得很大，影響正常生產，嚴重時會使壓縮機“飛車”，損壞設備，危及人身安全，因此就需要監測壓縮機軸承的振動情況，當軸的位移超過高高限時，須停壓縮機。
氧壓機的工藝特點：空分裝置生產出的低壓氧氣經氧壓機壓縮到3.0Mpa，然后送往乙二醇裝置。由于壓縮介質為高純度(99.8%)的氧氣，要求氧壓機必須安全、穩定、長周期運行，同時對氧壓機的操作和監控也提出了很高的要求，主要有以下幾點：
(1)操作必須遠離現場，實現遙控自動操作。
(2)要求完整的安全保護系統。
(3)系統可靠性要高，確保氧壓機連續運轉。
6.壓縮機控制方案
由于氧氣壓縮機比較復雜, 必須同時考慮如下幾個方面的控制問題：
1、流量或壓力控制系統
滿足工藝提出的流量或壓力控制要求，同時實現設備的節能運行，這就要求設 置一套流量或壓力自動控制系統。
2、防喘振控制系統
喘振現象對設備危害極大，必須專門設置一套防喘振控制系統，確保設備運行安全。
3、吸入氮氣壓力調節系統
在氧氣壓縮機剛開車時，先通入氮氣運轉進行吹掃，待系統穩定后再倒入氧氣，本系統為保證氧壓機在作氮氣運轉時的吸入壓力恒定而設。
4、軸封差壓及壓力調節系統
為保證氧壓機的可靠軸封，有效地防止氧氣或油泄漏出來，空氣或密封用滲入機內而設。
5、軸承室的密封氣壓力控制，保持密封壓力恒定。
6、混合氣體與吸入氧氣之間的差壓控制，保持混合氣體與吸入氧氣之間的差壓恒定。
7、軸封氮氣和軸封氧氣與混合氣體之間的差壓調節系統，保證混合氣體順利排出。當差壓偏離設定值時，靠改變由高壓缸軸封氧氣室流回低壓缸吸入管道的氧氣量來維持差壓在設定值。在調節系統失靈以致造成差壓降低時報警，差壓過低時停車。
8、軸承溫度和機殼溫度的控制
當軸承溫度和機殼溫度非正常升高時，開高壓氮氣閥進行緊急噴氮，快速把機體內的氧氣吹除，避免發生爆炸。
9、油路控制系統
大型壓縮機、風機和泵類設備都配有一套供油系統，如軸承密封油、潤滑油、閥門的控制油等，需要設置一套油壓、油溫的控制和聯鎖報警系統。對于那些原使用同軸油泵的設備，還必須考慮調速后油壓下降可能造成的危害，需另外設置獨立的工作油泵。
10、綜合故障監控系統
因其功率大，轉速高，又是單機運行，是工廠的核心生產設備，它的安全運行至關重要，其運行參數如壓力、溫度、振動、噪聲、軸向推力、軸向位移等必須嚴格監控，并與調速控制系統聯鎖，因此有必要設置綜合故障監控系統。
需要指出是，上述控制系統不是孤立的，它們應該相互聯系起來，才能實現整個系統的協調控制。為了使該系統安全可靠，主要選用AB、SIEMENS和HONEYWELL等國際著名公司的產品作為系統硬件，將所有的監控點和控制回路組態成畫面，組成較DCS更靈活、經濟，而且速度更快、更安全可靠的控制系統；具備參數監視、歷史記錄、各控制回路調節、報警聯鎖、聯鎖切除、工作點運行狀態顯示：故障分析提示、與上位機通訊、自診斷(包括線路診斷)以及各種打印功能等。PLC控制和手動控制雙重控制系統，即在PLC斷電或不能正常工作的情況下，用手動控制系統來操縱主要系統閥門，保證機組的安全運行; 雙重監控畫面，即就地監控與中控室監控.、就地監控的英文與漢化選擇, 設置遠程異地調試; 設計熱備冗余 。
7.系統構成特點
安全可靠，系統機柜內的220V交流電源和24V直流電源都接入UPS電源柜，外部電源故障斷電后可維持40分鐘不間斷供電，不會對PLC系統供電產生影響。
組態方便，可在線修改。工程師站和操作員站即可進行離線編程組態和流程圖修改，也可進行在線編程組態，并采用軟連接的方式對組態控制方案進行動態顯示和模擬操作。所有組件可在線插拔，在線增減I/O卡件，在線修改控制組態并下裝及在線修改流程圖并下裝。
易于維護性：組態專有功能塊可對各個部件進行測試，診斷和維護，一旦卡件損壞，系統檢測到以后立即以聲光報警形式報警并啟動打印機打印設備名稱、故障類別及發生時間等。與此同時故障設備也有發光二極管亮燈提示，維護人員可及時處理。
8．結束語
該套控制系統經調試后機組于2004年6月一次開車成功運行至今，S7-400 PLC控制系統運行良好，人機界面直觀，流程圖美觀大方，運行設備的啟動條件和停機聯鎖一目了然，操作簡單方便，控制系統合理、可靠獲得了操作和管理人員的一致認可，控制系統的硬件配置和軟件組態體現了很高的性價比，為空分裝置及乙二醇用氧裝置的長期可靠運行提供了強有力的保障。由上述可見當今高性能的PLC完全可以完成順序控制、復雜回路控制和高級運算功能，而且方式靈活，安全可靠。有著廣泛的應用前景。
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