★合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)職業(yè)學(xué)院洪濱，王吉祥

★夏縣運(yùn)力化工有限公司孫愛鴻

1　概述

純硝酸是無色透明的發(fā)煙液體，一般商品硝酸帶有微黃色，有刺激性氣味，屬一級(jí)無機(jī)酸性腐蝕品。硝酸在化工、肥料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、化肥、涂料、軍事上有廣泛的用途。目前采用氨氧化法制造硝酸的工藝主要有以下幾類：常壓法、加壓法與綜合法。其中綜合法中的雙加壓法硝酸裝置由于氨利用率高、鉑耗低、氨吸收率高、尾氣中的NO_X含量低、熱能回收利用好、裝置自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)成本低、單套裝置規(guī)模大、綜合經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)優(yōu)等特點(diǎn)，已成為我國(guó)硝酸工藝的主流。各種氨氧化法制造硝酸工藝方法的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 三種稀硝酸生產(chǎn)工藝的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

當(dāng)前，以雙加壓法生產(chǎn)的硝酸產(chǎn)能可達(dá)到254萬噸，超過全國(guó)總產(chǎn)量的50％。而由汽輪機(jī)、NO壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)和尾氣透平組成的“四合一”機(jī)組，如圖1所示，則是雙加壓法硝酸裝置的核心設(shè)備，其在硝酸裝置總投資中約占50％。

圖1  硝酸“四合一”機(jī)組示意圖

過去我國(guó)的硝酸“四合一”機(jī)組長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)硝酸工業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過多年的努力，陜鼓集團(tuán)打破了國(guó)外核心技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了硝酸“四合一”機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化。其機(jī)組中的蒸汽透平由杭汽引進(jìn)西門子技術(shù)生產(chǎn)的成熟機(jī)型配套；空氣壓縮機(jī)為陜鼓引進(jìn)的蘇爾壽軸流壓縮機(jī)專利技術(shù)制造；氧化氮壓縮機(jī)為3級(jí)離心式壓縮機(jī)，是陜鼓本身成熟的機(jī)型；透平膨脹機(jī)參照國(guó)外技術(shù)最新設(shè)計(jì)。陜鼓的“四合一”機(jī)組可開發(fā)規(guī)模為：15萬噸/年（500噸/日）、20萬噸/年（670噸/日）、27萬噸/年（900噸/日）、36萬噸/年（1230噸/日）、45萬噸/年（1500噸/日）等各種不同規(guī)模的最新雙加壓法硝酸裝置。

值得注意的是“四合一”機(jī)組必須協(xié)調(diào)一致，但由于各壓縮機(jī)對(duì)氣體的壓力、流量、溫度變化較敏感，易發(fā)生喘振。專家研究發(fā)現(xiàn)喘振是工作在小流量工況時(shí)發(fā)生的不穩(wěn)定狀態(tài)，是壓縮機(jī)的一種固有現(xiàn)象，具有較大的危害性，是“四合一”機(jī)組損壞的主要誘因之一。

2　稀硝酸雙加壓工藝與“四合一”機(jī)組

2.1　稀硝酸雙加壓工藝

所謂稀硝雙加壓工藝是指氨的氧化部分采用中壓（0.35～0.6MPa），NO_X的吸收部分采用高壓（1.0～1.5MPa）。該法由空氣中的氧和氨反應(yīng)生成氧化氮，然后在吸收塔內(nèi)由水吸收生成60%的稀硝酸。由于其吸收裝置采用較高的壓力，使得容積減少，酸濃度提高，生產(chǎn)強(qiáng)度增大，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。

圖2 稀硝雙加壓法化工工藝流程圖

圖2為稀硝雙加壓法化工工藝流程圖，其中，1、2為氨蒸發(fā)器，3為輔助氨蒸發(fā)器，4、5為氨過濾器，6為氨空混合器，7為蒸汽冷凝器，8為汽輪機(jī)，9為NO_X壓縮機(jī)，10為減速器，11為空氣壓縮機(jī)，12為空氣過濾器，13為尾氣透平，14為氨氧化爐，15為氣泡，16為廢熱鍋爐，17為高溫氣-氣換熱器，18為省煤器，19為低壓水冷器，20為NO_X分離器，21為二次空氣冷卻器，22為尾氣分離器，23為尾氣預(yù)熱器，24為高壓水冷器，25為吸收塔，26為漂白塔，27為冷酸器。

雙加壓工藝流程如下：

由界外來的液氨進(jìn)入氨蒸發(fā)器蒸發(fā)，得到的氣氨經(jīng)過熱器加熱、氣氨過濾器除去機(jī)械雜質(zhì)后，被送到氨空混合器與空氣混合。空氣經(jīng)過濾進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮后，分成一、二次空氣。一次空氣與氨氣混合后送到氧化爐，經(jīng)分布器均布于催化劑鉑銠合金網(wǎng)上，氧化生成一氧化氮（NO）；NO氣體經(jīng)蒸汽過熱器及廢熱鍋爐回收能量，再經(jīng)高溫氣-氣換熱器、省煤氣等降溫。隨著溫度的降低，混合氣中的N0被氧化為二氧化氮（NO₂）。

NO₂氣體入低壓反應(yīng)水冷凝器被冷卻產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的冷凝酸，酸氣混合物被氧化氮分離器分離，冷凝酸被泵送入吸收塔的塔板上；NO₂氣體則與來自漂白塔的二次空氣混合進(jìn)入氧化氮壓縮機(jī)，升壓后經(jīng)尾氣預(yù)熱器、高壓反應(yīng)水冷凝器降溫進(jìn)入吸收塔底部用水進(jìn)行吸收，在塔底得到濃度為60％左右的稀硝酸。稀硝酸被漂白塔底部通入的二次空氣氣提出溶解在酸中的N0₂氣體，再經(jīng)酸冷卻器冷卻后進(jìn)入成品酸槽。

由吸收塔出來的尾氣進(jìn)入尾氣分離器，分離夾帶的液滴后在換熱器中被二次空氣加熱，然后在尾氣預(yù)熱器、高溫氣-氣換熱器中被高壓氧化氮?dú)怏w加熱至360℃進(jìn)入尾氣透平膨脹機(jī)。

在廢鍋中產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)汽水分離器分離后進(jìn)入過熱器，被加熱至440℃左右，大部分蒸汽供本裝置的蒸汽透平使用，小部分送界區(qū)外蒸汽管網(wǎng)。

2.2　硝酸“四合一”機(jī)組（如圖3所示）

圖3 基于雙加壓法硝酸“四合一”機(jī)組

硝酸“四合一”機(jī)組由空氣壓縮機(jī)、氧化氮壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)、蒸汽透平組成。其工作機(jī)理是：通過汽輪機(jī)（蒸汽透平）和尾氣膨脹機(jī)（尾氣透平）所提供的能量來驅(qū)動(dòng)NO_X壓縮機(jī)（離心式壓縮機(jī)）和空氣壓縮機(jī)（全軸流式壓縮機(jī)）做功，四個(gè)機(jī)組一體化工作，才能完成稀硝酸工藝的生產(chǎn)任務(wù)。其中“透平”是外來語(yǔ)Turbine的音譯技術(shù)名稱，它泛指具有葉片或葉輪的渦輪機(jī)械。通常透平壓縮機(jī)和汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)等原動(dòng)機(jī)構(gòu)成透平壓縮機(jī)機(jī)組。

透平膨脹機(jī)是硝酸裝置流程中能量回收的重要設(shè)備之一。它利用經(jīng)尾氣反應(yīng)器處理后的高溫高壓尾氣沖動(dòng)膨脹機(jī)葉輪回收部分能量，以減少汽輪機(jī)的耗氣量。由于透平膨脹機(jī)一級(jí)靜葉在熱態(tài)下調(diào)節(jié)受限，如果控制失靈，極易發(fā)生喘振。

2.3　機(jī)組控制系統(tǒng)

“四合一”機(jī)組控制系統(tǒng)配置2臺(tái)操作站（OS）和1臺(tái)工程師站（ES），主機(jī)為SIEMENS專用工控機(jī)PC5478，采用RAIDl陣列方式實(shí)現(xiàn)冗余硬盤數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)備份。系統(tǒng)平臺(tái)為英文版Windows XP，并安裝了WinCC監(jiān)控軟件。控制站（AS）由一對(duì)冗余、容錯(cuò)的CPU417-4H構(gòu)成S7-400FH系統(tǒng)，在冗余的PROFIBUSDP總線下掛8個(gè)分布式ET200M從站，其中5個(gè)從站配置標(biāo)準(zhǔn)I/O模塊，另外3個(gè)從站配置F型故障安全模塊，用于機(jī)組重要的聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)使用。通過CP341模塊分別實(shí)現(xiàn)與BN3500和DCS的MODBUS數(shù)據(jù)通訊。

圖4 “四合一”機(jī)組DCS控制系統(tǒng)界面

如圖4所示，機(jī)組的啟/停控制屬于全自動(dòng)的控制模式，啟動(dòng)過程中除了在怠速期間可以操作暫停/繼續(xù)功能鍵外，其它的操作不能進(jìn)行人工干預(yù)操作。機(jī)組的啟/停控制由1～6步序組成，蒸汽透平啟動(dòng)復(fù)位前須具備相應(yīng)的開車條件。蒸汽透平啟動(dòng)后的升速和調(diào)速是由系統(tǒng)里的斜坡控制器和速度控制器分階段分別進(jìn)行控制。在現(xiàn)場(chǎng)操作盤上可對(duì)蒸汽透平的啟/停和速度控制進(jìn)行相應(yīng)的操作。在1～5步序中發(fā)生聯(lián)鎖跳車保護(hù)都會(huì)立即進(jìn)入到6步序中的6～1或6～2中去執(zhí)行相應(yīng)的閥門動(dòng)作，完成系統(tǒng)停車保護(hù)。

“四合一”機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制模塊主要參數(shù)如表2所示。

表2 “四合一”機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制模塊主要參數(shù)

3　硝酸“四合一”機(jī)組安全控制系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)硝酸裝置啟停車聯(lián)鎖、調(diào)速控制、冷凝器液位、各低壓泵、軸流及離心壓縮機(jī)靜葉、各調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)、防喘振控制、機(jī)組儀表目動(dòng)報(bào)警及各電機(jī)控制、機(jī)組啟停車聯(lián)鎖、油霧電棚、潤(rùn)滑油加熱器、盤車電機(jī)的控制是硝酸“四合一”機(jī)組安全控制系統(tǒng)的基本要求。

為了使硝酸“四合一”機(jī)組控制系統(tǒng)具有較高的安全水準(zhǔn)，控制系統(tǒng)做了以下研發(fā)與創(chuàng)新：

（1）獨(dú)特的歷史曲線分析技術(shù)（分析方法上的創(chuàng)新）;

（2）具有完善可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集技術(shù);

（3）獨(dú)創(chuàng)的面向機(jī)械故障診斷MDBase數(shù)據(jù)庫(kù)（數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)新）;

（4）豐富的信號(hào)分析技術(shù);

（5）實(shí)時(shí)在線的多窗口譜分析技術(shù)及機(jī)組總體狀態(tài)的掃描技術(shù);

（6）各類黑盒子數(shù)據(jù)的譜分析技術(shù);

（7）全自動(dòng)的啟、停機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)。

3.1　“四合一”機(jī)組防喘振技術(shù)

喘振的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，既與旋轉(zhuǎn)脫流形式有關(guān)，又與管網(wǎng)容量及其它一些因素有關(guān)。在喘振的先兆定義上，目前國(guó)際上仍然以Moore-Greizer的一維非線性模型為基礎(chǔ)，即式（1）：

其中，U-葉輪出口線速度；α-當(dāng)?shù)匾羲伲籚_p-儲(chǔ)氣容積；L_C-動(dòng)葉的平均直徑；A_C-入口等效面積；B表示了在壓縮機(jī)系統(tǒng)的容腔內(nèi)氣體的壓力和作用在容腔中的內(nèi)力的比值，它在整個(gè)壓縮機(jī)的非穩(wěn)態(tài)性能上起著決定性的作用。

對(duì)于任一個(gè)壓縮系統(tǒng)都有一個(gè)臨界的Bcr值，當(dāng)工況點(diǎn)B＜B_cr值時(shí)，不穩(wěn)定工況為旋轉(zhuǎn)失速；當(dāng)工況點(diǎn)B＞B_cr值時(shí)，不穩(wěn)定工況為喘振。這一模型在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析失速與喘振的數(shù)值模擬和壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)特性模型構(gòu)造等方面，己經(jīng)得到了較好應(yīng)用。影響硝酸“四合一”機(jī)組喘振的因素不是單一的，往往是多種因素綜合作用的結(jié)果，主要因素如下：

（1）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，其性能曲線也將隨之改變：當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，壓縮機(jī)葉輪對(duì)氣體所做的功將增大，在相同的容積流下，氣體的壓力也增大，性能曲線上移；反之，轉(zhuǎn)速降低則使性能曲線下移。對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)速，喘振流也不同。

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，喘振流也增大，隨著轉(zhuǎn)速的增加，喘振界限向大流區(qū)移動(dòng)。通過實(shí)測(cè)可得到不同轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)，將這些喘振點(diǎn)連接起來，就得到一條喘振界限線。

（3）在化工生產(chǎn)中，在工藝條件波動(dòng)的情況下，壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度、壓力、氣體組分影響分子的變化都會(huì)引起壓縮機(jī)性能曲線及喘振點(diǎn)的變化。進(jìn)氣狀態(tài)也是誘發(fā)壓縮機(jī)喘振的因素之一。

（4）壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)，流量小于最小設(shè)計(jì)值，在葉輪內(nèi)出現(xiàn)氣流的嚴(yán)重旋轉(zhuǎn)脫離。

（5）與壓縮機(jī)聯(lián)合工作的具有一定容的管網(wǎng)的壓力高于壓縮機(jī)所能提供的排氣壓力，造成氣體倒流，并產(chǎn)生大幅度的氣流脈動(dòng)。

硝酸“四合一”機(jī)組的喘振有以下危害：

（1）由于喘振時(shí)氣流強(qiáng)烈的脈動(dòng)和周期性振蕩，會(huì)使氣體的壓力、流量大幅度地波動(dòng)，破壞工藝系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

（2）加劇軸承與軸瓦的磨損，破壞潤(rùn)滑油膜的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的會(huì)使支撐瓦和止推瓦塊燒毀。

（3）會(huì)引起動(dòng)靜部件的摩擦，使壓縮機(jī)軸承彎曲變形，嚴(yán)重的情況下會(huì)使葉輪損壞。

（4）破壞壓縮機(jī)軸封裝置，使工藝氣體通過軸封處的泄漏量增大。

（5）影響與其連接的動(dòng)、靜設(shè)備的安全正常運(yùn)行，破壞機(jī)組的測(cè)控儀表，嚴(yán)重的會(huì)使塔、管線及換熱器損壞。

防喘控制依據(jù)機(jī)組的機(jī)械性能特性及喘振曲線（初始喘振檢測(cè)獨(dú)立于壓縮機(jī)性能曲線），結(jié)合式（1）計(jì)算公式來實(shí)現(xiàn)，具有直觀的人機(jī)界面和工作點(diǎn)狀態(tài)，從而使壓縮機(jī)工作于最佳工作點(diǎn)，控制系統(tǒng)根據(jù)壓縮機(jī)入口流量、入口壓力、出口壓力及相應(yīng)的溫度，利用完善可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)來判斷是否發(fā)生喘振。如發(fā)生喘振，則由防喘振控制器的輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)防喘振控制閥，實(shí)現(xiàn)提前保護(hù)，達(dá)到防喘振的目的。對(duì)于先進(jìn)防喘振系統(tǒng)，使用初始喘振檢測(cè)/超馳非常重要，因?yàn)樗粌H提供確保初始或喘振尖峰條件被檢測(cè)到的方法，而且通過消除內(nèi)部尖峰函數(shù)使備份控制更加容易，它也提高了防喘振控制環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度。通過外部初始喘振和喘振尖峰的調(diào)節(jié)，防喘振控制系統(tǒng)具有高的防喘振響應(yīng)速度和操作效率。

3.2　防喘控制方案

針對(duì)上述問題，對(duì)硝酸“四合一”機(jī)組的防喘振系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，思路如下：

（1）在WinCC中組態(tài)防喘振控制，同時(shí)做機(jī)組控制點(diǎn)畫面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。組態(tài)設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

利用WinCC的折線函數(shù)模塊，對(duì)壓縮機(jī)的性能曲線采用折線法，我們就可確定壓縮機(jī)的安全工作區(qū)域，從而可確定機(jī)組的防喘振線。以此防喘振線作為設(shè)定值，通過PID模塊來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）通過可變?cè)鲆鎭韺?shí)現(xiàn)輸出的調(diào)節(jié)作用。此增益值是可以改變的，來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的快慢，保證機(jī)組能在喘振時(shí)迅速回到正常狀態(tài)。

（3）針對(duì)以前的控制信號(hào)輸出易使裝置停工的問題，設(shè)計(jì)輸出改為分程控制。當(dāng)輸出信號(hào)在0～35％時(shí)，使小閥打開，30％～100％時(shí)火閥打開，使風(fēng)量不至于防空過量。

圖5 “四合一”機(jī)組防喘控制曲線

圖5中，折線l（紅線部分）是機(jī)組的喘振線，折線2（綠線部分）是機(jī)組的安全線或防喘振線，藍(lán)線中的點(diǎn)即為機(jī)組當(dāng)前的工作點(diǎn)。該工作點(diǎn)構(gòu)成的控制線在折線2的右方時(shí)，可認(rèn)為機(jī)組處于正常狀態(tài)；處于折線2的左方、折線l的右方時(shí)，機(jī)組處于臨界狀態(tài)；處于折線l的左方，可認(rèn)為機(jī)組已發(fā)生喘振。這樣，機(jī)組的實(shí)時(shí)狀態(tài)就可以一目了然了。

4　基于WinCC的硝酸“四合一”機(jī)組安全控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)將防喘振控制切入該系統(tǒng)中，根據(jù)工作點(diǎn)的運(yùn)行情況，結(jié)合防喘振線，可實(shí)時(shí)控制喘振閥的動(dòng)作，具有對(duì)喘振線的溫度補(bǔ)償、閥門的快開慢關(guān)、自學(xué)習(xí)、報(bào)警等一系列功能，實(shí)時(shí)保護(hù)機(jī)組的正常運(yùn)行，同時(shí)根據(jù)工藝情況實(shí)現(xiàn)跳車控制。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組氣路系統(tǒng)、油系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、軸系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。一次表在線修改量程、報(bào)警值、機(jī)組啟停車聯(lián)鎖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、工作點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、各泵的手自動(dòng)控制、各檢測(cè)點(diǎn)的歷史趨勢(shì)、報(bào)警、EXCEL日?qǐng)?bào)表生成功能、操作員在線對(duì)各調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)。

該控制系統(tǒng)允許對(duì)每個(gè)應(yīng)用的需求從防喘振到完全的性能控制（負(fù)荷能力、負(fù)載分配、去耦）進(jìn)行組態(tài)。基于WinCC，我們開發(fā)出“四合一”機(jī)組態(tài)防喘振控制技術(shù)及其啟動(dòng)-暖機(jī)-加速-運(yùn)行-超速試驗(yàn)-停車的順序控制方案，并能結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)流行的英國(guó)ICS、美國(guó)GE和德國(guó)SIEMENS等公司的自動(dòng)化產(chǎn)品。從單點(diǎn)I/O控制到三重化，安全等級(jí)從SlL-1到SlL-3，真正實(shí)現(xiàn)了“四合一”機(jī)組的集成控制（ITCC），“四合一”機(jī)組的性能控制更為優(yōu)化。

圖6 基于WinCC防喘控制組態(tài)設(shè)計(jì)流程

4.1　控制功能描述

硝酸“四合一”機(jī)組安全控制系統(tǒng)，下位機(jī)系統(tǒng)使用西門子S7-400PLC完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理；上位機(jī)系統(tǒng)采用西門子WinCCV5.1平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化的監(jiān)控。該系統(tǒng)上位機(jī)采用客戶機(jī)服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)，WinCC服務(wù)器負(fù)責(zé)從下位機(jī)采集、處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；客戶機(jī)從服務(wù)器上共享/訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的組態(tài)和運(yùn)行監(jiān)控，通過通信網(wǎng)絡(luò)將PLC控制器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，在上位機(jī)的顯示器畫面上顯示。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)操作工從HM1、控制開關(guān)、按鈕的指令信號(hào)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制。位于操作室和PLC室的WinCC操作站和WinCC服務(wù)器用于工藝控制，它們之間的通信將通過開放、交換式的快速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。來自現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器的信號(hào)被采集到相關(guān)的RI/O站，通過開放的PROFIBUSDP網(wǎng)送至PLC控制系統(tǒng)。幾乎所有的操作都通過WinCC操作站的顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤來實(shí)現(xiàn)。

組態(tài)設(shè)計(jì)流程的延時(shí)動(dòng)作是指防喘振控制閥FV-40270、FV-50270提前2秒先打開放空，其余聯(lián)鎖閥再動(dòng)作，以更好地保護(hù)機(jī)組實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停車。其停車信號(hào)主要包括以下現(xiàn)場(chǎng)控制模塊：

（1）潤(rùn)滑油壓PALL-10383（3選2）;

（2）透平出口壓力PAHH-20510（3選2）;

（3）透平出口溫度TAHH-20510（3選2）;

（4）BN3500的振動(dòng)跳車信號(hào)（N選1）;

（5）透平末級(jí)保護(hù)信號(hào);

（6）工藝停車信號(hào)ESD-31000;

（7）防倒流保護(hù)信號(hào)FALL-50209（3選2）;

（8）MFC速度控制故障;

（9）PCV20205運(yùn)行故障。

4.2　軟件配置

自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件采用西門子公司的PCS 7 V5.2軟件包，PLC控制系統(tǒng)軟件采用STEP7V5.2版本編程，HMl監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC V5.1版本編程，HM1服務(wù)器采用英文Windows2000 Server操作系統(tǒng)，HMl操作站都是采用英文Windows 2000 Professional操作系統(tǒng)。WinCCV5.1中Sybase SQLAnywhere數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行于服務(wù)器上，存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，可以通過多臺(tái)HMIClient實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換。作為Client/Server結(jié)構(gòu)，HM1上監(jiān)控的數(shù)據(jù)全部通過服務(wù)器提交查詢、修改等指令，通過光纖以太網(wǎng)再傳送至PLC，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的在線監(jiān)控與操作。

WinCC作為HM1軟件系統(tǒng)，它將工廠控制軟件真正集成進(jìn)自動(dòng)化過程中。WinCC用戶友好組件允許應(yīng)用程序的無錯(cuò)誤集成。WinCC，一個(gè)過程可視化應(yīng)用程序能夠使用戶方便地觀察自動(dòng)控制過程的全部特征。WinCC將Windows應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)和便于使用的圖形設(shè)計(jì)程序結(jié)合起來。WinCC包括用于解決過程監(jiān)控和控制任務(wù)的所有元素：

（1）WinCC項(xiàng)目工程環(huán)境

·圖形-設(shè)計(jì)工廠現(xiàn)場(chǎng)；

·歸檔-將帶時(shí)間標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)/事件存儲(chǔ)到SQL數(shù)據(jù)庫(kù)；

·報(bào)表編輯器-為要求的數(shù)據(jù)產(chǎn)生報(bào)表；

·數(shù)據(jù)管理器-定義并采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

（2）WinCC運(yùn)行系統(tǒng)允許操作員與機(jī)械運(yùn)行相互作用

（3）HMl的編程工具WinCC具有可擴(kuò)充性、開放性

·基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式；

·從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的任務(wù)擴(kuò)充；

·集成ODBC/SQL數(shù)據(jù)庫(kù)；

·強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口（如OPC、OLE、ActiveX）；

·通用的腳本語(yǔ)言ANSIC；

·針對(duì)所有主要PLC廠商的通信接口。

4.3　防喘振控制算法參數(shù)

·進(jìn)口流量測(cè)量差壓API（FT-50209D，0～15kPa）;

·壓縮機(jī)排氣壓力P2（PT-50229，0～0.6MPag）;

·入口導(dǎo)葉位置反饋（ZT-50285，150N7501）;

·喘振報(bào)警線，即圖5中的折線2（設(shè)置報(bào)警值C1，5％）;

·喘振響應(yīng)線（無）;

·喘振跳車線，即圖5中的折線1（設(shè)置跳車值C2，0％）;

·實(shí)際喘振線，即圖5中的控制線（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)）。

4.4　組態(tài)邏輯圖

監(jiān)控部分采用SIEMENS的WinCC組態(tài)軟件，利用其功能模塊可以實(shí)現(xiàn)防喘振控制。其邏輯圖如圖7所示。

圖7 WinCC組態(tài)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

圖7中，F(xiàn)UNC-VAR模塊：折線函數(shù)模塊，利用給定的點(diǎn)繪出一段折線；PID模塊：PID調(diào)節(jié)器模塊，對(duì)給定的參數(shù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)；CALCU模塊：計(jì)算模塊，可以進(jìn)行編程和計(jì)算的模塊；SPLIT模塊：分程模塊，對(duì)輸出進(jìn)行分程。

在邏輯圖中，先根據(jù)喉部差壓及機(jī)組的性能曲線由FUNCVAR模塊來確定機(jī)組的喘振折線，經(jīng)過CALCU模塊進(jìn)行偏置后，確定機(jī)組的防喘振曲線。偏置函數(shù)為CPV=BICLINE3.CPV*（1-P01），式中B1CLINE3為喘振線，P01為偏置數(shù)。以防喘振線的值為設(shè)定值，以主風(fēng)出口壓力為測(cè)量值，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

PID調(diào)節(jié)器BICll05的輸出信號(hào)進(jìn)CAL07模塊進(jìn)行高選的計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)的切換，并可保證機(jī)組的安全，防止誤操作。

4.5　組態(tài)程序

其程序如下：

4.5.1　高選程序

IF（BICll05.MV>HCll05.MV）THEN

CPVl=BICll05.MV

ELSE

CPVl_HCll05.MV

ENDIF

4.5.2　調(diào)節(jié)閥快開慢關(guān)程序

CPV2=CPVl-P01

IF（CPV2<=-0.1）THEN

CPV=P01-0.1比較輸出與當(dāng)前閥位的差值，以判斷閥是關(guān)是開

ELSEIF（CPV2>=75）THEN

CPV=P01+75

ELSE

CPV=CPVl

ENDIF

P01=CPV

IF（{BIC1105AB.MODE.AuT}）THEN

{BICll05AB.MODECAS}=1

ENDIF

其中，P01用來保存前-周期的閥位輸出值。

4.5.3　可變?cè)鲆娉绦?/p>

此外，還要增加可變?cè)鲆鎸?shí)現(xiàn)根據(jù)輸入與給定的偏差大小調(diào)節(jié)控制作用的強(qiáng)弱，以保證機(jī)組在接近喘振狀態(tài)時(shí)能加大調(diào)節(jié)幅度，遠(yuǎn)離喘振區(qū)。在遠(yuǎn)離喘振區(qū)時(shí)，可降低調(diào)節(jié)幅度，保持機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。

先由函數(shù)CPV=B1C1105DV*100/BICll05.SH+48.0確定可變?cè)鲆娴恼劬€函數(shù)BINLINE4，再編寫可變?cè)鲆娴某绦蛉缦拢?/p>

Al=BICLINE4.CPV/l00.0+0.999

IF（P01=0）THEN

A2=BICll05.P

ENDIF

IF（A）>1.0)THEN

BICll05.P=A2/（BICLINE4.CPV*0.04+1.0）通過修改調(diào)節(jié)器的比例度改變調(diào)節(jié)器作用

P0l=1

ELSE

BIC1105.P=A2

P0l=0

ENDIF

程序中，P01=1表示增益增大了，P01=0表示原始增益，程序初始化時(shí)將它置為0。這樣，我們就利用WinCC的功能模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組的防喘振控制。

5　結(jié)束語(yǔ)

硝酸“四合一”機(jī)組安全控制系統(tǒng)的建構(gòu)，降低了整個(gè)生產(chǎn)線操作故障率與操作工地勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。由于該機(jī)組自動(dòng)化水平較高，使得整個(gè)生產(chǎn)線只需5個(gè)操作工負(fù)責(zé)操作和生產(chǎn)。目前該系統(tǒng)已調(diào)試完成，運(yùn)行穩(wěn)定。

★基金項(xiàng)目：教育部學(xué)徒制教指委項(xiàng)目（2023kt138）。

作者簡(jiǎn)介：

洪　濱（1962-），男，合肥巢縣人，高級(jí)工程師，教授，現(xiàn)就職于合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，研究方向?yàn)楣I(yè)電氣與自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、新能源與智能制造技術(shù)開發(fā)。

王吉祥（1990-），男安徽宿州人，碩士，現(xiàn)就職于合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人技術(shù)。

孫愛鴻（1967-），女，安徽淮南人，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于夏縣運(yùn)力化工有限公司，研究方向?yàn)榛すに嚺c工程安全。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 李連生. 壓縮機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J]. GM通用機(jī)械, 2016 (9) : 20 - 26.

[3] 聶超群. 壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)失速先兆[D]. 北京: 北京航空航天大學(xué), 1996.

[4] 余勇. 離心壓縮機(jī)喘振主動(dòng)控制理論模化與喘振先兆的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 西安: 西安交通大學(xué), 1997.

[5] 聶超群. 喘振主動(dòng)控制模式的研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 1996 (l7) : 423 - 427.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年9月刊