用PLC和變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)石油氣壓縮機的自動調(diào)節(jié)和控制功能

山東濱化集團有限公司有2臺石油氣壓縮機，單機額定功率75kW，一開一備運行方式，而在實際生產(chǎn)中只需大約45kW輸出功率。壓縮機在低于額定工況下運轉(zhuǎn)，負載率較低，而且其風壓與流量大小要靠手動閥調(diào)節(jié)，操作困難，也浪費大量電能。為此，考慮采用變頻調(diào)速技術(shù)進行改造，用PLC實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和各種控制功能。運行實踐證明，該方案穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效果明顯。

一 工藝要求

（1）正常生產(chǎn)過程中，2臺壓縮機應至少有1臺運行，即使在相互切換時，也不允許發(fā)生兩臺機器全部停止的現(xiàn)象。

（2）保持壓縮機出口壓力在預定值上。

（3）能實現(xiàn)對壓縮機運行狀態(tài)進行分析，以實現(xiàn)預測性檢修。

二 系統(tǒng)控制原理

（1）工藝專業(yè)設(shè)定壓縮機管網(wǎng)正常出口壓力為P1，而現(xiàn)場實際測定壓力為P2，根據(jù)ΔP（=P2-P1）值大小由PLC內(nèi)PID功能模塊進行PID運算，控制變頻器來改變電動機轉(zhuǎn)速，達到所要求的壓力。當ΔP＞0時，現(xiàn)場壓力偏高，則提高變頻器輸出頻率，使電動機轉(zhuǎn)速加快，提高實際風壓；當ΔP＜0時，現(xiàn)場壓力偏低，則使轉(zhuǎn)速降低，ΔP減小。這樣不斷調(diào)整，使ΔP趨于0，現(xiàn)場實際壓力在設(shè)定壓力附近波動，保證壓力穩(wěn)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

（2）壓縮機長期運行，造成各部件間隙變大，這樣引起的振動會越來越大，容易造成壓縮機各部件的損壞。由PLC對現(xiàn)場振動情況進行判斷分析，可提前對壓縮機進行計劃性維護保養(yǎng)，這樣可大大延長設(shè)備的使用壽命，提高設(shè)備運行可靠性，減少設(shè)備故障引起的非計劃性停車。

三 設(shè)計方案

該方案主要由1臺Siemens ECO1-7500/3變頻器、1臺S7-200型PLC（CPU215/216，配套EM235擴展模塊）以及接觸器、操作按鈕、1臺現(xiàn)場壓力變送器和2臺振動測量裝置（振動變送器）組成，用PLC實現(xiàn)壓縮機出口壓力單回路閉環(huán)PID控制以及壓縮機起動、停止、切換、故障處理等各種電氣控制功能，由振動變送器對壓縮機狀態(tài)進行監(jiān)控分析，以實現(xiàn)預測性維護維修。主回路如圖2。

（1）PID運算功能的實現(xiàn)

S7-200系列中CPU215/216具有32位浮點運算指令和內(nèi)置PID調(diào)節(jié)運算指令等特殊功能。使用時，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運算。其中操作數(shù)TABLE使用變量存儲器VBx，用來指明控制環(huán)的起始地址；操作數(shù)LOOP是控制環(huán)號（常數(shù)，0～7）。編號為2、4、5、6、7的參數(shù)固定不變，可在PLC主程序中設(shè)定；編號為1、3、8、9的參數(shù)具有實時性，須在調(diào)用PID指令時填入。

由于S7-200輸入和輸出為開關(guān)量，而變頻器、壓力變送器和振動變送器的信號為模擬量，因此EM235模塊要實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。一個EM235模塊可同時擴展3路模擬量輸入通道（接1路壓力信號，2路振動信號）和1路模擬量輸出通道（接至變頻器）。

（2）起動

M1和M2各有兩種起動方式，可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇變頻/工頻起動方式。

（3）運行

正常情況下，電動機M1處于變頻調(diào)速狀態(tài)，電動機M2處于停機備用狀態(tài)?，F(xiàn)場壓力變送器檢測管網(wǎng)出口壓力（4～20mA模擬量信號），并與預定值相比較，經(jīng)PLC內(nèi)部專用PID指令進行運算，得到變頻器所需頻率信號，自動調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，達到所需管網(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

當需從電動機M1切換到M2時，接觸器KM2斷開，KM1閉合，此時電動機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，電動機M2在變頻器驅(qū)動下起動；完全起動后，KM1斷開，電動機M1停止，切換操作結(jié)束。電動機M2切換到M1過程類似。

（6）報警及故障自診斷

通過PLC內(nèi)部程序設(shè)定報警及聯(lián)鎖保護，一旦出現(xiàn)故障立即停止相應操作并報警。對于故障自診斷功能，考慮到成本問題，未設(shè)計上位機，只設(shè)置相應故障代碼，通過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。如：（a）壓縮機油壓低、水壓低等故障信號，可由現(xiàn)場防爆電接點壓力表測得，直接送至PLC，由PLC控制實現(xiàn)聲光報警和延時停車；（b）增設(shè)現(xiàn)場振動傳感器，并將信號送至PLC，對壓縮機運行狀況進行顯示和診斷。

四 幾點體會和設(shè)計中應注意的問題

（1）采用變頻控制后，實現(xiàn)了壓縮機的軟起動，減小了起動電流對電網(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)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，運行更加穩(wěn)定可靠。

（3）變頻器、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內(nèi)，可就地或遠控操作，方式簡單靈活。

（4）系統(tǒng)可擴展性較好。若有多臺壓縮機在變頻/工頻供電方式下運行時，只需將增加信息或信號引至PLC，即可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制；若生產(chǎn)需要，本系統(tǒng)也可方便接入DCS或上位機，建立人機界面的監(jiān)控系統(tǒng)等。

（5）預測性維護檢修可大大延長壓縮機使用壽命，提高可靠性，減少停車損失，降低運行費用。

（6）PLC控制電動機在變頻/工頻供電方式下切換時，須保證各接觸器閉合和斷開順序以及足夠的延時，以防止電動機繞組產(chǎn)生的感應電動勢加載到變頻器的輸出逆變橋上，造成損壞。

（7）PLC須實現(xiàn)KM2和KM4間的互鎖，以防止2臺電動機同時變頻起動，使變頻器因過載而損壞。

（8）因2臺電動機會在短時間內(nèi)分別在工頻和變頻下同時運行，故變頻控制柜的總電源開關(guān)需按2臺電動機負載量考慮。