热冗余系统应用在四合一机组控制中

摘要：以硝酸四合一机组为例子，对GE 90_70热冗余系统在旋转风机控制和检测系统中的应用做简单介绍。

　　关键词：压缩机、热冗余
　　一、前言：
　　随着近年来硝酸行业的蓬勃发展，国内很多化工厂都相继上马年产10万吨的双加压法硝酸生产线，而四合一机组就是生产线的心脏。可编程控制器（PLC）以其在操作、控制、效率和精度等各个方面所具有的*的优点，迅速占领了工业生产中的各个领域，在旋转风机的控制中也占有*的位置。尤其旋转风机本身具有喘振特性，要求控制系统迅速作出反应，这就更加凸显了PLC控制的优势。这里以硝酸四合一机组的控制为例子，对GE公司的90_70系列PLC在此领域的应用做一个介绍。
二、工艺要求：
　　硝酸四合一机组由轴流压缩机、NOX压缩机、尾气透平膨胀机、汽轮机、变速箱，和配套辅机，包括润滑调节油站和相关阀门等件组成。硝酸四合一机组中，轴流压缩机、NOX压缩机为耗功设备，尾气透平膨胀机、汽轮机为原动机，共同驱动轴流压缩机、NOX压缩机。轴流压缩机是硝酸工程的原料压缩机，轴流压缩机所压缩的空气与氨混合后进入氧化炉，进行氧化反应，生成的氨氧化合物混和气经废热锅炉进行热交换，然后进行速冷，温度降至60℃，经脱水后进入NOX压缩机，经过压缩的气体进入吸收塔，制成硝酸，从塔顶逸出的尾气经预热、过热后进入膨胀机做功，回收能量，尾气做功后经烟囱排入大气。
　　自控系统要求检测系统过程参数，计算后对作用到执行机构上，使过程参数符合工艺要求；对各个工艺变量进行实时检测，防止系统由于工况异常而出现事故,特别是当机组出现喘振的趋势，系统要能迅速作出反应，对机组进行控制，防止喘振的发生；当工艺变量异常时，系统能够报警、停车。
三、设计选型：
　　系统硬件选用美国GE_Fanuc公司的90_70双机热备系统作为PLC主站，VersaMax系列作为系统I/O子站，上位使用DELL工控机，配备20’宽屏液晶显示器。
　　90_70系列PLC是GE公司推出的针对中等规模PLC控制系统的一系列产品，这里选用其中的IC697CGR772型号，采用96MHZ主频，1M用户内存，特别支持双机热备。双机热备系统中两个PLC主站互为备用。正常工作时其中一个对系统进行控制，另一个作为备用，在主机架出现问题的情况下，无扰切换到备用机架，以保证系统的正常运行，让客户可以从容对问题机架进行维护。
　　VersaMax系列作为GE的低端产品，主要应用在小型控制系统上，这里选用这个系列的I\O模块产品作为下位的I/O子站，主要是出于成本考虑，其在较低价格的基础上性能能够*客户需求，并且具有结构紧凑、易于安装、兼容性好等优点。
　　在90_70和VersaMax系列I/O子站之间使用Genius总线进行连接。Genius总线每层局部网络zui多可以支持31个装置，装置之间zui大通讯距离为7500英尺，传输速率zui大为153.6kbps。每个90_70机架上选用2块专门的总线控制模块IC697BEM731,配合下位I/O子站的IC200GBI001，构成冗余Genius总线通讯系统。冗余系统能够在其中一条Genius总线出现故障的时候，保证系统通讯正常，确保生产过程的安全性。
　　上位工控机特意选择20’宽屏液晶显示器，主要是为了让现场工作人员能够长时间观察系统画面不至过度疲劳。
　　在90_70控制站和上位工控机之间使用以太网进行连接，控制站上选用专门的以太网通讯模块IC697CMM742，通过交换机，和上位工控机进行数据交换。
　　由于系统还要和专门的旋转机械检测设备本特利3500系统进行通讯，所以在90_70控制站上还安装了编程协处理器模块IC697PCM711，专门和本特利3500进行数据交换，保证数据的及时、准确。
　　为了和工艺上的DCS系统进行通讯，系统还在90_70控制站上安装了通讯协处理器模块IC697CMM711，保证通讯畅通。
　四、设计过程：
　　目前控制系统普遍采用如下模式：
　　现场操作人员<====>上位操作画面<====>PLC<====>现场监控设备
　　PLC通过现场设备读取各种现场数据，通过编制好的程序，进行逻辑判断，传递给现场的设备进行动作。同时现场的操作人员可以通过上位机读取数据、对相关设备进行操作。
其中主要的工作重点，一个是PLC内部程序的编制，要求能*工艺的要求，确保设备安全、稳定的长期运行。另一个就是上位画面的绘制组态，要求能够符合现场工作人员的习惯，操作尽量简洁、明了。
　　⑴下位机编程：
　　下位编程使用GE公司的CIMplicity Machine Edition软件（简称ME），它是GE公司开发的让用户可在个人电脑上进行控制程序开发，然后通过以太网或其他方式下载到PLC中的新一代编程软件。其内置大量*、实用的公共编程工具，让用户使用zui少的时间去学习软件的使用，把更多的精力用于控制程序的开发。
　　编程过程主要是将下位I/O子站传输上来的各种信号经过变换、计算后，得到我们需要的信号或数据，在此程序中主要包括如下几个方面：
　　量程变换
　　在编程过程中，首先将所有模拟量输入信号进行量程变换，使其在上位机显示出实际值。由于现场来的模拟量信号都为4～20mA信号，经过AI模块转换后，对应到相应AI为0～32000的数字值，所以为了得到该信号代表的实际值，需要将该数值除以32000再乘以量程，zui后加上量程下限，得到实际值。
例如：压力量PI6501量程是0.5MPa~1.5MPa，如果此时输入的模拟信号为16mA，则在PLC中认为该AI为等于24000的一个数值，24000/32000×（1.5-0.5）＋0.5＝1.25MPa，这才是该点的实际值。
　　机组启动
　　四合一机组的启动需要满足很多条件，包括润滑油压力、调节油压力、盘车电机解锁、油箱液位、两个防喘阀开度都为zui大等等，这些条件必须同时满足，才能允许机组启动。
　　停车连锁
　　为了整个机组的安全，当某些条件一旦出现，机组必须停车，避免发生事故。比如润滑油压力低、冷凝泵同停、轴振动高、轴位移高、速关油压力低、调节阀过高而转速低等等，这些条件的任意一个都需要使机组停车，而机组的停车操作需要进行诸如关闭速关阀、开防喘阀、开尾透出口阀、关尾透进口阀等一系列操作，这些操作必须及时、准确的达到设计要求。
　　防喘振
　　喘振是各类压缩机、鼓风机等大型旋转设备*的机械现象。一般表现为：快速的流量波动、迅速的压力振荡，喘振会导致风机的流量和压力极其不稳定。由于喘振同时伴随有反向的轴向推力和反向介质流动，从而造成风机的间隙改变，降低风机的效率，缩短风机的寿命，对风机造成严重危害。
　　四合一机组共有两个需要喘振调节的设备：NOX压缩机和空气压缩机，他们的控制原理是一样的，只是喘振线的数据不同。当PLC检测到喘振即将发生时，会通过PID算法控制喘振阀进行“快开慢关”的操作，达到防止喘振发生的目的。喘振线和防喘振线都由风机的生产厂家在现场进行试验后提供。
汽轮机热井排水阀、回水阀调节
　　通过PID计算，对汽轮机排水阀、回水阀开度进行控制，对热井液位进行调节，使其保持在现场工作人员设定的数值。
　　低压设备控制
　　控制包括润滑油泵、油加热器、事故油泵、冷凝液泵、盘车电机等设备在内的8个低压控制设备，使其工作状态能够显示在上位画面上，并且在旋钮开关打到自动状态下时，能够在上位机画面上进行相应设备的启停操作。
调节在上位画面上对静叶开度、尾透进口阀、出口阀等设备进行控制。
　　编程过程力求安全、全面，要尽量全面的考虑可能发生的各种情况，并设计出相应的处理方法，同时尽量使程序简洁，加快运行速度。
　　⑵位机画面
　上位机画面采用GE公司的iFix3.5，该软件也为GE_Fanuc公司产品，提供了大量实用绘图工具，让上位画面的绘制简单、快捷。PLC与上位画面之间使用以太网进行通讯，保证了通讯质量。画面主要是让操作人员感觉操作简洁、明了、习惯、快捷。一般的操作都可在3次操作内完成。
五、总结
　　系统自投运以后，一直运行正常，从未因自控系统造成过系统故障停车，保证了产量，也就保证了企业的效益。
此系统的*性体现在以下几个方面：
速度快，能够满足防喘振对“高速处理”的要求
通过Genius总线和以太网通讯，能够满足“高速通讯”的要求
热备冗余系统保证了系统稳定性，方便在不影响生产的同时对系统进行硬件
易于扩展，同第三方模块的融合