用PLC和變頻器實現石油氣壓縮機的自動控制

• 2018-09-08

本文詳細介紹了山東濱化集團有限公司通過變頻調速技術進行改造，用PLC自動調節和控制石油氣壓縮機的案例，讓大家了解如何通過用PLC和變頻器實現石油氣壓縮機的自動控制。

　　
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，而在實際生產中只需大約45kW輸出功率。壓縮機在低于額定工況下運轉，負載率較低，而且其風壓與流量大小要靠手動閥調節，操作困難，也浪費大量電能。為此，考慮采用變頻調速技術進行改造，用PLC實現自動調節和各種控制功能。運行實踐證明，該方案穩定可靠，經濟效果明顯。
　　
一 工藝要求
　　
(1)正常生產過程中，2臺壓縮機應至少有1臺運行，即使在相互切換時，也不允許發生兩臺機器全部停止的現象。

(2)保持壓縮機出口壓力在預定值上。

(3)能實現對壓縮機運行狀態進行分析，以實現預測性檢修。
　　
二 系統控制原理
　　
(1)工藝專業設定壓縮機管網正常出口壓力為P1，而現場實際測定壓力為P2，根據ΔP(=P2-P1)值大小由PLC內PID功能模塊進行PID運算，控制變頻器來改變電動機轉速，達到所要求的壓力。當ΔP＞0時，現場壓力偏高，則提高變頻器輸出頻率，使電動機轉速加快，提高實際風壓；當ΔP＜0時，現場壓力偏低，則使轉速降低，ΔP減小。這樣不斷調整，使ΔP趨于0，現場實際壓力在設定壓力附近波動，保證壓力穩定。系統結構如圖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，這樣可大大延長設備的使用壽命，提高設備運行可靠性，減少設備故障引起的非計劃性停車。
　　
三 設計方案
　　
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實現壓縮機出口壓力單回路閉環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進行監控分析，以實現預測性維護維修。主回路如圖2。

(1)PID運算功能的實現
S7-200系列中CPU215/216具有32位浮點運算指令和內置PID調節運算指令等特殊功能。使用時，只需在PLC內存中填寫1張PID控制參數表(見下表)，再執行指令：PID TABLE, LOOP，即可完成PID運算。其中操作數TABLE使用變量存儲器VBx，用來指明控制環的起始地址；操作數LOOP是控制環號(常數，0～7)。編號為2、4、5、6、7的參數固定不變，可在PLC主程序中設定；編號為1、3、8、9的參數具有實時性，須在調用PID指令時填入。

　　
由于S7-200輸入和輸出為開關量，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D/A轉換。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，可通過轉換開關選擇變頻/工頻起動方式。
　　
(3)運行
正常情況下，電動機M1處于變頻調速狀態，電動機M2處于停機備用狀態?，F場壓力變送器檢測管網出口壓力(4～20mA模擬量信號)，并與預定值相比較，經PLC內部專用PID指令進行運算，得到變頻器所需頻率信號，自動調節電動機轉速，達到所需管網壓力。
　　
(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在變頻器驅動下起動；完全起動后，KM1斷開，電動機M1停止，切換操作結束。電動機M2切換到M1過程類似。
　　
(6)報警及故障自診斷
通過PLC內部程序設定報警及聯鎖保護，一旦出現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，未設計上位機，只設置相應故障代碼，通過4位數碼管顯示，使維修人員可根據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，可由現場防爆電接點壓力表測得，直接送至PLC，由PLC控制實現聲光報警和延時停車；(b)增設現場振動傳感器，并將信號送至PLC，對壓縮機運行狀況進行顯示和診斷。
　　
四 幾點體會和設計中應注意的問題
　　
(1)采用變頻控制后，實現了壓縮機的軟起動，減小了起動電流對電網的沖擊；節電效果明顯，1年內可回收全部投資。
　　
(2)采用PLC后，組成閉環自控系統，實現自動調節，運行更加穩定可靠。
　　
(3)變頻器、PLC、接觸器等可安裝在一臺控制柜內，可就地或遠控操作，方式簡單靈活。
　　
(4)系統可擴展性較好。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，即可實現整個系統的自動控制；若生產需要，本系統也可方便接入DCS或上位機，建立人機界面的監控系統等。
　　
(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需按2臺電動機負載量考慮。