目前,空压站的自控系统通过西门子S7-300西门子PLC可编程控制器,将部分空压机的实时运行数据通过RS422/485通讯接口采集进西门子PLC控制系统,并将数据传送到现场控制室的TPC1561HI上进行显示,以代替传统仪表。但是没有对空压机进行控制。
空压机设备自带的CMC控制器已经能很好的控制单台空压机,但是不具备对空压系统的整体调控能力。在空压系统中,相对单台空压机的调整,空压系统的整体自动调控具有更重要的意义:
■单台空压机无法保证空压系统整体供气压力的稳定,而空压系统的整体自控可以有效保持系统内空气压力稳定。
■整体的负载平衡,减少排气放空,可以节约更多的能源,节省人力成本。
■可以实现无人操作,根据实际需要自动开机或加载空压机以保持系统压力。
■可以定时间断地记录空压机运行数据和报警,如跳车、喘振、通讯故障、压力等。
在已有的西门子PLC系统中,没有实现空压系统的整体调控功能。由于空压机自带的CMC控制器提供了RS422/485通讯接口,所有的数据采集和控制功能都通过通讯接口来实现,对比原有的控制系统,不需要增加硬件设备的投资,只需要改进和增加控制软件即可实现空压系统的整体控制。
除空压机设备外,还可以将与空压机配套的冷冻式干燥器集成到RS422/485网络中来,实现空压供气设备的全面自控。
空压站其他系统的自动控制
除空压供气系统外,空压站的其他系统也需要进行自动控制,如水循环冷却系统等。这些系统的控制方法与空压供气系统不同,主要是采用传统控制模式。使用仪表采集需要的运行参数,进行数据处理和分析运算后,输出控制信号给执行机构就可以实现系统的自动控制。
自动控制具有以下优点:
■操作简单,可以实现无人值守;
■良好的实时调节,防止了人为因素滞后;
■具有高可靠性;
■减轻工作人员负担;
■节省人力成本。
需要控制的参数和可能的控制方式
空压站需要的控制需求;⑴高、低压供气压力控制(机组自动开停控制);⑵系统自动排水控制;⑶循环水液位控制和自动加药控制;⑷所需压缩空气温度、循环水温度等参数控制等等。
空压系统的整体自动调控一般可以使用以下2种方法之一来实现:
⑴采用西门子PLC系统进行通讯和控制。
⑵可以采用英格索兰公司或自己编制的控制软件。
种方法可靠性高,适用于工业控制系统。当监控计算机出现故障时,西门子PLC还可以按照设定的程序进行自动控制。
第二种方法是通过控制系统的计算机进行单独的分析运算进行控制,它具有较好的灵活性,但缺点是如果出现如计算机死机等故障时,有可能影响系统的正常运行。好在计算机的一般恢复往往不需要太多的时间。
除空压供气系统自控外,空压站可与制冷站、热力站系统一起建立设备控制网络,实现集中控制,或与工厂控制中心联网,由控制中心的控制器实时远程监控,实现真正的无人值守。
系统构成
对于以上讨论,如果需要实现空压站的整体自控,又许多成熟PLC自控系统可以选用,现以ZH公司的西门子PLC自控系统为例。
该自控系统选用西门子S7-300系列西门子PLC可编程控制器,带有RS422/485网络接口,支持MODBUS等相关网络通讯协议。该系统可以采用专用工业通讯网络技术实施远程联网。空压站自控设备可根据生产实际情况和各设备的特点,以及可能存在的问题,综合各方面因素后确立分级控制网络的实施方案,如图1所示。
■硬件配置
现场仪表,受控设备、执行器、带有串行通讯接口的设备(如空压机,冷干机等),西门子PLC和监控计算机。
功能模块可以使 CPU 从资源密集型任务中解脱出来,如计数、定位和闭环控制
模块种类
计数器模块
用于快速移动/爬行速度驱动的定位模块
用于伺服电机和/或步进电机的定位模块
电子凸轮控制器
闭环控制模块
功能模块 | |
计数 | FM 450-1计数器模块 |
定位 | FM451定位模板用于快速移动/爬行速度驱动 |
FM 452 电子凸轮控制器 | |
FM 453 定位模块 | |
闭环控制 | FM 455 闭环控制模块 |
FM 458-1 DP 应用模板 |
管道及仪表流程图(P&ID)的设计 控制系统的管道及仪表流程图(P&ID,Process InstrumentDrawing)的绘制是自控工程设计的核心内容,各管道仪表流程图并不归在 自控工程设计的设计文件内,但它仍是整个自控设计的。所以,自控设计人员必须认真仔细地配合工艺、系统设计人员完成管道及仪表流程 图。 3.1.1 控制方案的确定 3.1.1.1 熟悉被控对象要进行生产过程的自控设计,必须先要了解生产过程的构成及特点。下 面以选矿生产过程为例来说明,选矿生产过程的构成可由图 3.1 表示。图 3.1 选矿生产过程的示意图 图 3.1 中的选矿生产过程的主体一般是选别过程。选别反应过程中所需的矿石原料,首先送入输入设备,然后将原料送入磨矿过程,对矿石进行粉 碎以达到矿物与脉石充分解离,使粉碎后的矿石细度达到工艺要求和规格。矿石经选别过程处理后获得的产品进入脱水处理,在此将精矿矿浆中的大部 分水分脱除,然后由输送设备将精矿粉输送到矿仓中贮存。同时整个生产过程还需要从外部提供必要的水、电等能源的公用工程。还有尾矿处理、废水 回收处理系统等附加部分。选矿生产过程的特点是从原料加工到产品完成,流程都较长而且复杂。 工艺内部各变量间关系复杂,操作要求高。关键设备停车会影响全厂生产。物料是以矿浆状态,在磨矿设备内粉碎,在管道内运输,在选别设备内进行 有用矿物与无用矿物的分离,在脱水设备中将精矿中的水分脱出。这些过程条件恶劣、机理复杂。 3.1.1.2 确定控制方案 控制方案的正确确定应当在与工艺人员共同研究的基础上进行。要把自控设计提到一个较高的水平,自控设计人员必须熟悉工艺,这包括了解生产 过程的机理,掌握工艺的操作条件和物料的性质等。然后,应用控制理论与过程控制工程的知识和实际经验,结合工艺情况确定所需的控制点,并决定 整个工艺流程的控制方案。控制方案的确定主要包括以下几方面的内容。① 正确选定所需的检测点及其安装位置。 ② 合理设计各控制系统,选择必要的被控变量和恰当的操纵变量
(1)可靠性与先进性的关系。在控制方案确定时,首先应考虑到它的可靠性,否则设计的控制方案不能被投运、付诸实践,将会造成很大的损失。 在设计过程中,将会有两类情况出现,一类是设计的工艺过程已有相同或类似的装置在生产运转中。此时,设计人员只要深入生产现场进行调查研究, 吸收现场成功的经验与原设计中不足的教训,其设计的可靠性是较易保证的。另一类是设计新的生产工艺,则必须熟悉工艺,掌握控制对象,分析扰 动因素,并在与工艺人员密切配合下,确定合理的控制方案。可靠性是一个设计成败的关键因素。但是从发展的眼光看,要推动生产 过程自动化水平不断提高,使生产过程处在佳状态下运行,获取大的经济效益,先进性将是衡量设计水平的另一个重要标准。随着计算机技术成功 地应用于生产过程的控制后,除了常规的单回路、串级、比值、均匀、前馈、选择性等控制系统已广泛应用外,一些先进的控制算法,如纯滞后补 偿、解耦、推断、预测、自适应、优等也能借助于计算机的灵活、丰富的功能,较为容易地在过程控制中实现。况且,近年来人们对生产过程的认识 逐步深化,人工智能的研究卓有成效,这些都为自动化水平的进一步提高创造了有利条件。所以,在考虑自控方案时,必须处理好可靠性与先进性之间 的关系。一般来说,可以采用以下两种方法。一种是留有余地,为下步的提高水平创造好条件。也就是在眼前设计时 要为将来的提高工作留出后路,不要造成困难。另一种是做出几种设计方案,可以先投运简单方案,再投运下一步的方 案。采用计算机控制系统后,完全可以通过软件来改变方案,这为方案的改变提供了有利的条件。 (2)自控与工艺、设备的关系。要使自控方案切实可行,自控设计人员熟悉工艺,并与工艺人员密切配合是必不可少的。然而,目前大多数是先定 工艺,再确定设备,后再配自控系统。由工艺方面来决定自控方案,而自动化方面的考虑不能影响到工艺设计的做法是较为普遍的状况。从发展的观 点来看,自控人员长期处于被动状态并不是正常的现象。工艺、设备与自控三者的整体化将是现代工程设计的标志。 (3)技术与经济的关系。设计工作除了要在技术上可靠、先进外,还必须考虑到经济上的合理性。所以,在设计过程中应在深入实际调查研究的基 础上,进行方案的技术、经济性的比较。处理好技术与经济的关系,自控水平的提高将会增加仪表等软、硬件的 投资,但可能从改变操作、节省设备投资或提高生产效益、节省能源等方面得到补偿。当然,盲目追求而无实效的做法,并不代表技术的先进,而只能 造成经济上的损失。此外,自动化水平的高低也应从工程实际出发,对于不同规模和类型的工程,做出相应的选择,使技术和经济得到辩证的统一。