基于PLC的鼓风机防喘振控制系统

黄丽梅，李鸣，张宇

（南昌大学 环境与化学工程学院，江西 南昌 330031）

1 引言

SIMATIC S7－400FH是一种安全及容错型自动化控制系统，它是基于冗余容错的S7－400H技术的安全型PLC，适用于安全等级要求较高的工厂。S7－400FH的控制过程不会对人或设备的安全造成威胁，当控制系统中出现事故时，S7－400FH将立即进入安全状态或安全模式。而鼓风机是硫磺回收装置（SRU）［1］的主要设备，其作用是向酸性气CLAUS燃烧炉与尾气焚烧炉输送空气，以满足硫磺回收中各反应的需求。倘若鼓风机在工作过程中发生喘振，这时风机连同它的外围管道一起做周期性的大幅度的振动，会造成设备的损害，并造成严重的经济损失。本文将S7－400FH控制系统应用到鼓风机的防喘振控制系统中，以确保鼓风机安全、稳定地运行。

2 工艺流程简介

硫磺回收装置常采用两级转化CLAUS工艺和尾气处理SCOT工艺来回收炼油厂废气中的硫，防止对水和大气的污染。其中，鼓风机的主要工作是：自装置外来的酸性气进行分液后，酸性气与鼓风机（K－201）送来的空气混合后在主燃烧炉（F－2501）中进行反应，此时，应严格控制鼓风机的配风量，保证燃烧产物中H2S和SO2为2∶1的摩尔比例，以达到CLASU催化反应中最大的硫平衡转化率，提高CLAUS部分的硫磺回收率。而从吸收塔出来的尾气（含有H2S），进入焚烧炉燃烧器（F－202），通过鼓风机（K－202／S）供给焚烧过程中所需的空气，使得尾气中残留的H2S及其它硫化物几乎完全转化为SO2，再进行循环回收［2］。可见，在硫磺回收装置中，鼓风机安全、稳定地运行是相当重要的。

3 喘振产生的原因

鼓风机在工作过程中，当入口气体流量小于最小流量限时，风机将从工作区进入喘振区，这时风机连同它的外围管道一起做周期性的大幅度的振动，工程上称为喘振［3］。喘振是由鼓风机的固有特性曲线呈驼峰型而引起的（见图1）。

图1 鼓风机的特性曲线Fig.1 The characteristic curves of blower

图1中，横坐标Q为风机流量，纵坐标P为风机出口压力，n为风机转速。

由图1可以看出：不同转速下的鼓风机特性曲线都有一极值点T，而流量和压力在极值点两边是呈相反的关系。例如，鼓风机转速为n2时的特性曲线，将流量当作一个衡量动能的能量，而将压力当作一个表征势能的能量。从能量守恒的角度观察，系统的势能和动能在相互转化的过程中，能量的总和保持不变。对于极值点右边的运行点A来说，当受外来干扰发生偏移时，随着流量减少，压力就增加；或者流量增加，压力就下降，相当于动能和势能在相互转化过程中，能量守恒，由此可见，点A是一个稳定的运行点。相反，对于极值点左边的运行点B来说，同样受外来干扰发生偏移时，随着流量减少，压力也减少；或者流量增加，压力也增加，也就是动能和势能在相互转化过程中，能量不守恒，由此可见，点B是不稳定的运行点［4］。

鼓风机在不同转速时，都有着不同的驼峰型特性曲线，所以这些特性曲线将存在上面提到的极值点，如果将每条曲线上极值点连接起来，便形成了喘振线。且由上面分析可知，在喘振线下方的运行点均为稳定点，称为稳定区；而喘振线上方的运行点为不稳定点，称为喘振区。

4 防喘振控制的整体设计

4.1 防喘振控制系统的硬件配置

安全及容错型自动化控制系统（S7－400FH）由2个冗余配置子系统构成，这2个子系统通过光缆进行同步连接，同时还建立了1个基于“主动冗余”以双通道（1oo2）结构运行的故障冗余自动化系统。所谓主动冗余，就是系统中所有的冗余资源在执行控制任务的同时，仍然处于运行状态。即S7－400FH系统中的用户程序，是被各自放在2个CPU中并被2个CPU同步执行［5］。

表1是鼓风机防喘振控制系统的硬件配置，其控制器采用2套CPU 417－4H，以达到冗余配置的要求，在通信方面，控制单元与远程I／O单元之间的通信由冗余PROFIBUS－DP现场总线完成。并且，采用 ET－200M 分布式I／O 作为PROFIBUS－DP上从站和S7－400FH系统相连。系统的I／O单元由2套输入／输出模块组成，且这些模块以冗余对的形式出现，组态成冗余I／O，以减少因CPU故障或I／O模块故障而造成的损失，提高系统的可靠性。

表1 防喘振控制系统的硬件配置Tab.1 The hardware configuration of anti－surge control system

4.2 防喘振控制的原理

喘振现象威胁着鼓风机安全、稳定运行，因此若想要防止喘振的产生，保证运行点一直工作在喘振线下方的稳定区域，进行鼓风机的防喘振控制是非常重要的。通过控制防喘振阀的开度来改变实际进入鼓风机的流量，是进行防喘振控制器设计的主要依据。其中，防喘振控制器将防喘振设定的曲线（本文设计为4点3段的折线）作为其设定值，通过检测鼓风机的入口流量Q和出口压力P，以及结合鼓风机当前的工况来控制防喘振阀。一旦风机现行的工作点过防喘振控制线进入喘振区发生喘振，防喘振阀迅速打开，及时消喘；喘振消失后，防喘振阀会慢慢关闭（即所谓的“快开、慢关”）［6］。防喘振控制的原理图如图2所示。

图2 防喘振控制原理图Fig.2 Schematic of anti－surge control

喘振作为鼓风机的固有特性，同时也受其进气条件的影响（例如：进气温度、进气压力等）。其中，温度降低，喘振线上移；温度升高，喘振线下移。进气压力升高，喘振线上移；进气压力降低，喘振线下移。因此，为了使得防喘振的控制能适应各种气候条件，应采用温度、压力补偿的算法。

根据以上控制目标及控制要求，防喘振控制器的主要功能为：

1）实现流量信号的温压补偿功能；

2）当鼓风机工作点达到报警线时，能实现喘振报警；

3）当鼓风机工作点靠近防喘振线时，防喘振放空阀打开放风，消除喘振；

4）当鼓风机工作点进入放风线时，防喘振放空阀全开，紧急放风；

5）实现防喘振放空阀的快开、慢关功能；

6）PID参数的自整定功能。

5 防喘振控制策略的实现

5.1 防喘振控制线的设计

图1中，放空线（即喘振裕度）是由实测喘振线下移3%得到的，当运行点位于放空线下方时，防喘振阀关闭；若运行点位于放空线上方，为防止喘振发生，防喘振阀全开。鼓风机的防喘振控制线是由喘振线下移8%得到的，当鼓风机的运行点越过防喘振控制线进入喘振区域时，控制器将发出喘振危险信号，防喘振控制系统将自动调节防喘振阀放风，使得出口压力下降，流量上升，防止喘振发生。在喘振线的下方10%设置一报警线，当鼓风机的实际运行点接近报警线时，控制器发出接近喘振报警信号，提醒操作人员注意。根据厂商提供的鼓风特性曲线，即可确定放空线、防喘振控制线和报警线等数据。这些数据由鼓风机出口压力和鼓风机入口流量构成，根据该风机喘振曲线比较平滑接近直线的特性，使它们以折线形式存储，采用这样方案，不仅计算简单，而且也能够充分利用鼓风机的有效运行区域。

5.2 温压补偿的设计

一般情况下，温压补偿可以用下式［7］来实现：

式中：Qo为补偿后流量值，m3／min；Qi为测量流量实际值，m3／min；Pi为测量压力，kPa；P0为参比压力，kPa；Ti为测量温度，℃；T0为参比温度，℃。

5.3 快开、慢关的设计

当喘振发生时，防喘振阀应迅速开启，然而随着防喘振阀的开启，运行点将回到防喘振线的下方，此时防喘振阀在关闭过程中又应放慢，即要求在打开、关闭防喘振阀的过程中，所用的速度是不一样的。由于防喘振控制器“快开慢关”的要求，若采用传统不改变比例项或积分项参数的PID算法，则防喘振阀开和关的速度应该是相同的。因此，为了让防喘振阀“快开慢关”的要求得以实现，可改变PID参数中的比例项或积分项。而在本文的防喘振阀“快开慢关”控制中，主要是通过比例增益P的折线运算来实现，即通过偏差e的限定范围，改变增益P的值。

5.4 防喘振控制的实现

鼓风机防喘振的软件实现采用模块化程序的设计方法，分别由模拟量的输入、输出处理模块、防喘振控制线函数发生器、比较器模块、PID调节控制等部分组成（见图3）。其中，将测量到的入口流量Q在进行温压补偿运算后，所得的流量值经过折线运算后得到的出口压力作为PID控制的设定值SP，并以此来控制测量值出口压力PV。防喘振控制的偏差e＝SP－PV即为出口压力的控制偏差。当风机正常工作时，则它的运行点应该在图1中防喘振线的下方，此时偏差e＞0；若运行点在防喘振线上方，此时偏差e≤0，则控制防喘振阀的开度［8］。

图3中，P1，P2，P3分别为风机出口压力P经过放空线、防喘振线、报警线函数发生器运算后的压力。在PLC的各种编程语言中，连续功能图（continuous function chart，CFC）［9］不 仅 具 有PLC典型的元素（例如：输入／输出、定时器、计数器和符号表等），而且具有图形化编程语言的特性，非常适合处理过程控制和系统工程的任务。而结构化控制语言（SCL）的特性与计算机高级编程语言非常相似，是一种基于PASCAL的高级编程语言，其具有循环、数组、选择、分支和高级函数等特性，因此适合处理复杂数学函数、复杂运算功能、数据管理和过程优化等任务［10］。

图3 防喘振控制流程图Fig.3 Flow chart of anti－surge control

基于上述CFC和SCL编程语言的优点，鼓风机防喘振的逻辑组态则采用CFC＋SCL编程形式，即在SIEMENS STEP 7中使用结构化控制语言（SCL）设置函数发生器功能块，使它们以折线函数表的形式储存，然后，在CFC编辑器中，使用这些已经制作好的具有特定的功能块进行工作，将这些功能块放置到CFC图中，并将相应的参数互连。其中，温压补偿功能块FB5的程序如下：

6 结论

针对硫磺回收装置中的鼓风机设计了一套防喘振控制系统，且将先进的S7－400FH应用到硫磺回收装置上，具有良好的可靠性和安全性，可以避免鼓风机在运行过程中发生喘振。该防喘振控制系统不仅能够很好地检测喘振的发生，适时报警，引起工作人员的注意，而且能够及时的消除喘振，确保鼓风机安全、稳定地运行。

［1］马鑫.硫磺回收装置工艺方案确定及设备选择［D］.北京：中国石油大学，2007.

［2］陈赓良，肖学兰，杨仲熙，等.克劳斯法硫磺回收工艺技术［M］.北京：石油工业出版社，2007.

［3］袁国利，郎兵.三冗余PLC在压缩机防喘振控制中的应用研究［J］.自动化仪表，2011，32（1）：54－57.

［4］张俊.高炉鼓风机防喘振控制策略研究［D］.上海：同济大学，2008.

［5］SIEMENS.西门子冗余系统指南［M］.北京：西门子（中国）有限公司，2008.

［6］张婉悦，唐健，孙以雷，等.污水处理过程中鼓风机防喘振控制的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2006，14（2）：217－218.

［7］杨春来.S7－400FH在广石化硫磺回收ESD中的应用［D］.天津：天津大学，2006.

［8］程冠军，刘建宇.探讨TMR三重化冗余TRICON紧急停车系统应用程序转化和移植问题［J］.数字石油和化工，2008（8）：31－39.

［9］Simens.SIMATIC CFC for SIMATIC S7［Z］.SIEMENS AG，2006.

［10］张春.西门子STEP－7编程语言与使用技巧［M］.北京：机械工业出版社，2009.