贝加莱PCC构建氦气回收设备控制系统

Control System Built with B＆R PCC for Helium Recovery Equipment

冯欣宇1何　智1　　杨家涛2(中国电子科技集团公司第十六研究所1，安徽合肥　230000;安徽万瑞冷电科技有限公司2，安徽合肥　230088)



贝加莱PCC构建氦气回收设备控制系统

第一作者冯欣宇(1982－)，男，现为太原理工大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生，工程师;主要从事低温泵及氦压缩机控制器的研发工作。

0　引言

氦气在我国属稀缺资源，被广泛应用于军工、科研、制冷和管道检漏等诸多领域。在战术与战略空中预警、空中运输、反水面战、地雷探测以及指挥侦察和通信信息平台等方面，系留气球和飞艇极具军用潜力，是保卫国土安全和满足军方侦察通信需求的理想浮空平台。面对现代系留气球和飞艇的巨大军用潜力，我国近年来在系留气球和飞艇研究上取得了重大技术突破［1］。

系留气球所用的浮空介质为氦气，在使用中由于渗漏等原因，氦气纯度会逐渐降低，杂质气体逐渐增多，导致系留气球的承载能力下降。如一个容积为10 000 m3的浮空器，其氦气纯度每下降l%时，举升力约下降11l kg。如下降5%，浮力约降低555 kg，导致浮空器达不到原有的设计浮空高度，因此需要对其中的氦气进行纯化处理，以提升浮力［2］。

目前高纯氦气主要依靠进口，国内市场价格约为330元/m3。使用后的氦气由于其纯度降低或难以回收，往往直接排放到大气中，造成资源的极大浪费。使用氦气回收－纯化系统，在大容积、长时间运行工况下，将纯度降低后的氦气回收，经过纯化使其纯度最高可达到99%以上，可大幅降低购买高纯氦气的开支，对于贫氦国，能有效提高氦气循环利用率，具有可观的经济价值。

1　氦气回收设备技术指标及工作原理

氦气回收设备由氦气压缩机、冷却装置、控制装置、净化装置组成。要求氦气回收速度≥600 Nm3/h;氦气回收率≥95%;回收后氦气露点≤－50℃;回收后氦气含油量≤0.1 mg/m3;排气压力≥20 MPa。图1为氦气回收设备组成框图。

图1　氦气回收系统组成框图Fig.1 Composition diagram of the Helium recovery system

常压氦气经过氦气压缩机后，进入净化装置除去水分，然后由氦气出气口进入下游设备(集装管束或氦气纯化设备)。氦气压缩机运行时需要冷却装置对氦气压缩机的各级气缸进行冷却，冷却方式为循环水冷却，当循环水的压力和温度达到正常工况时，才能开启氦气压缩机。控制装置提供整个系统的控制、监测和保护功能。

氦气压缩机是氦气回收设备的关键部件。氦气压缩机主要由电动机、压缩机主机、注油器、精密过滤器等组成［3］。电动机与压缩机通过联轴器直联，给压缩机提供动力。压缩机主机包括压缩机主体、冷却器、分离器及管路，对回收气体进行增压。注油器和压缩机齿轮共同作用，对压缩机进行注油，对压缩机传动机构和气缸进行润滑。精密过滤器对压缩后的气体进行过滤和干燥，以得到质量合格的气体。常压氦气经过进气缓冲罐，由压缩机一级吸气阀吸入，在一级气缸中进行压缩，压缩后的气体由一级排气阀排出，再进入一级冷却分离器进行冷却、分离。分离后的气体经管路被二级吸气阀吸入，经二级气缸压缩后由二级排气阀排出，依次冷却、分离。按此步骤进行五级压缩、冷却、分离，最后经止回阀排出供下游设备使用。

冷却装置主要由两套制冷系统和一套供回液系统组成。制冷系统由压缩机、冷凝器、储液器、干燥过滤器、电磁阀、膨胀阀、板式换热器［4］、常规换热器等组成;供回液系统主要由水泵、水箱、电加热器、水过滤器、流量传感器、温度传感器、压力传感器、旁通阀等组成。额定制冷量≥110 kW;额定供液流量≥15 m3/h;额定供液温度≤25℃(回液温度≤32℃);额定供液压强为0.2～0.4 MPa。

净化装置由两组干燥器组成，工作一定时间后需对干燥器进行活化抽空处理。净化装置工作时，蓄气瓶里的吸附剂将压缩机出口氦气中的水分吸除，所以每隔一段时间需要将吸附剂吸附的气体排出。排出的流程就是活化抽空处理。具体方法是利用机械泵将吸附剂里的气体抽出。抽空时提高蓄气瓶的温度可以加快抽空速度，加热温度可控制在100℃左右。

2　贝加莱PCC介绍

贝加莱工业自动化有限公司(B＆R)总部位于奥地利，1979年由Erwin Bernecker和Josef Rainer共同创建。其核心产品是可编程计算机控制器(programmable computer controller，PCC)。PCC综合了PLC和工业PC两者的技术优势，如前者的高可靠性和定时时钟，后者的多任务运行、高速运算能力、良好的扩展性和开放的通信等。PCC具有极高的可靠性，平均无故障时间MTBF达到50万h(相当于57年)以上，明显高于一般的PLC和IPC，属于免维护产品。PCC具有更强大的数学运算能力、网络通信能力、抗干扰能力和控制能力。PCC可以使用ANSI C和Automation Basic高级编程语言来实现复杂的数学运算功能和过程控制算法。本系统采用X20 PCC作为控制器，其特点如下。

(1)使用Intel X86处理器技术，集成独立的I/O处理器;主板集成Ethernet TCP/IP、Ethernet Powerlink、USB多种通信接口;使用移动存储CF卡;具有标准型、紧凑型、总线型3种CPU类型以适应不同的需求场合。

(2)具有3合1的模块式结构，配有通用端子、底板模块，并支持预接线操作与热插拔。

(3)支持分布式I/O，站点间最大间距为100 m，并可扩展至253个站点。数据刷新周期可达100 μs，且远程与本地数据刷新周期相同。

(4)具有开放的总线通信，Master或Slave模式。兼容主流现场总线: Ethernet Powerlink、CANopen、Profibus/Profinet、DeviceNet、EtherNet/IP、Modbus－IDA;兼容第三方PLC CPU。

X20 PCC在小型机械设备中的应用如图2所示。采用Power Panel作为显示单元，采用高性价比的X20紧凑型作为主控系统，直接连接X20 I/O，运动控制系统采用ACOPOS/ACOPOSmulti，适合小型机械设备的应用。

图2　X20 PCC在小型机械设备中的应用示意图Fig.2 Application of PCC X20 in small mechanical equipment

3　氦气回收设备控制系统设计

控制系统由1台配电柜与1台控制柜组成。配电柜完成整个系统的配电功能，电源使用三相五线［5］380 V交流动力电，总功率180 kW。由于氦压缩机直接启动具有很大的启动电流，所以配置了ABB的软启动器［6］。系统使用PSTB智能型软启动器，其中对于电机的保护有:集成电子过载继电器、相监测继电器采用以及大电流和PTC的保护。对于软启动器的保护采用先进的可控硅保护，具有可编程信号继电器，方便预设报警信号并处理故障。系统具有力矩控制功能，可使电动机得到更加线性的加速或减速过程。

电控柜用来实现对氦气压缩机、冷水机和干燥装置的控制。图3为系统电气控制框图。系统控制单元采用加固型PCC和触摸屏［7］。PCC由控制器、数字量、模拟量和通信等模块组成，用来实现对整个系统的自动控制。触摸屏用来实现实时数据显示、参数录入、控制操作等功能。系统同时提供全手动按钮操作，触摸屏出现异常的情况下，可以通过按钮实现设备的启动和停止。2台完全一致的控制单元通过CAN总线互相通信［8］，实现控制单元的一主一备或同时运行。

图3　系统电气控制框图Fig.3　System electrical control diagram

系统主要的控制量、模拟量输入、数字量输入如表1所示。

表1　控制系统主要控制和监测参数Tab.1 Main control and monitoring parameters of the control system

为确保回收设备安全运行，各种参数设定和保护功能的设计是必不可少的。氦压缩机运行中，进气压力低时，机组报警;润滑油位低时，机组报警并停机。压缩机正常运行中，当末级排气压力高于上限设定值、润滑油压力和冷却水压力低于下限设定值、一到五级任何一级排气温度高于上限设定值时，压缩机均自动停机和报警。

4　程序设计

系统的逻辑控制和触摸屏编程通过Automation Studio编程环境完成，它包含了控制器、运动控制和可视化等部分。用户可以在多种编程语言、诊断工具和编程器中选择，以最大效率来创建和管理项目;还可以使用B＆R提供的标准库和系统中集成的IEC编程语言，使工作流程更为高效。Automation Runtime实时操作系统是Automation Studio中重要的组成部分，能够在精确的时间内快速重复执行应用程序。其允许配置优先级和时间等级、容忍时间，具有8个不同的时间等级，任意数量的程序，并集成FTP、Web、VNC服务器［9］。

本设计的编程使用结构文本(structure text，ST)语言完成。ST语言具有高级文本编程、结构化的编程、简单的标准结构、快速高效的编程、使用直观灵活等特点。

与PASCAL类似，有计算机编程经验的人可以很容易使用ST语言。以下是一段调用功能块定时器的ST语言:。

5　结束语

通过实际项目的使用，贝加莱PCC可以在温度、湿度、盐雾、振动等较恶劣环境中稳定、安全地工作。系统配置、编程、调试和在线诊断功能完善，支持不同总线及模块扩展，支持多种编程语言，可以实现高效的编程操作。其高可靠性、灵活性、易用性，对缩短项目施工周期有很大帮助。

参考文献

［1］傅剑，施锦，丁怀况，等.氦气纯化设备在系留飞艇中的应用［C］/ /第九届全国低温工程大会论文集，2009:351－356.

［2］施锦，赵林华，傅剑，等.大型浮空器氦气纯化模式和保障设备配置［C］/ /第九届全国低温工程大会论文集，2009:324－328.

［3］冯欣宇，黄阿娟，武义锋.“一拖三”氦压缩机低成本控制实现［J］.机械工程与自动化，2014(4):149－151.

［4］赵晓文，苏俊林.板式换热器的研究现状及进展［J］.冶金能源，2011(1):52－55.

［5］宋建民，马卫东.施工现场的临时用电［J］.河南水利与南水北调，2008(7):52－56.

［6］李国厚，高淑萍.软启动技术及其应用［J］.煤矿机械，2006(7): 185－187.

［7］杨玉琴，李亚宁.触摸屏技术研究及市场进展［J］.信息记录材料，2012(13):36－45.

［8］戚磊，陈赵，潘琼文.CAN总线造波机测控系统研制与应用［J］.自动化仪表，2014，35(8):57－60.

［9］李山.基于VPN和TeamViewer的远程故障诊断系统的设计与应用［J］.自动化应用，2014(8):67－70.

Control System Built with B＆R PCC for Helium Recovery Equipment

冯欣宇1何智1杨家涛2
(中国电子科技集团公司第十六研究所1，安徽合肥230000;安徽万瑞冷电科技有限公司2，安徽合肥230088)

摘要:国产氦气在线回收和纯化设备已成功应用于光纤制造及大型浮空器工程。针对氦气工业化及国防需要的特殊应用环境，分析了设备的工作流程与电气特点，选用具有高可靠性及三防性能的电气元件，提出了以高可靠性可编程计算机控制器为核心的电气系统控制方案。专项试验及长期运行测试证明，该系统可以使氦气在线回收设备高效、安全、可靠地运行。

关键词:PCC高可靠性氦气回收制冷控制系统PLC ST语言CAN总线

Abstract:Homemade Helium online recovery and purification equipment has been successfully applied in the optical fiber manufacturing and large aerostat engineering.In view of the special application environment of the Helium industrialization and the need for national defense，the work flow and the electrical characteristics of the equipment are analyzed.The electrical system control scheme is proposed，in which the high reliability programmable computer controller (PCC)is used as the core，and the highly reliable electrical components with Tri－proof property are selected.Through the special tests and long－running tests，the conclusion can be drawn that the system can make Helium online recycling equipment operate efficiently，safely and reliably.

Keywords:PCCHigh reliability Helium recovery Refrigeration control systemPLCST language CAN bus

中图分类号:TH－3; TP23

文献标志码:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603010

修改稿收到日期:2015－10－31。