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摘要：介绍煤气加压装置的工艺流程及以西门子S7-400PLC为主控单元的控制系统的配置，详细阐述了该控制系统实现过程控制、数据采集、PID控制及生产逻辑控制等自动控制的过程。
关键词：PLC 煤气加压装置 控制系统
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-026-02
1 前言
煤气加压风机用于煤气的输送和加压，属于长时间连续运转设备，在钢铁企业煤气站应用广泛。近年来，笔者采用以西门子S7-400PLC为主控单元的控制系统，在国内多个煤气加压装置上实现了煤气加压输送过程的自动控制。在设计中，以西门子WinCC软件为人机操作界面软件，S7-400PLC作为下位机，实现信号采集、数据计算、逻辑控制等过程的自动化，整个控制系统具有成本低、运行稳定和控制实时等优点。
2 煤气加压装置工艺流程
如图1所示，为常规煤气加压装置的主要工作流程。以1#机为例，煤气从入口调节阀经管道进入煤气加压风机，经加压风机加压后，从出口蝶阀流入煤气出口总管，进而流入下游工艺段。一般而言，煤气站对煤气出口压力及流量有一定要求，在加压风机不能及时满足要求时，需要通过旁路调节阀来保证出口压力及流量满足需求。
3 系统配置
3.1 硬件配置
如图1所示的配置3台加压风机的煤气加压装置为例，主控系统由下位机和上位机组成，上位机选用西门子WinCC软件，下位机可选用西门子S7-400 PLC实现。西门子S7-400 PLC作为整个系统的控制核心，处理人机界面对系统的各种请求，对整个系统的参数进行监控，实现对煤气出口总管压力的PID调节，维持管网的压力恒定。
在PLC的选型配置上，CPU选用414-4H冗余配置，采用双CPU冗余配置可极大的提高系统的安全性，保证煤气输送的稳定性。PLC选型同时配置以太网模块，用于与上位机的以太网连接。除此外，还需配有一定数量的远程I/O模块。
3.2 网络配置
如图2所示，煤气加压装置现场设一个PLC主站，CPU与远程I/O之间通过PROFIBUS-DP总线进行通讯。
现场还设有上位机工程师站、交换机等，远程监控中心设有上位机操作员站、交换机等，现场控制室与远程监控中心通过光纤相连，实现数据的实时交换。下位机与上位机之间以工业以太网的形式通信，具有良好的开放性，可同时将煤气管道电除尘设备、管道清洗阀等其它相关设备纳入该控制系统，同时也便于数据上传，方便该控制系统接入到更大范围的煤气混气站控制系统，乃至于公司级的设备运行管理系统。
4 功能实现
4.1 控制原理
如图3所示，为煤气加压装置的主要控制原理。对于煤气用户而言，出口阀压力是检验煤气输送质量的重要指标。同样，对于煤气加压装置而言，其控制系统的重要目标是让出口阀的压力满足需求。
就煤气出口阀压力这一被控量而言，对象调节通道参数时间T较小，且变化极快，若加入微分调节，极易产生被控量震荡，因而此系统宜采用PI调节器，以比例单元调节为主，积分单元为辅。
4.2 PID控制的实现
PID控制属于闭环控制，即将被控量的测量值反馈到PLC，与被控量的目标值相比较，判断是否达到预定的控制目的。若未达到，则根据两者的差值进行调整，直至达到预定的控制目的。
由于相对下游工艺段而言，煤气出口总管压力是输入压力，对下游工艺段质量影响较大。同时，出口总管压力也直接来源于各加压风机出口阀压力，直接受加压装置控制系统调节。故在该控制系统中，取煤气管道的出口总管道压力为被控量。
通常，煤气加压装置的出口阀压力根据用户的需求，可根据实际情况自由设定。给定值设定后，当实际值大于或小于给定值时，将输送一个扰动信号给西门子PLC的功能块-PI调节器，经PI调节器计算后，由变频器通过改变煤气加压风机电机的转速来调节煤气的流量和压力，从而实现煤气出口总管的单闭环PI调节，有助于煤气出口总管压力的稳定。
4.3 旁通阀的控制
在煤气加压装置控制系统中，当加压风机变频调速系统不能及时调整煤气出口阀压力时，加入旁通阀有助于快速稳定出口阀压力。
旁通阀一般处于关闭状态，其控制模式同样宜采用PI调节器的闭环控制系统。当下游工艺段煤气用量大减，造成出口压力骤然升高，变频调速系统调节速度难以及时调整出口压力，此时旁通阀立即打开，参与调节。由于旁通阀的的比例单元和积分单元设置值较小，因而动作较快，可以迅速稳定出口阀压力，避免加压风机出现“喘振”现象，有力的保障设备安全。
4.4 加压风机的切换
对于单台加压风机，其控制分为远程控制和就地控制，现场人员可在紧急情况下手动操作风机控制柜面按钮来控制风机运行，这为紧急情况下的切换提供了便利。
在该控制系统中，由于采用以出口总管压力为被控量的PID闭环控制，故亦可实现对两台风机的“无间断”切换，保证出口总管压力的稳定。以1#加压风机与2#加压风机的切换为例，先开启2#加压风机，变频器按照设定加速时间，2#加压风机转速平滑上升，201入口阀随之打开；稍后停1#加压风机，变频器按照设定减速时间，1#加压风机平滑停车，101入口阀逐步关闭。
4.5 上位机软件组态
上位机组态软件采用SIMATIC WinCC 软件，操作员站和工程师站既有相同之处，亦有不同之处。相同之处主要包括：图文并茂显示系统各设备状态及可对设备参数状态进行操作设置的的工艺流程图，显示某台机组的详细信息的动态模拟画面，可以及时获知出口阀压力、入口阀开度等主要过程参数变量的測量值、开关量的运行状态等；各设备主要运行参数实时数据记录及历史变化趋势；当前及历史报警信息显示查询。不同之处在于：操作员站画面偏向监控层面，以丰富的监控画面和报警信息为主，可供设置的页面较少，以方便操作员抄表及监控；工程师站画面偏向设定，通过画面可以清晰读取所有模拟量I/O测量值、开关量I/O状态，并可进行PI参数整定、过程参数设定等，友好丰富的界面极大的方便了工程师调试。
5 结语
采用该系统设计的煤气加压装置控制系统，充分利用西门子S7-400PLC的PID调节器，应用变频调速系统控制煤气加压风机，实现根据负荷变化来自动调节风机转速，自动调节入口阀和旁通阀的开度，以达到稳定煤气出口总管压力和流量的目的。该控制系统设计既满足了生产需要，又能实现节能降耗，为煤气加压装置的稳定、顺产、优质提供了可靠的保障，可产生显著的经济效益。
参考文献：
[1] 陆德民.石油化工自动控制设计手册（第三版）[M].北京：化学工业出版社，2000.
[2] 廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 吕子祥，郭秀新，伍雄斌.泰钢煤气混合控制系统的改造[J].山东冶金，2011（6），33（3）.
关键词：PLC 煤气加压装置 控制系统
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-026-02
1 前言
煤气加压风机用于煤气的输送和加压，属于长时间连续运转设备，在钢铁企业煤气站应用广泛。近年来，笔者采用以西门子S7-400PLC为主控单元的控制系统，在国内多个煤气加压装置上实现了煤气加压输送过程的自动控制。在设计中，以西门子WinCC软件为人机操作界面软件，S7-400PLC作为下位机，实现信号采集、数据计算、逻辑控制等过程的自动化，整个控制系统具有成本低、运行稳定和控制实时等优点。
2 煤气加压装置工艺流程
如图1所示，为常规煤气加压装置的主要工作流程。以1#机为例，煤气从入口调节阀经管道进入煤气加压风机，经加压风机加压后，从出口蝶阀流入煤气出口总管，进而流入下游工艺段。一般而言，煤气站对煤气出口压力及流量有一定要求，在加压风机不能及时满足要求时，需要通过旁路调节阀来保证出口压力及流量满足需求。
3 系统配置
3.1 硬件配置
如图1所示的配置3台加压风机的煤气加压装置为例，主控系统由下位机和上位机组成，上位机选用西门子WinCC软件，下位机可选用西门子S7-400 PLC实现。西门子S7-400 PLC作为整个系统的控制核心，处理人机界面对系统的各种请求，对整个系统的参数进行监控，实现对煤气出口总管压力的PID调节，维持管网的压力恒定。
在PLC的选型配置上，CPU选用414-4H冗余配置，采用双CPU冗余配置可极大的提高系统的安全性，保证煤气输送的稳定性。PLC选型同时配置以太网模块，用于与上位机的以太网连接。除此外，还需配有一定数量的远程I/O模块。
3.2 网络配置
如图2所示，煤气加压装置现场设一个PLC主站，CPU与远程I/O之间通过PROFIBUS-DP总线进行通讯。
现场还设有上位机工程师站、交换机等，远程监控中心设有上位机操作员站、交换机等，现场控制室与远程监控中心通过光纤相连，实现数据的实时交换。下位机与上位机之间以工业以太网的形式通信，具有良好的开放性，可同时将煤气管道电除尘设备、管道清洗阀等其它相关设备纳入该控制系统，同时也便于数据上传，方便该控制系统接入到更大范围的煤气混气站控制系统，乃至于公司级的设备运行管理系统。
4 功能实现
4.1 控制原理
如图3所示，为煤气加压装置的主要控制原理。对于煤气用户而言，出口阀压力是检验煤气输送质量的重要指标。同样，对于煤气加压装置而言，其控制系统的重要目标是让出口阀的压力满足需求。
就煤气出口阀压力这一被控量而言，对象调节通道参数时间T较小，且变化极快，若加入微分调节，极易产生被控量震荡，因而此系统宜采用PI调节器，以比例单元调节为主，积分单元为辅。
4.2 PID控制的实现
PID控制属于闭环控制，即将被控量的测量值反馈到PLC，与被控量的目标值相比较，判断是否达到预定的控制目的。若未达到，则根据两者的差值进行调整，直至达到预定的控制目的。
由于相对下游工艺段而言，煤气出口总管压力是输入压力，对下游工艺段质量影响较大。同时，出口总管压力也直接来源于各加压风机出口阀压力，直接受加压装置控制系统调节。故在该控制系统中，取煤气管道的出口总管道压力为被控量。
通常，煤气加压装置的出口阀压力根据用户的需求，可根据实际情况自由设定。给定值设定后，当实际值大于或小于给定值时，将输送一个扰动信号给西门子PLC的功能块-PI调节器，经PI调节器计算后，由变频器通过改变煤气加压风机电机的转速来调节煤气的流量和压力，从而实现煤气出口总管的单闭环PI调节，有助于煤气出口总管压力的稳定。
4.3 旁通阀的控制
在煤气加压装置控制系统中，当加压风机变频调速系统不能及时调整煤气出口阀压力时，加入旁通阀有助于快速稳定出口阀压力。
旁通阀一般处于关闭状态，其控制模式同样宜采用PI调节器的闭环控制系统。当下游工艺段煤气用量大减，造成出口压力骤然升高，变频调速系统调节速度难以及时调整出口压力，此时旁通阀立即打开，参与调节。由于旁通阀的的比例单元和积分单元设置值较小，因而动作较快，可以迅速稳定出口阀压力，避免加压风机出现“喘振”现象，有力的保障设备安全。
4.4 加压风机的切换
对于单台加压风机，其控制分为远程控制和就地控制，现场人员可在紧急情况下手动操作风机控制柜面按钮来控制风机运行，这为紧急情况下的切换提供了便利。
在该控制系统中，由于采用以出口总管压力为被控量的PID闭环控制，故亦可实现对两台风机的“无间断”切换，保证出口总管压力的稳定。以1#加压风机与2#加压风机的切换为例，先开启2#加压风机，变频器按照设定加速时间，2#加压风机转速平滑上升，201入口阀随之打开；稍后停1#加压风机，变频器按照设定减速时间，1#加压风机平滑停车，101入口阀逐步关闭。
4.5 上位机软件组态
上位机组态软件采用SIMATIC WinCC 软件，操作员站和工程师站既有相同之处，亦有不同之处。相同之处主要包括：图文并茂显示系统各设备状态及可对设备参数状态进行操作设置的的工艺流程图，显示某台机组的详细信息的动态模拟画面，可以及时获知出口阀压力、入口阀开度等主要过程参数变量的測量值、开关量的运行状态等；各设备主要运行参数实时数据记录及历史变化趋势；当前及历史报警信息显示查询。不同之处在于：操作员站画面偏向监控层面，以丰富的监控画面和报警信息为主，可供设置的页面较少，以方便操作员抄表及监控；工程师站画面偏向设定，通过画面可以清晰读取所有模拟量I/O测量值、开关量I/O状态，并可进行PI参数整定、过程参数设定等，友好丰富的界面极大的方便了工程师调试。
5 结语
采用该系统设计的煤气加压装置控制系统，充分利用西门子S7-400PLC的PID调节器，应用变频调速系统控制煤气加压风机，实现根据负荷变化来自动调节风机转速，自动调节入口阀和旁通阀的开度，以达到稳定煤气出口总管压力和流量的目的。该控制系统设计既满足了生产需要，又能实现节能降耗，为煤气加压装置的稳定、顺产、优质提供了可靠的保障，可产生显著的经济效益。
参考文献：
[1] 陆德民.石油化工自动控制设计手册（第三版）[M].北京：化学工业出版社，2000.
[2] 廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 吕子祥，郭秀新，伍雄斌.泰钢煤气混合控制系统的改造[J].山东冶金，2011（6），33（3）.