GE Fanuc的產(chǎn)品在沈鼓機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用一、概述沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)始建于1943,經(jīng)過(guò)60多年的不斷發(fā)展,現(xiàn)已成為中國(guó)規(guī)模最大的生產(chǎn)透平壓縮機(jī),透平鼓風(fēng)機(jī),大型通風(fēng)機(jī)以及大型水泵、往復(fù)壓縮機(jī)的國(guó)有大型企業(yè)。多年來(lái)共累計(jì)生產(chǎn)各類離心壓縮機(jī)1300余臺(tái),其產(chǎn)品覆蓋中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域,并遠(yuǎn)銷25個(gè)國(guó)家和地區(qū),國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)85%以上,年產(chǎn)量居世界前列。
杭州蕭越熱電廠購(gòu)買的空壓離心壓縮機(jī)為2MCL系列。杭州蕭越熱電廠位于杭州蕭山工業(yè)園內(nèi)。蕭山工業(yè)園內(nèi)建有很多印染、紡織廠,是全國(guó)最大的輕紡城。該機(jī)組主要目的是為蕭山工業(yè)園區(qū)的幾個(gè)印染、紡織廠提供風(fēng)能。
本套控制系統(tǒng)是其空壓機(jī)組的配套產(chǎn)品,除了控制沈鼓的壓縮機(jī)還對(duì)青島汽輪機(jī)廠的汽輪機(jī)以及一些相關(guān)的泵站等輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。
二、工藝控制要求2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS) 連續(xù)采集和處理所有與壓縮機(jī)組及其輔機(jī)相關(guān)的重要測(cè)點(diǎn)及設(shè)備狀態(tài),及時(shí)向操作員提供有關(guān)的運(yùn)行信息,實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
機(jī)組參數(shù)的當(dāng)前值或狀態(tài)的顯示、棒狀圖顯示、報(bào)警顯示和趨勢(shì)顯示。
報(bào)警顯示:
事故順序(SOE)記錄,通過(guò)在CIMPLICITY ME中進(jìn)行C語(yǔ)言編程,并且通過(guò)CIMPLICITY HMI與歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)SQL2000實(shí)時(shí)記錄S90-30系統(tǒng)內(nèi)部的事件動(dòng)作,能精確到1ms。
機(jī)組概貌P&ID圖的模擬顯示,通過(guò)CIMPLICITY HMI進(jìn)行組態(tài),并且實(shí)現(xiàn)參數(shù)報(bào)警變色以及變量注釋的動(dòng)態(tài)顯示。
機(jī)組氣路P&ID圖:
機(jī)組油路P&ID圖:
泵組P&ID圖:
加熱器P&ID圖:
2.2模擬量控制系統(tǒng)(MCS)GE Fanuc PID回路增益、kp、 ki、 kd可由所控制的過(guò)程特性確定。其中關(guān)鍵在于:
1、當(dāng)我們通過(guò)固定量改變CV時(shí),PV改變有多大?開路增益是什么?
2、系統(tǒng)響應(yīng)有多快,或者說(shuō)CV輸入躍遷后PV改變有多快?
許多過(guò)程可由過(guò)程增益,初級(jí)或次級(jí)順序延遲及一個(gè)純時(shí)間延遲而模擬。在頻率范圍內(nèi),含一純時(shí)間延遲的初級(jí)順序延遲系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換功能如下:
PV(s)/CV(s)=K*e*(-Tps)/(1+Tcs)
例:在時(shí)間范圍內(nèi)繪出時(shí)間t0的躍遷響應(yīng)曲線:
k:過(guò)程開路增益=PV最終改變/t0時(shí)的CV改變
Tp:t0之后在過(guò)程輸出PV開始傳送前的過(guò)程時(shí)間延遲或“死”時(shí)間。
Tc:Tp之后PV達(dá)到最終PV值的63.2%時(shí)所需要的時(shí)間。
測(cè)量這些參數(shù)的最佳方法是把PID模塊置于手動(dòng)模式把CV做小幅躍遷,并且繪出PV響應(yīng)時(shí)間的曲線。
GE Fanu的PID調(diào)節(jié)方法由Ziegler和Nicholas在四十年代發(fā)展起來(lái)的。
一旦k、Tp和Tc三個(gè)過(guò)程模型參數(shù)確定后,即可用來(lái)估算PID回路增益。作用速率:R=K/Tc
只有比例控制,計(jì)算Kp
Kp=Tc/(k*Tp)
對(duì)于比例和積分控制
Kp=0.9*Tc/(k*Tp)
Ki=0.3*Kp/Tp
對(duì)于PID控制
Kp=G/(Tp*R) G為1.2~2.0
Ki=0.5*Kp/Tp
Kd=0.5*Kp*Tp
采樣周期在(Tp+Tc)/10至(Tp+Tc)/100之間。
還有一種“理想調(diào)節(jié)”方法,可以獲得最佳的SP改變響應(yīng)。
Kp=2*Tc/(3*k*Tp)
Ki=Tc
Kd=Ki/4
本系統(tǒng)的所有模擬量控制包括:調(diào)節(jié)油壓力,潤(rùn)滑油壓力,壓縮機(jī)入口壓力,循環(huán)水入口流量等均采用PID ISA標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行控制。這樣選擇了適當(dāng)?shù)膮?shù)后,可以快速響應(yīng)負(fù)荷或能量的變化,在自動(dòng)方式下不需要人為的干預(yù)。當(dāng)發(fā)生手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)實(shí)現(xiàn)平滑控制。
2.3 防喘振控制(Anti-Surge) GE90-30通過(guò)CIMPLICITY ME集成有專門的防喘振控制系統(tǒng),有以下特點(diǎn):
一旦發(fā)生喘振,可以人工干預(yù)、校正安全區(qū)域。
當(dāng)工況點(diǎn)大于規(guī)定的速率越過(guò)喘振控制線時(shí),自動(dòng)打開防喘振閥。
以適當(dāng)?shù)目刂破鬏敵鲈鲆骓憫?yīng),使防喘振閥實(shí)現(xiàn)快開和慢關(guān)。
配有手操功能,用于調(diào)節(jié)、試驗(yàn)和排除故障。
用接點(diǎn)控制電磁閥,當(dāng)發(fā)生劇烈喘振或機(jī)組聯(lián)鎖時(shí),直接開啟防喘振閥。
控制模型充分考慮了機(jī)組壓力,流量的要求和變化,最大限度的接近喘振線,保證工作區(qū)域最大。
防喘振控制:
2.4 抽氣壓力和壓縮空氣電液調(diào)節(jié)(ELA) 在監(jiān)控系統(tǒng)CIMPLICITY HMI上顯示和控制505E,實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速,抽氣壓力和壓縮機(jī)空氣負(fù)荷的調(diào)節(jié)。
通過(guò)HMI和505E的配合使用,實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程控制方式,方便操作人員的控制要求。
2.5 汽輪壓縮機(jī)組緊急跳閘保護(hù)(ESD) 機(jī)組停車保護(hù)的主要項(xiàng)目包括:潤(rùn)滑油總管壓力、安全(速關(guān))油壓力、轉(zhuǎn)速、軸振動(dòng)、軸位移、軸承溫度和真空等。所有的保護(hù)輸出在邏輯上有閉鎖功能,以防止如熱電阻、熱電偶的誤動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)的掃描周期在40毫秒左右,完全能夠滿足緊急響應(yīng)的要求。
三、GE Fanuc 的解決方案3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用 GE Fanuc 系列90-30 PLC系統(tǒng)作數(shù)據(jù)采集和控制,為了保證系統(tǒng)的可靠性,控制部分采用雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu),電源、CPU、通訊模塊和Genius通訊總線、以太網(wǎng)通訊模塊等都是冗余的。通過(guò)雙機(jī)熱備軟件MAX-ON配置后,導(dǎo)入Proficy Machine Edition編程軟件內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備功能,保證系統(tǒng)的高可靠性。數(shù)據(jù)采集部分由三層五個(gè)10 槽機(jī)架組成,層之間通過(guò)Genius總線連接。雙機(jī)熱備部分與數(shù)據(jù)采集部分利用 Genius Bus Controller (GBC)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過(guò)Genius雙總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊與傳輸?,F(xiàn)場(chǎng)的各類模擬信號(hào)、電磁報(bào)警接點(diǎn)信號(hào)、PLC 輸出到現(xiàn)場(chǎng)電磁閥的起停信號(hào)等均通過(guò)端子排與 PLC I/O 模塊相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為GE Fanuc公司的Proficy CIMPLICITY HMI V6.1來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及控制功能。包括2臺(tái)工程師站和1臺(tái)操作員站,并且在一個(gè)工程師站上集成WebView Server功能,用戶就可以通過(guò)Windows IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)全廠局域網(wǎng)數(shù)據(jù)瀏覽功能,便于公司管理層及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況。
3.2 軟件系統(tǒng)
下位機(jī)系統(tǒng)軟件為Proficy Cimplicy Machine EditionCIMPLICITY ME由Logic Developer(PAC、PLC、PC、State、CNC),View,Motion Developer等組成。
CIMPLICITY ME不但能夠?qū)删幊炭刂破?,分布?,嵌入式控制器,數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行編程組態(tài),而且能夠?qū)E的操作面板,工控機(jī)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行編程控制。這樣,ME將多種控制要求集成在同一個(gè)平臺(tái)下,符合現(xiàn)代控制要求多樣性的要求,是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)平臺(tái)。
如上圖所示:ME包含了大量的系統(tǒng)控制功能
ME具有如下幾個(gè)特點(diǎn):
使用CIMPLICITY ME軟件,在一個(gè)公共的環(huán)境用于配置、編程、調(diào)試和維護(hù)用戶程序。
統(tǒng)一的用戶界面
一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)(交叉參考、變量表等)
符號(hào)編程
即拖即放功能
Test修改編輯模式
強(qiáng)大的在線幫助窗口
支持多種IEC1131語(yǔ)言包括LAD、FBD、SFC、ST和C語(yǔ)言
熱備系統(tǒng)軟件MAX-ON利用熱備軟件MAX-ON對(duì)S90-30系統(tǒng)進(jìn)行配置后,導(dǎo)入ME中即可實(shí)現(xiàn)控制器之間的同步和數(shù)據(jù)交換。相對(duì)于西門子的S7-300軟冗余,該系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單、無(wú)須編程、數(shù)據(jù)交換效率更高、穩(wěn)定性更好、有嚴(yán)格的授權(quán)要求。
上位機(jī)軟件為Proficy Cimplicy HMI CIMPLICITY HMI主要有以下幾點(diǎn)特性:
CIMPLICITY HMI包括CimEdit和CimView兩大組件。使用CimEdit功能可以非常方便的進(jìn)行屏幕編輯;CimView作為顯示功能使用。
在HMI中可導(dǎo)入OLE和ActiveX對(duì)象,例如趨勢(shì)、SPC圖表及報(bào)警瀏覽器等內(nèi)容。
由于采用了開放式的系統(tǒng)設(shè)計(jì),其系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)登錄使用了標(biāo)準(zhǔn)ODBC接口。例如將報(bào)警、事件、與數(shù)據(jù)點(diǎn)值登錄到Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)文件、Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)或Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中去??梢詮膱?bào)表和各種符合ODBC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序中檢索數(shù)據(jù)庫(kù)信息。
支持VB腳本進(jìn)行基本的功能控制。
利用Microsoft C/C++和Microsoft Developers Studio可生成新設(shè)備通訊接口,利用該接口訪問(wèn)第三方設(shè)備。
支持OPC,包括OPC客戶機(jī)和OPC服務(wù)器。
含有報(bào)表管理器,很容易生成基本的過(guò)程報(bào)表。
支持客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)和服務(wù)器冗余功能。
支持Web Server和Web View功能。
對(duì)于本套控制系統(tǒng)而言,最具有價(jià)值的是全面的應(yīng)用了GE Fanuc Proficy系列軟件。這樣,在S90-30熱備系統(tǒng)與工程師站或操作員站之間實(shí)現(xiàn)了的無(wú)縫高效的結(jié)合,無(wú)須利用腳本工具進(jìn)行冗余通訊等額外的編程,這是使用第三方軟件難以實(shí)現(xiàn)的。CIMPLICI