高壓氨水泵PID恒壓控制改造

劉國學(xué)（天津天鐵冶金集團(tuán)金牛天鐵煤焦化有限公司，河北省涉縣056404）

高壓氨水泵PID恒壓控制改造

劉國學(xué)（天津天鐵冶金集團(tuán)金牛天鐵煤焦化有限公司，河北省涉縣056404）

詳細(xì)分析了高壓氨水泵生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問題，闡述了PID恒壓控制改造的具體方案設(shè)計(jì)及設(shè)備選型。改造方案實(shí)施后，有效地解決了原控制方式存在的問題，實(shí)現(xiàn)高壓氨水的恒壓控制，方便了設(shè)備的檢修維護(hù)和日常操作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能和高效運(yùn)行。

水泵控制網(wǎng)絡(luò)恒壓監(jiān)控節(jié)能改造

1 前言

天鐵集團(tuán)焦化廠化產(chǎn)回收車間現(xiàn)有高壓氨水泵DG25-50×7型4臺(tái),揚(yáng)程為350 m，配用電機(jī)為Y250M-2/55 kW/50 Hz。高壓氨水泵作為焦?fàn)t無煙裝煤環(huán)保設(shè)備，主要在焦?fàn)t裝煤時(shí)，采用高壓氨水噴射手段，可以減少裝煤時(shí)的煙塵逸散量，達(dá)到焦?fàn)t裝煤過程中消煙去塵要求。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受焦?fàn)t間斷性生產(chǎn)特性影響,所需氨水壓力較額定壓力低，壓力靠手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)出口閥門開度控制，造成閥門長期處于開度不足狀態(tài)，截流損失大。設(shè)備運(yùn)行中，需泵工與煉焦車間上升管操作工經(jīng)常聯(lián)系，操作極為不便，裝煤時(shí)所需氨水壓力在2.5 MPa以上即能滿足生產(chǎn)環(huán)保要求，系統(tǒng)存在著巨大的節(jié)電潛能。

2 設(shè)備現(xiàn)狀

系統(tǒng)利用1151型壓力變送器，將上升管氨水壓力信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理器送到變頻器，實(shí)現(xiàn)上升管氨水壓力—壓力變送器—變頻器—高壓氨水泵的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。選用的PLC及A/D轉(zhuǎn)換器為三菱公司FX2-32MR、FX-4AD產(chǎn)品，選用日本富士FRN55P9S-4J變頻器。

系統(tǒng)控制設(shè)置為兩頻點(diǎn)控制方式，上限壓力為3.2 MPa，下限壓力為2.5 MPa。焦?fàn)t裝煤時(shí)上升管高壓氨水閥打開，管路泄壓，當(dāng)壓力低于2.5 MPa時(shí)，通過信號(hào)處理后接通變頻器設(shè)定的48 Hz頻點(diǎn)，使電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，氨水壓力增高。當(dāng)焦?fàn)t停止裝煤時(shí)，上升管高壓氨水閥關(guān)閉，管道內(nèi)壓力增高，在壓力升至3.2 MPa時(shí)，通過信號(hào)處理接通變頻器設(shè)定的40 Hz頻點(diǎn)，使電機(jī)在40 Hz低速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率的自動(dòng)切換，達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)投運(yùn)后，在一定程度上節(jié)約了電能，降低了能耗，延長了設(shè)備壽命。

3 存在的問題

隨著公司技術(shù)裝備技術(shù)水平的快速發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的客觀要求，系統(tǒng)存在問題日漸突出，主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面。

3.1 控制方式為階躍式頻點(diǎn)控制，電機(jī)速度不能平滑調(diào)節(jié)。

3.2 參數(shù)設(shè)定與調(diào)整困難，上下限需有一定的區(qū)間。壓力設(shè)定不當(dāng)，區(qū)間過大，當(dāng)電機(jī)處于48 Hz運(yùn)行時(shí)，壓力達(dá)不到上限，當(dāng)電機(jī)長期處于48 Hz運(yùn)行，將失去變頻作用。區(qū)間過小，則瞬間可達(dá)高限，將造成頻率頻繁切換，壓力極不穩(wěn)定，加大電機(jī)運(yùn)行噪音，電機(jī)易發(fā)熱，對(duì)電機(jī)運(yùn)行不利。

3.3 在運(yùn)行中控制參數(shù)不能修改，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)無法自動(dòng)記錄。

3.4 缺乏完善的設(shè)備故障報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)顯示功能，完全依靠人工現(xiàn)場操作與定期巡檢。

3.5 系統(tǒng)無網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，運(yùn)行參數(shù)不能上傳焦化廠局域網(wǎng)。

4 方案設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

4.1 方案設(shè)計(jì)

4.1.1 采用連續(xù)控制

連續(xù)控制流程可解決原系統(tǒng)階躍式控制所造成的電機(jī)轉(zhuǎn)速不平滑問題，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。具體流程示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)控制流程示意圖

4.1.2 結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)裝備水平及Modicon Concept與亞控組態(tài)王軟件技術(shù)的應(yīng)用，軟件技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中的參數(shù)修改，設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、記錄等問題。

4.1.3 PID控制具有原理簡單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)，采用PID控制方式實(shí)現(xiàn)氨水壓力的恒壓控制，解決了運(yùn)行過程中壓力不穩(wěn)定的問題。

4.1.4 選取與現(xiàn)場網(wǎng)相兼容設(shè)備，利用網(wǎng)線、通訊適

配器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)該功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。

4.2 主要功能實(shí)現(xiàn)

4.2.1 Modicon Concept軟件是面向工廠自動(dòng)化，基于Microsoft Windows的編程工具，使得對(duì)Modicon TSX Quantum、Momentum自動(dòng)化控制系統(tǒng)的程序編寫軟件調(diào)試系統(tǒng)維護(hù)簡單。全流程電氣設(shè)備的連鎖和控制可通過編程可在Concept控制層得以實(shí)現(xiàn)。

4.2.2 PID控制是比例積分微分控制的簡稱。

或改寫為:Gc(s)=Kp（1+1/TIs+TDs）

式中：Kp、KI、KD——常數(shù)。

Kp稱為PID控制器的比例系數(shù)；TI=KP/KI稱為PID控制器的積分時(shí)間；TD=KD/KP稱為PID控制器的微分時(shí)間。只要Kp、TI、TD配合得當(dāng)就可以得到較好的控制效果。利用PID調(diào)節(jié)控制方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高壓氨水壓力的變頻恒壓控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速平滑可調(diào)。

4.2.3 監(jiān)控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集軟件的平臺(tái)，上位機(jī)組態(tài)軟件采用亞控科技組態(tài)王V6.5。上位機(jī)設(shè)在鼓風(fēng)機(jī)操作室，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。可以有效解決人機(jī)對(duì)話和監(jiān)控，運(yùn)行實(shí)時(shí)和歷史記錄。

4.3 設(shè)備選型

4.3.1 PLC選型及組態(tài)

選用莫迪康Momentum系列控制設(shè)備，由基板、通訊適配器、控制器及可選通訊適配器通過組態(tài)構(gòu)成完整的控制設(shè)備。具有高性能、智能化、可控性，能確保在惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠工作，并具有MB+對(duì)等通訊網(wǎng)絡(luò)接口，能和焦化廠Modicon TSX Quantum系列PLC控制設(shè)備兼容，具有數(shù)據(jù)通訊互鎖、數(shù)據(jù)采集、程序上裝/下載、在線調(diào)試與監(jiān)控等功能。PLC硬件通過MB+網(wǎng)絡(luò)，接入焦化現(xiàn)場控制網(wǎng)。控制軟件采用Concept軟件,上位監(jiān)控軟件采用亞控組態(tài)王軟件。

PLC硬件組態(tài):

4.3.2 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）

用鼓風(fēng)機(jī)操作室的原研華工控機(jī)IPC-610P4-250做上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。

4.3.3 變頻器

依據(jù)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行條件，選用艾默生變頻器EV2000-4T0075P。

針對(duì)現(xiàn)場工藝設(shè)備開二備二特點(diǎn)，采用1臺(tái)變頻器可選擇驅(qū)動(dòng)2臺(tái)氨水泵中任意一臺(tái)電機(jī)運(yùn)行方式。

4.3.4 實(shí)施

（1）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際及過程控制需求，對(duì)設(shè)備進(jìn)行選型組態(tài)，編制底層控制程序和上位機(jī)監(jiān)控程序、經(jīng)模擬調(diào)試后投用。

（2）在高壓氨水電磁站安裝1#2#變頻器控制柜，在泵房安裝現(xiàn)場操作柜，使系統(tǒng)具備就地操作和遠(yuǎn)程操作兩種功能。

（3）利用MB+網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)線將PLC同現(xiàn)場MB+網(wǎng)連接,用鼓風(fēng)機(jī)監(jiān)控機(jī)做上位機(jī)，PID調(diào)節(jié)由PLC系統(tǒng)完成。把控制程序下載給現(xiàn)場Momentum PLC,利用鼓風(fēng)機(jī)原工控上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控。

4.3.5 參數(shù)設(shè)置

（1）目標(biāo)值設(shè)定為2.60 MPa，壓力偏差0.1 MPa。目標(biāo)值可根據(jù)工藝條件在線修改。

（2）PID參數(shù)調(diào)整，采用工程整定的經(jīng)驗(yàn)湊試法、衰減曲線法，在監(jiān)視運(yùn)行波形的同時(shí)，進(jìn)行調(diào)整。將控制器參數(shù)放置在某一比例帶，系統(tǒng)在純比例作用下投運(yùn)，穩(wěn)定操作一段時(shí)間，再進(jìn)行參數(shù)整定。逐步減小比例帶。根據(jù)衰減比例帶，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算各參數(shù)值。將比例帶放在較計(jì)算值大的數(shù)值上，然后把積分時(shí)間、微分時(shí)間按先后次序加入。最后將比例帶至計(jì)算值上，觀察運(yùn)行，適當(dāng)調(diào)整即可。

5 系統(tǒng)投運(yùn)效果及效益

5.1 真正實(shí)現(xiàn)了上升管氨水壓力與變頻器氨水泵系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)，克服了原系統(tǒng)控制反應(yīng)慢、誤差大、波動(dòng)大等缺陷，使氨水壓力保持恒定，電機(jī)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了平滑調(diào)速。

5.2 設(shè)備運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)可靠，設(shè)備控制實(shí)現(xiàn)就地和遠(yuǎn)程操作，設(shè)備運(yùn)行方式更趨合理。由于電機(jī)長期處于低速運(yùn)行且平穩(wěn)可靠，設(shè)備磨損大幅降低，設(shè)備壽命相對(duì)提高，電機(jī)溫升平均減少，現(xiàn)場噪音降低。徹底解決了原系統(tǒng)氨水壓力超壓、安全閥頻繁瀉壓問題，改善了職工作業(yè)環(huán)境。

5.3 節(jié)能效果顯著。電機(jī)實(shí)現(xiàn)了平滑運(yùn)行，運(yùn)行過程中比以前降低40%左右，系統(tǒng)節(jié)電年可達(dá)24.7萬kWh，能耗顯著降低。

5.4 微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)信息化管理。監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、記錄功能更趨完善。設(shè)備運(yùn)行中氨水壓力可根據(jù)生產(chǎn)狀況任意設(shè)定，過程數(shù)據(jù)記錄客觀真實(shí)。

5.5 設(shè)備通過上位機(jī)操作和監(jiān)控，節(jié)約了人力資源，實(shí)現(xiàn)了減員增效。

6 結(jié)束語

高壓氨水泵變頻PID恒壓控制于2006年10月改造應(yīng)用至今，成功實(shí)現(xiàn)了氨水壓力的恒壓自動(dòng)調(diào)節(jié)，節(jié)約了電能，同時(shí)降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，延長了設(shè)備使用壽命，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行成效。

（收稿2010－03－20責(zé)編崔建華）

Control and Modification of High Pressure Ammonia Pump PID Constant Pressure

Liu Guoxue

The paper analyzes in detail the problem in the running of high pressure ammonia pump and expounds the specific plan design and equipment selection for PID constant pressure control modification.Since the modification plan is executed,the problems in the old control method,such as unsmooth motor speed regulation,difficult parameter setting and adjustment and no network transmission function in the system,are effectively solved.Constant pressure control over high pressure ammonia is realized.Equipment maintenance and routine operation become more convenient,and energy saving and high efficiency are achieved.

water pump,control,network,constant pressure,monitoring,energy saving,modification

劉國學(xué)，工程師，1992年畢業(yè)于天津大學(xué)機(jī)電分校電器自動(dòng)化系。2008年又在天津理工大學(xué)獲電器自動(dòng)化系學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在焦化公司設(shè)備材料處從事電器自動(dòng)化技術(shù)工作。