本科毕业设计-基于WinCC的轴流压缩机防喘振控制系统的界面设计与调试

基于WinCC的轴流压缩机防喘振控制系统的界面设计与调试 本科毕业设计（论文）

1 绪论

1.1 引言

高炉是钢铁生产中的重要设备之一。由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产率高，能耗低等优点，故这种方法生产的铁占世界铁总量的大部分。 长期以来在冶金工业生产中与高炉配套使用的压缩机大多是离心式压缩机。由于离心式压缩机的流量不能实现与炉况变化的同步调节，效率较低，因此近几年国内企业生产出了调节范围宽、效率高、节能效果显著、更适合高炉宽工况需要的轴流压缩机替代原与高炉配套的离心式压缩机。陕西鼓风机（集团）有限公司生产的轴流压缩机无论在气动性能上还是在制造技术上，都达到了相当高的国际水平，广泛应用于各个领域。

轴流式压缩机因其具有大流量、高效率等诸多优点而被广泛应用于冶金、石化装置中，成为各种大型成套工程的关键设备。但轴流式压缩机的喘振现象却始终是影响压缩机安全、稳定运行的最重要因素。因为，一旦喘振得不到及时地遏制，进而发展为逆流，持续逆流就会发生毁机的严重后果。由此，压缩机的防喘振控制就显得非常重要

1.2 轴流压缩机防喘振控制系统的现状及发展

轴流压缩机是 20世纪中期才逐渐用于工业生产中，尤其近几年由于能源紧缺，高效率、大流量的轴流压缩机越来越多地用于以前被认为是离心压缩机的领域，除高炉鼓风、空分装置、催化裂化装置、硝酸四合一机组（三合一机组）、大型风源风洞等传统领域外，轴流压缩机的应用领域还不断扩大。

全静叶可调式轴流压缩机是我国引进瑞士苏尔寿风机技术生产的轴流式压缩机，由于轴流式压缩机在送风性能、能源使用效率及提高冶炼系数等方面较离心式压缩机有较大的优势，目前，我国钢铁行业中的炼铁高炉使用的鼓风机正在处于一个由离心式向轴流式更新的过程中， 由于轴流压缩机有着比离心式压缩机更加精密的机械结构和更多的控制对象， 因此，其对控制系统有着比离心式压缩机更高的要求。

早期我国进口的全静叶可调式轴流压缩机控制系统由DCS加常规调节仪表构成。由于调节仪表的功能限制，防喘振调节与DCS之间无法做到全集成化控制，使机组的控制指标大打折扣．因此我们充分利用西门子高端PLC的高可靠性、强大的网络能力和运算能力，与工业控制计算机构成完整的控制系统，并已经在冶炼高炉轴流压缩机上使用，特别是采用特殊的送风流量、压力调节和防喘振调节算法在提高压缩机工作效率、保护轴流压缩机及安全生产方面取得了良好的效果。

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1.3 课题背景及意义

本设计研究的主要内容是轴流压缩机的防喘振控制系统，主要是设计，设计一套独立的由可编程控制器PLC、智能调节器、调节阀及各种检测仪表组成的机组监控系统，以保证轴流压缩机组的安全可靠地运行。

对于防喘振，我们主要关心各个参数（温度，压力，流量）是否正常。以往的操作人员不得不亲自到现场去检测各个表的读数，不但费时费力，而且对操作人员的耳膜有损坏，一旦有些参数发生异常情况不能及时反映给操作人员，就很容易损坏机器，影响机器的运行，造成成本过高。同时，操作人员还得对某些参数进行记录，这是一项繁琐的工作，不仅增加了工作量，还增加了运行成本。

随着计算机应用在工业领域的日益发展，SIMATIC WinCC工业组态软件顺应而出。它的出现，大大简化了人员和设备配置。高性能的过程耦合、快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性。WinCC组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画形式显示监控设备的运行状态，方便构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。此外，它还具有高度的开放性和可扩充性，可以连接第三方设备。相比于以往的监测控制系统，我们只要在组态好的计算机图形界面上轻轻一点鼠标，就可以获需所要的信息，进行相应的操作。它不仅降低了运行成本，而且增加了系统的可靠性、稳定性和容错性。它做具有的报警记录使我们能及时得知异常情况并找出错原因，它所具有的变量归档和报表打印使我们能大量存档并随时打印出来，以供分析。WinCC组态软件已成为远程监控应用和大型过程控制的理想选择。

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2 轴流压缩机工艺流程及检测控制系统

2.1 轴流压缩机防喘振控制系统的工艺流程

喘振是在压缩机最容易发生的现象，对压缩机的损害也很大。为了减少压缩机的能量损耗、提高效率，采用可变极限流量法来实现轴流压缩机的防喘振控制。根据喘振发生的机理，压缩机在某个压力、转速工作时，有一个最小流量点，低于这个流量的极力，压缩机的性能变得极不稳定。本方案取P为测量值，而取 m/bk2(P2-aP1)为设定值（P为喉部差压，P2为出口压力，P1为入口压力，a、b为系数，m为孔板流量系数），这是一个随动控制系统。当P ≥ m/bk2(P2-aP1)时，压缩机运行在安全操作线及其右侧，防喘振调节阀关闭，压缩机正常运行；当P < m/bk2(P2-aP1)时，压缩机运行在安全操作线左侧，控制系统发出信号快速打开防喘振调节阀，部分气体放空，以防止压缩机喘振。因此，设计中采用分程控制两个气动阀（防喘阀）的方法来实现。，其中一个使气动防喘振调节阀BV一101在信号区段(4mA～16mA)完成从全关到全开的全行程动作；而另一个使气动防喘振调节BFV一102在信号区段(16mA~20mA)完成从全关到全开的全行程动作。这样就实现了用一个调节器的输出信号分段分别控制两台气动调节阀工作即分程控制。其流程图如图2.1.1。

图 2.1.1

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2.2 轴流压缩机的检测控制系统

轴流压缩机的检测控制系统主要包括：防喘振控制系统；定风量／定风压一静叶串级调节系统；机组流量、压力、温度监测系统；轴振动、轴位移监测保护系统；轴承温度监测保护系统；润滑油、冷却水、仪表气源的检测系统等。其中最重要的是防喘振控制。根据工艺要求，轴流压缩机防喘振过程监测和控制项目主要有：

轴流压缩机本体系统：入口压力、出口压力、喉部差压、入口温度、出口温度、去工艺流量监测；

报警系统：对入口压力、出口压力、喉部差压、入口温度、出口温度、压缩机等报警点的监测

气动防喘振调节阀控制：由一个调节器的输出信号分段分别去控制两个气动阀。系统的“设定值”为为m/bk2(P2-aP1)计算所得的值，测量值为“喉部差压”的值。当测量值小于设定值时，压缩机发生喘振，控制系统发出信号快速打开防喘振调节阀，部分气体放空。在信号区段(4mA～16mA)时，打开第一个气动阀；在信号区段(16mA~20mA)时，打开第二个气动阀，从而实现了分程控制。

2.3 轴流压缩机防喘振控制系统界面的功能

根据上述工艺要求，采用WinCC设计的监控界面应能实现轴流压缩机防喘振过程中各种温度、压力、流量等参数的显示、记录、趋势、报警等，为现场操作人员提供判断压缩机是否发生喘振的依据；能实现对气动阀（防喘阀）的手动/自动等各种生产操作，以保证压缩机的安全运行。

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