运用先控技术在TPS系统中实现压缩机的防喘振控制

当偏差e大于2%时系统发出喘振报警，当偏差e大于7%并且逆流报警存在，则防喘振线下移1%。为了保证风机的功效，最多下移5次，还设置了手动复位功能。当防喘振线下移时，此时的设定值SP为折线算出的SP＇减去移动次数N乘以下移量1%。即：

SP＝ SP＇－N×1%。

PID参数比例增益K自整定功能是通过折线运算实现的，共11点坐标形成3段斜坡折线得出K＇。在没有发生喘振情况下，当偏差e大于0.1%时（即喘振条件具备）发生喘振，K值自动置为初始值90，然后K通过和折线运算后的K＇计算逐渐减小。计算公式：

  K＝（90×25.0）÷（K＇＋25.0）

当偏差e 小于0.1%时，K值值保持不变。在比例增益K值自动变化过程，积分T1值始终为4，微分T2值始终为0。如图4所示。

 

防喘振程序的转化和移植

功能模块是TPS系统商提供的系统应用程序，用户可根据需要进行选择，然后将结构参数（功能参数和结构参数）设置好就可以调用，实现特定功能。

如高选模块：功能是输出等于输入中最大的一个输入。

其数学方程式是：

M=X1  （当X1≥X2时）

M=X2  （当X1≤X2时）

图形描述：

 

在这里，笔者选择了公式EQB算法。下面是公式中的变量说明。

P = Measured actual gage pressure.

T = Measured actual temperature.

RP = Design pressure, converted to an absolute value (Default value = 1.0).

RT = Design temperature, converted to an absolute value (Default value =1.0).

P0 = Factor to convert gauge pressure to an absolute value. Typically 14.696

psia or 101.325 kPa. Enter the absolute value of the number.Default value = 0. If the measured pressure is already an absolute value, enter 0.

T0 = Factor to convert Celsius and Fahrenheit temperatures to an absolute

value. Typically 459.69°F or 273.15°C (use the absolute value of the number when entering a value in T0).

     备机防喘振控制参考温度为T0 = 25°C。

 二、防喘振线的确定

    原方案采用折线运算得出，这种控制算法在DCS理论上称之为预测控制，它采用工业过程中较易得到的对象阶跃响应曲线，把它们在采样时刻的一系列参数作为控制对象的设定值，从而使在未来一段时间内使测量值与经过“柔化”后的设定值之间的偏差最小。不同时刻采样的设定值连成的曲线是经过在线“柔化”后的一条所期望的平缓曲线，通常称为参考轨迹。

原控制方案中的防喘振线既是由11点坐标构成的一条参考轨迹。在TPS   系统中的Regulatory PV运算类模块中就有专门的折线函数运算General Linearization（GENLIN）。其功能图如图6所示。

其中：

IN0 = 0.0      IN1 = 30.0         Beginning of 1st segment

IN2 = 55.0     IN3 = 85.0         End of 1st segment

OUT0 = 0.0    OUT1 = 20.0         End of 2nd segment

OUT2 = 45.0   OUT3 = 100.0        End of 3rd segment

Solution A (P1 = IN2):

PVCALC = OUT2 = 45.0

Solution B (P1 > IN1):

说明：

Each time this algorithm is processed the input value P1 is compared with each segment,starting with the first and continuing until a segment is found that intersects with the input.When that segment is found, PVCALC is calculated as follows:

If the P1 value is exactly equal to the input value at the beginning of any segment (P1 =IN i , for i in a range from 0 to the value in SEGTOT),

其中变量:

PVCALC = The output of this algorithm. It is selected as the PV for this

data point when the PV source is AUTOmatic.

P1 = The input value.

IN(i) = Input value at the beginning of the intersecting segment.

IN (i+1) = Input value at the end of the intersecting segment.

OUT (i) = Output value at the beginning of the intersecting segment.

OUT (i+1) = Output value at the end of the intersecting segment.

segtot = A subscript indicating the user-entered value in SEGTOT.

1、喉部差压的折线函数

不同的静叶角度对应的喘振点是不同的，而静叶角度和喉部差压有关。因此，根据补偿后的喉部差压作为坐标的横坐标，计算出对应的出口压力作为纵坐标，纵坐标即为PID控制的设定值SP。为安全起见，通常将坐标点向下偏移7％的裕度来确定一点，将若干点相连，就形成了防喘振线。在新控制方案中，防喘振线仍采用原11点10段的折线算法，确定了近似于理论防喘振线。选用GENLIN折线函数，输入坐标值即可。具体坐标值见表2。

2、防喘振线的下移

当偏差e大于7%（即42）并且逆流报警存在，则防喘振线下移1%（即7）。为了保证风机的功效，最多下移5次，还设置了手动复位功能，即NN（3）=0。当防喘振线下移时，此时的设定值SP为折线算出的SP＇减去移动次数N乘以下移量1%（即7）。即：

SP＝ SP＇－7*N

详细程序如下：

SEQUENCE  XY（HPM；POINT XY1840）

EXTERNAL PI1841，PDZ1840

PHASE  AA

STEP BB

SET NN（2）＝PDZ1840.PV

Q：  SET NN（1）＝PI1841.PV-NN（2）

IF NN（1）＞＝42 AND NN（3）＜5 THEN（SET NN（2）＝NN（2）－7；

&    SET NN（3）＝NN（3）＋1；GOTO Q）

IF NN（3）＞＝5  THEN  SET NN（3）＝5

IF NN（1）＞＝42 AND NN（3）＜＝5 THEN（SET NN（2）＝PDZ1840.PV－NN（3）*7

GOTO STEP BB

END XY

3、比例增益K自整定运算

自整定控制是调节器的参数需要根据被控对象的特性调整。原控制方案中采用折线运算，得出一条反应曲线的方法，再作以计算，得出比例增益K，送给PID调节器。根据这个要求，在TPS系统中可仍选用GENLIN折线运算块即可实现。其中公式Regulatory PV中的Calculator模块即可。具体坐标值见表2。

当偏差e大于0时（即喘振条件具备）发生喘振，K值自动置为初始值90，然后K通过和折线运算后的K＇计算得出。

计算公式：  K＝（90×25.0）÷（K＇＋25.0）

笔者研究发现可采用两种方式：一是采用ＣＬ语言可实现；二是运用Ｌogic块实现。但经分析后决定采用Ｌogic块方案，因为逻辑块在系统中运行比ＣＬ语言占用空间和ＰＵ都少，安全可靠，负载小。逻辑功能框图如图7所示。

４、放空阀的快开慢关

放空阀的快开慢关的特性对压缩机而言尤为重要，是工艺及设备的特性所决定的。原方案在Ｔricon系统中实现很容易，它根据PID的输出趋势作成正常打开，缓慢关闭，而关闭是以0.1%递加而得的。即当PID的输出是开（减小）的趋势时阀正常打开；反之，即当PID的输出是关（增大）的趋势时阀的输出是以0.1%递加关闭。

但在TPS系统中，由于受各功能点的参数属性的限制，实现PID的输出快开慢关相当困难，原因是：

（1）、在同一UCN网中PID的输出连接只有以下几种情况：

A、     AO点（半点）的 .OP参数（单回路）

B、     RC点的 . X1（X2、X3、X4）参数（连手操器或选择开关）

C、     RC点的 .SP参数（串级回路）

D、     DO点的 .SO参数（脉宽调制）

E、     RC点的 .Ratio参数（比值控制）

F、     无输出

（2）、在TPS系统中PID的输出不能与下列点参数连接：

A、     Logic.NN（i）

B、     PM.NN（i）

C、     RV点参数

D、  Array.NN（i） 

 

第（1）种情况满足不了输出快开慢关的要求，因为这几个连接点参数都达不到要求，即不能将PID输出作成动态的加减变速运动。而第（2）种情况可以满足控制要求，但却无法连接。于是问题的关键便浮出水面，即如何找到一个能将PID的输出与AO点的.OP参数相连，实现快开慢关的功能。笔者经过反复实验，最终得出结论：只有通过CL语言才能实现这种参数的连接，但只是两个PID模块之间的参数连接，否则将无法实现。这就要求：

A：主PID的输出连接置空（无连接）

B：副PID的输入用Pull关系连入主PID的输出，但不参与控制，只用于显示。副PID的输出完全由CL语言控制，其始终处于P-MAN    控制方式。

C：副PID的输出连接AO点的.OP参数。

D：CL语言要根据主PID的输出变化趋势来控制副PID的输出，实现快开慢关功能。

以上四点若能实现，则此方案完全可行。但在实际测试中发现D项中的如何判断主PID的输出变化趋势是关键、更是难点，其于三项很容易实现。为此，笔者通过AI点的上一个周期采样值LastPV可推断PID的输出很可能也有此参数。在查找了所有资料后笔者发现只有三个参数可以试运。

OPCMD=0  IDLE（Output is not being affected by Output Command）

OPCMD=1  Lower（Output is being lowered）

OPCMD=2  Raise（Output is being raised）

但在实际中发现三个参数均不行，还是达不到控制要求。

     在经过反复实验后，最终不得不采用了下述方法，即在CL语言中每隔1秒钟对主PID（ASC1840）的输出作一次采样。根据二次采样的差值来判断主PID的输出是增大还是减小，来控制副PID（SENT1840）的输出，进而得到完美解决。在整个控制过程中，副PID只是起到信号传递作用。完整的程序如下：

SEQUENCE  PID（HPM；POINT PM1840）

EXTERNAL  ASC1840，SENT1840

PHASE  AA

     STEP  BB

SET  SENT1840.MODATTR=PROGRAM

SET  SENT1840.MODE=MAN

SET  SENT1840.OP=ASC1840.OP

SET  NN（1）=ASC1840.OP

WAIT  1  SECS

SET  NN（2）=ASC1840.OP

Q： IF  NN（2）＞NN（1） THEN  SET  SENT1840.OP=SENT1840.OP+1

    IF  SENT1840.OP＜ASC1840.OP  THEN （SET  SENT1840.OP=SENT1840.OP+1；GOTO Q）

IF  NN（2）＜NN（1） THEN  SET  SENT1840.OP=SENT1840.OP-5

IF  SENT1840.OP＞ ASC1840.OP  THEN（SET  SENT1840.OP=SENT1840.OP-5；GOTO Q）

IF  SENT1840.OP=ASC1840.OP  THEN （SET  SENT1840.OP=SENT1840.OP； GOTO Q）

GOTO   STEP  BB

END  PID

程序中可以看出，关闭时是以1%的递加式，打开时是以5%的递减式。

为安全起见，辅PID后连接了两个手操器，手操器再和AO点相连。分程控制在AO点中实现，信号分割点是44.9%。。

5、联锁停机时的喘振处理

当联锁停机时，二放空阀自动全开，程序如下：

SEQUENCE ESD（HPM；POINT PMESD）

EXTERNAL  ESD，ASC1840

PHASE AA

STEP BB

IF  ESD.PVFL=OFF  THEN （SET  ASC1840.MODATTR=OPERATOR；GOTO Q）

SET ASC1840.MODATTR=PROGRAM

SET ASC1840.MODE=MAN

SET ASC1840.OP=0

Q：GOTO STEP BB

END ESD

防喘振曲线图动态监控

     在Display Builder绘图软件中，提供了基于Microsoft VB功能强大的Script语言，用于完成GUS流程图对过程变化的实时显示及过程操作。常规的动态显示很容易变化，但对某个对象而言，根据事件的动态变化而变化，则很难实现。

     防喘振曲线中最关键、最难的技术是工作点和设定点的实时动态变化。这种变化是上下左右全方位的变化，而不是单方向的变化。

一、防喘振曲线绘制

      笔者曾采用“抽点隐现法”实现，但效果不是很好，且很麻烦。在通篇翻阅了TPS的系统资料和做了大量实验后，最终采用了函数TRANSX和TRANSY得以实现。分别为横坐标和纵坐标，坐标值为像素值。防喘振曲线图如图8和图9所示。同时自制了控制面板，以便于操作。

其中：

l  蓝色●代表工作点

l  绿色＋代表设定点

l  红线代表喘振线

l  黄线代表防喘振线

l  红线左侧代表喘振区

l  黄线右侧代表防喘振区

l  红黄两线之间为安全裕度

l  Reset为防喘振偏差复位键

l  MODE为调节器控制方式选择：MAN   AUTO   CAS

点击信号可进入该点的细目（Native Window）画面。

设定点的Script语言：

Sub OnDataChange()

    ME.TRANSX=LCN.PDC1840.PV*320/25

    ME.TRANSY=-LCN.ASC1840.SP*320/300

End Sub

工作点的Script语言：

Sub OnDataChange()

    ME.TRANSX=LCN.PDC1840.PV*320/25

    ME.TRANSY=-LCN.PI1841.PV*320/300

End Sub

防喘振线下移次数：

LCN.XY1840.NN(3)

下移复位：

Sub OnLButtonClick()

    LCN.XY1840.NN(3)=0

End Sub

喘振偏差：

LCN.PI1841.pv-LCN.XY1840.NN(2)

二、仿真实验

     在线模拟现场实际情况，笔者本着科学负责的态度对所做的方案进行了严细认真的测试，对第一部分介绍的防喘振的十大功能逐个核实，结果全部实现，非常成功。

     图8和图9对比可发现，曲线图直观的反映出喘振前后各个参数的变化情况。尤其是设定点和工作点的变化特点。在正常状况下，设定点应始终延防喘振线波动，工作点应始终在设定点的下方。但在喘振时，图9的防喘振线已经下移了5次（防喘振偏差已超过42），设定点“＋”已远离防喘振线一段距离，工作点“●”到达了喘振区。防喘振的输出最小（放空阀全开）。

     操作注意事项：

（1）ASCC1840正常时处于CAS方式，因为SP值远程控制。

（2）HIC1840AB正常时处于CAS方式，处于MAN时可以手动开阀。

（3）联锁停机后，ASC1840的控制方式自动置为P-MAN程序控制。停机信号解除后，由程序控制自动转化操作员控制（置成MAN），再次启机时需操作员将ASC1840投为CAS方式。

 

结束语

     由于TPS系统可靠性高，易操作性强，组态灵活，功能强大而丰富，因此便于组态各种复杂控制。本论文所阐述的压缩机防喘振功能在DCS上的实现，是化工自动化领域程序移植的突破性尝试，在科技功关方面迈出了重要一步！

参考文献

1、何衍庆等《集散控制系统原理及应用》第二版  化学工业出版社  2002年10月。

2、陆德民主编《石油化工自动控制设计手册》第三版 化学工业出版社  2000年1月

作者简介：

刘建宇：1975年8月出生，男，黑龙江省大庆市人。1996年毕业大庆石油学校计算机专业，工程师，现任大庆炼化公司机电维护车间技术组组长，一直从事化工仪表自动化维护和技术管理工作。

 

附表：系统故障一览表