Автоматизация компрессора

Функционально электронный преобразователь (рисунок 3.11) состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), блока памяти АЦП, микроконтроллера с блоком памяти, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), стабилизатора напряжения, фильтра радиопомех и блока регулировки и установки параметров для преобразователя. Кроме того в электронные преобразователи RS-485 входит ЖК индикатор.

Конструктивно АЦП, блок памяти АЦП размещаются на плате АЦП, которая объединяется с измерительным блоком в сборочную единицу - сенсор давления. Остальные элементы функциональной схемы размещаются в корпусе электронного преобразователя. Плата АЦП принимает аналоговые сигналы преобразователя давления, р и температуры Ut, и преобразовывает их в цифровые коды.

Энергонезависимая память предназначена для хранения коэффициентов коррекции характеристик сенсорного блока и других данных.

Блок регулирования и установки параметров предназначен для изменения параметров датчика. Элементами настройки являются кнопочные переключатели, расположенные под крышкой.

Для контроля, настройки параметров, выбора режимов работы и калибровки датчиков с кодом МП, МП1 используется индикаторное устройство.

Индикаторное устройство может быть установлено в корпусе электронного преобразователя и подключено к плате микропроцессорного электронного преобразователя.

Индикаторное устройство может быть выполнено в виде отдельного устройства выносной индикатор (ВИ) и подключаться с помощью разъема.

3.7 Электропневматический позиционер ЭПП 300

Электропневматический позиционер ЭПП 300 (рисунок 3.12) является регулятором в следящей системе, который обеспечивает заданную координацию положения пневматического исполнительного механизма поступательного или поворотного действия (регулируемой величины) и командного сигнала (задающей величины). В зависимости от выбранного режима работы, задающей величиной может быть аналоговый сигнал постоянного тока Iу = 4…20 мА, команда, переданная по каналу цифрового обмена HART или задание, введенное оператором вручную.

Структурно ЭПП 300 состоит из трех блоков: блока электроники, электропневматического блока и блока обратной связи.

Блок электроники является информационной системой на базе микропроцессора и предназначен для обработки команд HART-протокола, сигналов управления и обратной связи, питания всех подсистем ЭПП, индикации и кнопочного управления его состоянием в момент настройки и работы. Электропневматический блок представляет собой дискретный двухкаскадный двухканальный усилитель-преобразователь с электропъезоклапаном в первом каскаде и одномембранным пневмоусилителем - во втором. Объединенный выход вторых каскадов обеспечивает питание исполнительного механизма в режиме нагнетания и сброса. Блок обратной связи предназначен для выдачи электрического сигнала, пропорционального текущему положению исполнительного механизма. Этот блок выполнен на основе поворотного потенциометра и одноступенчатого шестеренного редуктора.

ЭПП 300 имеет встроенный HART-модем, монтажно размещенный на единой плате с электроникой управления позиционера. HART-модем позволяет по токовой петле обеспечивать обмен информацией с операторской, при этом имеется возможность управления как по аналоговой, так и по HART-линии.

Наличие такого модема существенно облегчает интеграцию ЭПП 300 в современной АСУТП. Перед переходом в рабочий режим ЭПП 300 производит автоматическую настройку параметров закона управления и определение границы крайних положений ИМ. В дальнейшем, параметры закона управления могут корректироваться вручную.

ЭПП 300 может работать в ручном или автоматическом режиме. В автоматическом режиме источником управления могут быть: ручной ввод, токовая петля или команда HART - протокола. ЭПП 300 позволяет задавать любые значения токового управляющего сигнала для минимального и максимального положения ИМ в пределах 4…20 мА, в том числе использовать инверсную характеристику управления. Эти функциональные возможности ЭПП 300 используются, если необходимо управлять двумя и более регулирующими клапанами одним управляющим сигналом. Например, первый регулирующий клапан работает в диапазоне 4…12 мА, а второй - в диапазоне 12…20 мА. При этом повышается точность и КПД в зоне работы каждого регулирующего клапана. ЭПП позволяет также производить регулирование в произвольном диапазоне хода регулирующего клапана, например, в диапазоне 20%…30% и т.д.

Дополнительно ЭПП позволяет:

? задавать 6 видов нелинейной характеристики Kv=f(h), где h-ход регулирующего клапана;

? выводить диагностическую информацию о работе регулирующего клапана: количество срабатываний пьезоклапанов, суммарный ход штока, и т.д.

? реализовать функцию «дожатия» при закрытии (открытии) регулирующего клапана;

? измерять утечки из пневмопривода и соединительных трубопроводов;

? производить калибровку АЦП.

Технические параметры ЭПП300 представлены в таблице 3.13

Таблица 3.13 ? Технические параметры ЭПП300

Наименование параметра	Значение физической величины
Рабочий ход для поступательного движения ИМ, мм для поворотного движения ИМ, град	5…130 90
Маркировка взрывобезопасности	0ExiaIICT6 Х>
Уровень пылевлагозащиты	IP65
Температура окружающей среды,°С	-50…+70
Относительная влажность воздуха при t=35°С, %	95
Управляющий сигнал Iу, мА	4…20
Минимальный ток питания Iу min, мА	3,8
Необходимое напряжение нагрузки, В (при 20мА)	?8
Входное сопротивление при 20 мА	400 Ом
Давления воздуха питания, кгс/см2	1,4…6,0
Утечка в нейтрали, см3/мин, не более	1
Кабельный ввод Ш, мм	?13
Пневмосоединения	M16x1,5; M18x1,5
Габаритные размеры корпуса, мм	162x108x112
Масса, кг	1,1

3.8 Система антипомпажного регулирования

Система антипомпажного регулирования (рисунок 3.4) управляет стабильностью с использованием четырех ПИД регулируемых управляющих контуров. Когда агрегат работает выше точки мин. нагрузки и ниже точки макс. нагрузки, давление регулируется управляющим контуром впускного клапана. При работе агрегата при мин. нагрузке давление регулируется управляющим контуром перепускного клапана и ток двигателя регулируется управляющим контуром ограничения дросселирования. Когда агрегат работает при макс. нагрузке, компрессор регулируется управляющим контуром ограничения максимальной нагрузки. Для каждого ПИД-контура, пропорциональные и интегральные параметры используются для стабилизации системы Пропорциональные и интегральные параметры обозначены названиями соответствующих контуров: впускной клапан, перепускной клапан, ограничение дросселирования и ограничение максимальной нагрузки.

Минимальная нагрузка, Нагрузка, Полная нагрузка и Максимальная нагрузка. Эти состояния чередуются по мере изменения потребности в сжатом воздухе. «Минимальная нагрузка» (MinLoad) означает, что перепускной клапан контролирует давление, а впускной клапан поддерживает значение уставки минимальной нагрузки. «Нагрузка» (Loaded) означает, что впускной клапан контролирует давление, а перепускной клапан при этом закрыт. «Полная нагрузка» (Full Load) происходит, когда впускной клапан достиг полностью открытого или 100% положения. «Максимальная нагрузка» (MaxLoad).

означает, что впускной клапан поддерживает значение уставки максимальной нагрузки для предотвращения повреждения электродвигателя. В обоих состояниях (Полная и Максимальная нагрузка) давление в системе будет ниже давления уставки.

Контроллер определяет помпаж по резкому изменению давления на выходе из последней ступени компрессора одновременно с резким изменением силы тока в обмотках электродвигателя, определяемым посредством трансформатора тока.



4. Антипомпажный расчет для регулирования компрессора

Любой осевой или центробежный компрессор характеризуется минимальным массовым расходом, ниже которого происходит помпаж. В зависимости от условий применения минимальный массовый расход можно поддерживать, либо направляя часть потока со стороны нагнетания на вход компрессора, либо выбрасывая часть газа на стороне нагнетания в атмосферу. Увеличение массового расхода рециркулирующего или выбрасываемого в атмосферу газа отражается на других параметрах процесса (например, снижается давление нагнетания), поэтому для ограничения колебаний указанных переменных нужно использовать антипомпажное регулирование.

Итак, компрессору, работающему в условиях динамического управления, необходимо антипомпажное регулирование для изменения в нужных пределах объема рециркулирующего или выбрасываемого в атмосферу газа. Основные функции такого регулирования:

? защита компрессора от повреждений, обусловленных помпажем и технологическими нарушениями, без ущерба для энергетического кпд или мощности системы;

? удержание некоторых важных для процесса переменных в безопасном или приемлемом диапазоне.

Кроме того, антипомпажное регулирование используется для минимизации негативных взаимодействий между собственными управляющими воздействиями и воздействиями других контуров управления компрессора. Если компрессор является компонентом сети параллельных агрегатов, антипомпажный регулятор способствует также эффективному распределению общей нагрузки в такой сети.

Принцип предотвращения помпажа. Компрессор, работающий в условиях динамического регулирования, представляет собой устройство для увеличения энергосодержания проходящего через него газа. Его работу можно представить кривой зависимости между наращиванием удельного энергосодержания газа (обычно выражаемого через напор) и объемным расходом.

Подобные компрессорные карты можно представить в разных системах координат:

? напор можно представить в виде единичной переменной (например, как давление нагнетания), простой функции (например, как степень сжатия) или сложной функции многих переменных (например, как политропный напор);

? расход можно представить в виде результата какого-либо простого измерения (например, падения давления на диафрагме в линии всасывания или нагнетания) или сложной функции (например, объемного расхода в линии всасывания с компенсацией по давлению и температуре).

Почти во всех системах координат зависимость между переменными напора и расхода определяется одной или несколькими дополнительными переменными. Например, скоростью вращения или углом наклона направляющих лопаток, следовательно, компрессорная карта обычно представляет собой совокупность характеристических кривых, каждая из которых отображает работу компрессора при конкретной скорости вращения и угле наклона лопаток. Такие кривые всегда показывают, что увеличение удельного энергосодержания газа, а, следовательно, давления нагнетания, растет с уменьшением объемного расхода.

Кроме того, любая конкретная совокупность особенностей процесса по технологическому потоку может быть представлена кривой сопротивления. Подобные кривые показывают, что увеличением давления обусловливается рост объемного расхода. На рисунке 4.1 представлена кривая сопротивления сети и линия границы помпажа.

Политропический напор определяется выражением:

,

где Нр ? политропический напор нагнетателя, Дж/кг;

Qs ? объёмный расход на всасывании, м3/ с;

Х - угол наклона ведущий в рабочую точку;

Y - угол наклона линии границы помпажа.

В любой конкретный момент работу компрессора можно отобразить какой-либо одной характеристической кривой, а нагрузку компрессора какой-либо одной кривой сопротивления сети. Работа в установившемся режиме имеет место, когда фактические давление нагнетания и расход (т.е. рабочая точка) удовлетворяют обеим кривым.

С ростом сопротивления рабочая точка смещается вверх и влево (поскольку для поддержания неизменного расхода требуется более высокое давление).

В результате этого наступает момент, когда компрессор уже не способен увеличивать энергосодержание газа настолько, чтобы преодолевать возросшее сопротивление сети, и достигается точка минимально устойчивого расхода и максимального напора. Все подобные точки определяют кривую, называемую линией границы помпажа (SLL).

Попытка работать слева от линии границы помпажа обусловливает возникновение помпажа. Объемный расход и давление нагнетания начинают резко пульсировать, если сопротивление сети не снизить до уровня, достаточного для восстановления устойчивой рабочей точки, тогда защитные устройства останавливают компрессор или происходит поломка компрессора. Функция антипомпажного регулятора состоит в том, чтобы удерживать рабочую точку справа от линии границы помпажа, это достигается открытием антипомпажного клапана для возврата части газа со стороны нагнетания на сторону всасывания или выброса части газа в атмосферу с целью поддержания необходимого минимального объемного расхода.

Однако чтобы добиться требуемого увеличения объемного расхода до того, как в компрессоре начнется помпаж, управляющее воздействие необходимо осуществить, прежде чем рабочая точка достигнет границы помпажа. Для любой характеристической кривой точка, в которой регулятор должен инициировать открытие клапана, называется точкой контроля помпажа. Геометрическое место таких точек определяется как линия контроля помпажа, расстояние между этой линией и линией границы помпажа называют пределом безопасности, а зону слева от линии контроля помпажа - зоной контроля помпажа. Степень открытия клапана необходимо увеличивать всякий раз, когда рабочая точка оказывается в зоне контроля помпажа.

Далее рассмотрено вычисление переменных технологического процесса, производимое алгоритмом регулирования.

Отношение давлений. Отношение давлений в компрессоре является отношением давления на нагнетании к давлению на всасе:

, (4.1)

где Pd - давление на нагнетании;

Ps - давление газа на входе в нагнетатель.

Отношение температур. Отношение температур является отношением температуры на нагнетании к температуре на входе в нагнеитатель:

, (4.2)

где Тd - температура на нагнетании;

Тs - температура газа на входе в компрессор.

Приведенный политропный напор. Процесс политропного сжатия газа (термодинамический процесс, характеризующийся постоянной теплоемкостью газа), рассчитывается по формуле:

, (4.3)

где hr - приведенный политропный напор;

у - функция показателя политропы.

Для расчета функции показателя политропы используется следующее уравнение:

=, (4.4)

Измерение температуры значительно запаздывает во время пуска. Поэтому, когда компрессор запускается, регулятор придает функции показателя политропы заданное значение, принятое по умолчанию.

Политропный КПД. Политропный КПД (зp) вычисляется контроллером по формуле:

, (4.5)

где Cз - коэффициент политропного КПД.

Политропная мощность. Политропная мощность (Pp) вычисляется в контроллере по формуле:



, (4.6)

где Cp - коэффициент политропной мощности;

W - массовый расход.

Массовый расход. Массовый расход рассчитывается по данным измерения температуры и давления. Предполагая, что изменения состава газа и сжимаемости незначительны, получим формулу для расчета массового расхода (W) через диафрагму:

, (4.7)

где CW - коэффициент расхода;

- перепад давления;

Pfe - абсолютное давление в месте установки сужающего;

Tfe - абсолютная температура в месте установки сужающего устройства.

Расход потребителя. Расход потребителя (Quser) вычисляется вычитанием расхода рециркуляции (Qrec) из массового расхода через компрессор (W), Quser = W - Qrec.

, (4.8)

где CQ rec - коэффициент расхода на линии рециркуляции;

fQ rec(Out) - корректирующая функция расхода рециркуляции;

fQ rec(Rc) - корректирующая функция отношения давлений [2].

Для предотвращения помпажа при минимальной рециркуляции рабочей среды антипомпажный регулятор рассчитывает переменную, характеризующую положение рабочей точки, которая всегда имеет одно и то же значение, когда рабочая точка оказывается на линии границы помпажа. В контроллере принят следующий подход. Рассчитывается угол наклона прямой, соединяющей начало координат и рабочую точку, и прямой, соединяющей начало координат и соответствующую точку на границе помпажа (рисунок 4.2, где показана характеристика компрессора).

Отношение угла наклона прямой, проходящей через рабочую точку к углу наклона прямой, проходящей через точку границы помпажа, определяет положение рабочей точки относительно точки границы помпажа:

, (4.9)

Это отношение, умноженное на масштабный коэффициент (K) используется используется в контроллере для получения переменной Ss

«Близость рабочей точки к границе помпажа»:

, (4.10)

где К - коэффициент наклона точек линии границы помпажа.

Коэффициент К выбирается из условия, что значение Ss равняется единице, если рабочая точка компрессора находится на линии границы помпажа; оно меньше единицы, если рабочая точка находится в зоне стабильной работы компрессора, расположенной справа от линии границы помпажа, и оно больше единицы, если компрессор находится в помпаже, а его рабочая точка находится в зоне, расположенной слева от линии границы помпажа.

Если для точного отображения режима работы компрессора необходима многомерная поверхность (например, в случаях, когда приведенная частота вращения и угол поворота направляющего аппарата могут изменяться), то близость рабочей точки к границе помпажа будет функцией этих переменных в дополнение к напору и расходу. В таких случаях, если значение третьей координаты известно, то положение рабочей точки относительно точки границы помпажа может быть определено как функция основных координат (x и y) и третьей координаты (z). Поэтому, чтобы использовать метод расчета близости рабочей точки к границе помпажа для случаев, где требуется применение многомерных координатных систем, контроллер позволяет пользователю определить параметры: f(y) = f 1 (Rc) и X = dPoc функции Ss и до двух функций коррекции линии границы помпажа (f2 и f3), тогда Ss:

, (4.11)

где f1 (Rc) - функция отношения давлений в компрессоре;

f2 (n) - функция частоты вращения компрессора;

ДРo - вычисленный расход.

, (4.12)

где б - коэффициент расхода;

F - площадь поперечного сечения всасывающего патрубка.

Уравнение (4.12) лежит в основе используемого в системе вычислительного алгоритма, для работы которого определяются входящие в уравнение (4.12) параметры режима: Рs, Рd, ДРo, n.

Контроллер определяет близость компрессора к границе помпажа (Ss), как расстояние между рабочей точкой и линией границы помпажа (SLL). Как показано на рисунке 4.3 регулятор также определяет ряд линий регулирования, которые используются для расчета управляющих воздействий. Эти линии определяются относительно линии SLL. При пересечении рабочей точкой линий регулирования производятся различные воздействия: - когда рабочая точка находится слева от линии SCL, воздействие антипомпажного ПИ-регулирования, увеличивает расход рециркуляции или уменьшает его, если рабочая точка находится справа от линии SCL;

- дифференцирующее воздействие перемещает линию SCL вправо, если рабочая точка более быстро перемещается по направлению к линии SLL;

- воздействие «Recycle Trip» ступенчато открывает антипомпажный клапан, если рабочая точка находится слева от линии «Recycle Trip» (RTL).

- воздействие «Safety On» перемещает линии SCL и RTL вправо, если рабочая точка находится слева от линии Safety On (SOL);

- воздействие плотного закрытия клапана полностью закрывает антипомпажный клапан, если рабочая точка перемещается вправо от линии плотного закрытия клапана (TSL) и выход регулятора находится на ограничителе нижнего уровня.

Алгоритм ПИ регулирования. Расстояние между линией SLL и SCL определяется запасом по расходу (b), который является суммой первоначального запаса по расходу b1, воздействие Safety On (CRSO) и дифференцирующее воздействие CRD:



b = b1 + CRSO + CRD, (4.13)

Положение рабочей точки относительно линии SCL определяется с помощью значения переменной «Близость рабочей точки к границе помпажа» и запаса по расходу:

S = Ss + b · f4 (ДPo)=1, (4.14)

Величина ошибки регулирования «е» определяется:

е = 1-S, (4.15)

Газодинамические характеристики компрессора «Центак» позволяют использовать зависимость f4 (ДPo) = 1, поэтому линия настройки вычисляется исходя из выражения:

S = Ss+b. (4.16)

Алгоритм ступенчатого открытия АПК. Линия «Recycle Trip Line» (RTL), определяет оперативный предел, при превышении которого воздействие «Recycle Trip» будет ступенчато открывать клапан. Расстояние между линиями RTL и SLL определяется вычитанием заданного расстояния «Recycle Trip» (RT) из первоначального запаса по расходу (b1) и воздействия «Safety On» (CRSO):

(b1 + CRSO - RT) · f4 (ДPo), (4.17)

Алгоритм самонастройки системы. Safety On (SO) - это алгоритм параметрической самонастройки системы. Он обеспечивает защиту компрессора при ошибках и непредвиденных действиях оператора или обслуживающего персонала, а также при существенных изменениях характеристик компрессора в процессе эксплуатации, либо когда компрессор оказывается под действием более сильных возмущений, чем это предполагалось при первоначальном выборе настроек.

Условие вступления алгоритма SO в работу:

SS - SO • f4 (ДPo) = SS - SO = 1, (4.18)

где SO - уставка алгоритма, при достижении которой режим нагнетателя идентифицируется как помпаж.

Линия плотного закрытия клапана (TSL). Расстояние между линиями TSL и SCL определяется с помощью корректирующей функции линии регулирования f4 (ДPo) и расстояния Tight Shutoff (TSO)

S + d1 • f4 (ДPo) = S + d1 ? 1, (4.19)

где d1 - уставка срабатывания алгоритма.

Расчёт настроек антипомпажного регулятора произведён следующим образом.

В контроллере осуществляется первичная обработка информации, а именно, аналого-цифровое преобразование, проверка исправности датчиков и каналов связи, оценка достоверности параметров, фильтрация помех и нормирование сигналов.

Антипомпажный регулятор на основе измеренных параметров формирует косвенную переменную (критерий S). Выражение для расчета критерия S имеет следующий вид (совместный вид формул (4.12) и (4.14)):



Задача состоит в расчёте функций f1 (Rc), f (n) и получении значений этих функций в виде, приемлемом для их ввода вместе со значениями аргументов в регулятор. Расчет ведется для точек, лежащих на линии границы помпажа, то есть b=0 и S=1. Поскольку коэффициент К фактически представляет собой котангенс угла наклона луча, проходящего из начала координат через рабочую точку, удобно принять К=0,5. Являясь параметром вводимым при настройке контроллера, коэффициент К может задаваться в диапазоне от 0 до 1. Выбор расчетного значения К=0,5 оставляет достаточный запас в обе стороны для подстройки его во время пуска на объекте. В таком случае формула 4.20 принимает вид:

Теперь уравнение 4.21 может быть решено относительно функции f1 (Rc):

Аргумент n функции f(n) вычисляются по выражению:

где nmin - минимальный предел изменения скорости вращения, рад/с;

nmax - максимальный предел изменения скорости вращения, рад/с.

Рассчитываемые функции f1 (Rc) и f (n) задаются контроллеру в виде координат десяти точек. Значения функции для промежуточных значений аргумента вычисляются контроллером посредством линейной интерполяции.

Два крайних значения аргумента Rс функции f1 (Rc), зафиксированы в контроллере в виде величин 0 и 9,99. Остальные точки выбираются произвольно в этом диапазоне изменения аргумента. Целесообразно, располагая в возрастающей последовательности, задать второму значению 1,00, а последующие семь значений, выбрать так, чтобы они наилучшим образом отражали рабочую часть характеристики компрессора. Аналогично для функции f (n) два крайних значения аргумента n зафиксированы в контроллере значениями 0 и 1,00.

Ниже приведён антипомпажный расчет для регулирования компрессора «Центак». По газодинамическим характеристикам компрессоров определяются исходные данные для расчета:

PS - номинальное давление во всасывании компрессора, МПа;

ТНОМ - температуру газа во всасывании компрессора, K;

QS - номинальный расход в условиях всасывания, м3/мин;

nн - номинальная частота вращения вала компрессора, об/мин;

R - газовая постоянная, Дж/(моль·К);

РS = 0,01 МПа;

QS = 65 м³/мин;

Tн пр = 35°C = 308 K;

nн = 515 рад/с;

Zпр = 0,89;

Z = 0,9;

Rпр = 51,8 Дж/(моль·K);

P0 = 0,5 (в относительных единицах от РS);

R = 52 Дж/(моль·K).

Таким образом на газодинамической характеристике наносим точку, соответствующую номинальному режиму, используя формулу приведения:



. (4.24)

В дополнении к указанным выше обозначениям, «Пр» означает приведенный, а индекс «Н» - номинальный. Значения параметров приведения указываются на характеристиках каждого компрессора. Находим на характеристике компрессора точку, соответствующую приведенному номинальному расходу и номинальной приведенной скорости вращения (рисунок 4.4). Поскольку в данном случае подкоренное выражение практически равно 1, имеем для номинального режима:

Qпр присвоим значение QS, то есть 65 м³/мин.

Это соответствует точке А на прилагаемой характеристике нагнетателя. На графике характеристики компрессора выбираем семь значений приведенных относительных скоростей вращения и вычисляем соответствующую частоту вращения для каждой точки. Точки получаются путём пересечения линии помпажа характеристик компрессора. Для первой точки имеем:

n = 0,85 · nн,

n = 0,85 · 515 = 438 рад/с.

Аналогично частоты вращения в остальных точках (таблица 4.2).

По графику (см. рисунок 4.4) определяются значения приведённого расхода.

Qпр, и степени сжатия Rс в помпажных точках и заносятся в таблицу 4.3.

Таблица 4.2 - Результаты расчета частот вращения в точках помпажа

Значения	Точки помпажа
	1	2	3	4	5	6	7
Приведенная относительная скорость вращения	0,85	0,90	0,95	1,00	1,05	1,10	1,14
Частота вращения, рад/с	438	456	481	515	532	557	577

Таблица 4.3 - Значения расхода и степени сжатия в помпажных точках

Значения	Точки помпажа
	1	2	3	4	5	6	7
Приведенный расход, м3/мин	290	290	292	295	300	310	318
Степень сжатия	1,33	1,37	1,42	1,47	1,53	1,59	1,63

Используя кривую для политропного напора и формулу 4.12, вычисляем значения показателя политропы у в помпажных точках (таблица 4.4). Для первой точки имеем:

Таблица 4.4 - Результаты расчета политропного показателя

Значения	Точки помпажа
	1	2	3	4	5	6	7
Политропный КПД, %	0,76	0,76	0,76	0,77	0,77	0,79	0,80
Показатель политропы	0,30	0,30	0,30	0,30	0,30	0,29	0,29

По формуле 4.1 вычисляем значения функции f1 (Rc) (таблица 4.5), для первой помпажной точки имеем:



Таблица 4.5 - Расчетные значения функции f1 (Rc)

Значения	Точки помпажа
	1	2	3	4	5	6	7
Политропная степень сжатия	1,09	1,10	1,11	1,12	1,14	1,15	1,15
Значения f1 (Rc)	0,30	0,33	0,37	0,41	0,45	0,50	0,52

Расчет функции f (n) производится следующим образом. При отсутствии калибровочных характеристик или точного значения коэффициента расхода для конкретного сужающего устройства перепад P0, соответствующий номинальному расходу Qпр, может быть принят равным половине максимального перепада, то есть P0 = 0,5. Используя значения номинальных скоростей вращения и рассчитанные ранее значения расходов в помпажных точках, рассчитываем значения перепадов в этих точках по формуле:

Результаты расчета значений перепадов давления приведены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 - Значения перепадов давления

Точки помпажа	1	2	3	4	5	6	7
Перепад давления, МПа	0,20	0,23	0,26	0,29	0,33	0,39	0,44

Используя формулу (4.22), производим расчёт функции f (n) для первой точки:



Диапазон измерения частоты вращения примем от nmin = 0 об/мин до

nmax = 620 об/мин. Тогда ряд значений n' = n/nmax и соответствующая функция f (n), будут равны:

Аналогично вычисляются значения функции f (n) в остальных точках:

n': 0,69; 0,74; 0,70; 0,82; 0,86; 0,90; 0,93;

f (n): 2,59; 2,65; 2,67; 2,72; 2,82; 2,98; 3,23.

Результаты расчётов для всех компрессоров сведены в таблицах 4.7 и 4.8.

Таблица 4.7 - Значения функции f1 (Rc) для антипомпажных регуляторов

Номер точки	Степень сжатия Rc	Функция f1 (Rc)
1 2 3 4 5 6 7 8 9	1,00 1,33 1,37 1,42 1,47 1,53 1,59 1,63 9,99	0,00 0,30 0,33 0,37 0,41 0,45 0,50 0,52 3,67

Таблица 4.8 - Значения функции f (n) для антипомпажного алгоритма

Номер точки	Скорость, (в % от nmax)	Функция f(n)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0,00 0,30 0,69 0,74 0,78 0,82 0,86 0,90 0,93 1,00	2,59 2,59 2,59 2,65 2,67 2,72 2,82 2,98 3,23 3,44

Таким образом, используя значения функции, аппроксимирующей приведенный политропный напор f1 (Rc), нашли функцию, характеризующую изменение границы помпажа в зависимости от скорости вращения n. Функция f1 (Rc) закладывается в контроллер как базовое значение перед проведением помпажных тестов.

4.2 Выбор SCADA системы

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition, Диспетчерское управление и сбор данных) - представляет собой процесс сбора информации реального времени с удаленных объектов с целью ее обработки и анализа, а также управления удален объектами.

Структурное построение SCADA-систем предполагает наличие трех основных компонентов:

? RTU (Remote Terminal Unit) - удален терминальное устройство (нижний уровень АСУТП: промышленные компьютеры, ПЛК);

? диспетчерский пункт управления (верх уровень);

? коммуникационная система.

Основные задачи, решаемые SCADA-системой:

? обеспечение обмена данными в реальном времени с устройствами сопряжения с объектом - промышленными контроллерами, терминальными устройствами и пр.;

? обработка данных в реальном времени (масштабирование переменных);

? визуализация на мониторах и терминалах хода технологического процесса в удобной для человека форме;

? обеспечение хранения технолог информации в базе данных реального времени;

? ведение контроля измеряемых параметров, реализацию аварийной сигнализации и протокола тревожных событий;

? генерацию отчетов о ходе течения технолог процессов;

? предоставление данных внешним системам уровня управления предприятием.

Выбор SCADA системы будем проводить по характеристикам, указанным в таблице 4.9.

Анализируя данные приведённые в таблице 4.9 можно выделить систему Trace Mode V6, как самую дешевую из рассмотренных. Однако в функции исполнительного модуля не входит архивирование данных, что определяет выбор Master SCADA V3.1.

4.3 Программа управления компрессором

Для разработки программного обеспечения (ПО) современных программируемых логических контроллеров (ПЛК), имеющих встроенную операционную систему, можно использовать как традиционные инструментальные средства (компиляторы языков СИ, Паскаль, и т.д.), так и специализированные языковые средства.

Программирование на языке низкого уровня (Assembler) и языках высокого уровня требует программиста высокой квалификации, дополнительных знаний особенностей операционной системы и аппаратных.



Таблица 4.9 ? Характеристики для анализа SCADA систем возможностей контроллера. Переносимость программ на другую аппартно-программную платформу плохая

Название SCADA системы	Стоимость драйвера для связи с контроллером, рублей	Стоимость технической поддержки, рублей	Наличие бесплатной среды разработки	Функции исполнительного модуля	Цена исполнительного модуля, рублей
InTouch V10	49000	Бесплатно	нет	Мониторинг, управление, архивирование	304000
TraceMode V6	Бесплатно	Бесплатно	есть	Мониторинг, управление	45000
Master SCADA V3.1	38000	6000 в год	есть	Мониторинг, управление, архивирование	55000
iFix V4	34000	60000 в год	есть	Мониторинг, управление, архивирование	242000
GENESIS 32 V9	37000	136000 в год	есть	Мониторинг, управление, архивирование	336000

Программы, написанные на специализированных языках, имеют полную переносимость на другие процессоры (при наличии системы исполнения специализированного языка), более приближены к особенностям систем автоматизации и не требуют дополнительных знаний от разработчика.

К классу CASE-инструментов (Computer Aided Software Engineering) - инструментам компьютерной поддержки разработки программ - относится система ISaGRAF.

Система ISaGRAF состоит из двух частей: системы разработки ISaGRAF Workbench и системы исполнения ISaGRAF Target. Система разработки представляет собой набор Windows-приложений, интегрированных в единую инструментальную среду и работающих под операционной системой (ОС) Windows 7.

Основу системы исполнения составляет набор программных модулей (для каждой целевой системы свой), выполняющих самостоятельные задачи, под управлением ядра ISaGRAF.

Ядро ISaGRAF реализует поддержку стандартных языков программирования, типового набора функций и функциональных блоков и драйверов ввода / вывода. Задача связи обеспечивает поддержку процедуры загрузки пользовательского ISaGRAF-приложения со стороны программируемого контроллера, а также доступ к рабочим переменным этого приложения со стороны отладчика системы разработки ISaGRAF. Взаимодействие систем разработки и исполнения осуществляется по протоколу MODBUS, что дает возможность доступа к данным контроллера не только отладчику ISaGRAF, но и любой системе визуализации и управления данными (SCADA). Драйверы устройств сопряжения с объектом организуют прозрачный доступ к аппаратуре ввода / вывода. Функции пользователя реализуют процедуры и алгоритмы функций. Системные функции предназначены для описания специфики конкретной ОС, реализованной на данном типе контроллеров.

В ISaGRAF заложена методология структурного программирования, позволяющая пользователю представить автоматизированный процесс в наиболее легкой и понятной форме. Стандартом МЭК 61131-3 определяется пять языков: три графических (SFC, FBD, LD) и два текстовых (ST, IL) Помимо этих языков, ISaGRAF предлагает язык блок-схем (Flowchart). Все эти языки программирования интегрированы в единую инструментальную среду и работают с едиными объектами данных.

SFC - графический язык последовательных функциональных схем (Sequential Function Chart). Управляющая программа представляется последовательностью шагов, разделяемых переходами. Язык хорошо приспособлен для программирования задач логического управления.

LD - графический язык релейной логики (Ladder Diagram). Язык LD применяется для описания логических выражений и для решения задач в виде релейно-контактных схем автоматики.

ST - язык структурированного текста (Structured Text). Это язык высокого уровня, по синтаксису похож на Паскаль и применяется для программирования сложных логических и вычислительных процедур, которые трудно описать графическими языками.

FBD - графический язык функциональных блоковых диаграмм (Functional Block Diagramm), с помощью которого программа представляется из различных функциональных блоков (арифметических, тригонометрических, регуляторов, мультиплексоров и т.д.) Язык удобен для программирования задач, например вычислительного характера, решение которых может быть представлено функциональной схемой.

IL - язык инструкций (Instruction List) - язык низкого уровня, похож на Ассемблер и является высокоэффективным для небольших программ или для оптимизации отдельных частей сложных программ при наличии требований высокого быстродействия, экономии памяти [7].

В настоящем дипломном проекте разработана программа управления компрессором.

Вначале, если имеется подпор воздухом ротора компрессора (IpodK 0,4-0,7 МПа), запускается насос предварительной смазки (Ups). Он работает 120 секунд, что позволяет насосу предварительной смазки компрессора обеспечить циркуляцию масла внутри корпуса компрессора. По истечении 120 секунд, при температуре масла (ItMAS) не менее 35 С, давлении масла (IpMAS) не менее 0,154 МПа, наличии сигнала с реле минимального потока охлаждающей воды (Iwater) и если дан сигнал на запуск (PUSK) то выдаётся сигнал на пуск электродвигателя (Ued). После подачи сигнала на запуск включается пусковой таймер T2, который отсчитывает 60 секунд. Целью данного таймера является предотвращение работы компрессора на критических скоростях в течение продолжительного периода. В течение этого периода уставки предупреждающего сигнала вибрации поднимаются (повышается IvibrUS от 4,5 до 7,1 мм/с), чтобы дать компрессору возможность пройти зону критических скоростей. После «пуска» компрессора уставки предупреждающего сигнала возвращаются к исходным значениям. Аналогичная процедура происходит и с защитой от повышенной температуры статора (ItSTAT) (ItSTATus повышается от 100 С до 130 С) электродвигателя (ItSTAT) и масла (ItMASus повышается от 45 С до 50 С).

При получении сигналов с датчиков вибрации о наличии вибрации более 4,5 мм/с выдаётся предупреждающий сигнал UvibrAL.

Электродвигатель останавливается, если нажата кнопка аварийного останова (Ialarm), вибрация валов электродвигателя и ступеней компрессора (Ivibr) более 7,1 мм/с, температура масла (ItMAS) в пределах 35-45 С, отсутствует сигнал с датчика минимального потока охлаждающей воды, нет наличия давления приборного воздуха 0,4-0,7 МПа, при помпаже (Ipvoz/1 сек. 0,2 МПа, IiOBM 1 А/сек.). При этом выдаётся сигнал авария (Ualarm).

При подачи сигнала на разгрузку (Irazgr) компрессор разгружается. При этом двигатель работает, клапан К1 открыт на 100%, клапан К2 открыт на 10%.

Модуляция поддерживает давление на выходе системы на заданном уровне давления в системе (IpTREB), установленном оператором CMC. По достижении полной нагрузки компрессор работает при постоянном давлении до тех пор, пока потребитель не переключится на режим разгрузки или не будет нажата аварийная кнопка.

Управление выполняется путем модуляции впускного клапана К2 (UregZk2) в пределах диапазона регулирования компрессора. Когда потребности системы ниже минимального установленной производительности, давление на выходе (IpPOK) поддерживается модуляцией перепускного клапана К1 (UregZk1) и сбросом некоторого количества или всего воздуха в атмосферу. При каждом открытии перепускного клапана впускной клапан остается в положении соответствующего минимальному диапазону регулирования. Модуляция обеспечивает постоянное давление на выходе путем регулирования производительности от проектной до нуля.

При нажатии кнопки СТОП производится остановка компрессора, при этом запускается насос предварительной смазки. После истечении 60 секунд (Т4) насос предварительной смазки останавливается, компрессор переходит в исходное состояние.

Таблица 4.10 - Перечень сигналов

Название	Тип сигнала	Сигнал	Описание
IpodK	Input	Analog	Подпор воздухом ротора компрессора
ItMAS	Input	Analog	Температура масла
IpMAS	Input	Analog	Давление масла
Iwater	Input	Boolean	Минимальный поток охлаждающей воды
PUSK	Input	Boolean	Команда ПУСК
Ivibr	Input	Analog	Сигнал вибрации
ItSTAT	Input	Analog	Температура статора электродвигателя
Irazgr	Input	Boolean	Сигнал на разгрузку
Ipvoz	Input	Analog	Давление после последней ступени
IpPOK	Input	Analog	Давление воздуха после обр. клапана
IpTREB	Input	Analog	Установка давления
IiOBM	Input	Analog	Сила тока в одной из обмоток двигателя
Ialarm	Input	Boolean	Сигнал аварийного останова (грибок)
ItSTUP	Input	Analog	Температура воздуха после охлаждения
RESET	Input	Analog	Сброс ошибки
STOP	Input	Boolean	Сигнал СТОП
Ups	Output	Boolean	Запуск насоса предварительной смазки
Ued	Output	Boolean	Сигнал на запуск электродвигателя
UvibrAL	Output	Boolean	Предупреждающий сигнал по вибрации
Ualarm	Output	Boolean	Выходной сигнал об аварии
UregZk1	Output	Analog	Регулирование клапаном К1
UregZk2	Output	Analog	Регулирование клапаном К2
ItMASus	Internal	Analog	Предохранительная установка темп. масла
IvibrUS	Internal	Analog	Предохранительная установка по вибрации



Далее приведен листинг программы на языке ST.

CASE Z OF

0: Ups:= FALSE;

Ued:= FALSE;

UregZk1:= 100;

UregZk2:= 10;

POMP:= FALSE;

IF (IpodK>4)

AND (IpodK<7)

AND (NOT (Ualarm))

AND PUSK

AND NOT(STOP)

THEN

Ups:= TRUE;

T1:= t#0s;

TSTART(T1);

Z:= 1;

ELSIF RESET

THEN

Z:= 3;

END_IF;

1:IF T1>t#12s

THEN

IF (ItMAS>35) AND (IpMAS>154)

AND Iwater

AND PUSK

THEN

TSTOP(T1);

Ups:= FALSE;

Ued:= TRUE;

T2:= t#0s;

TSTART(T2);

IvibrUS:= 12;

ItSTATus:= 130;

ItMASus:= 50;

Z:= 2;

ELSE

TSTOP(T1);

Z:= 2;

END_IF;

END_IF;

2:IF T2>t#6s

THEN

TSTOP(T2);

IvibrUS:= 7;

ItSTATus:= 100;

ItMASus:= 45;

UregZk1:= 0;

Z:= 3;

END_IF;

3:IF not (Ivibr<7)

THEN

UvibrAL:= TRUE;

ELSE

UvibrAL:= FALSE;

END_IF;

IF NOT((NOT(Ialarm))

AND (NOT (Ivibr>12))

AND (NOT (ItMAS>45))

AND (NOT (ItMAS<35))

AND (NOT (NOT(Iwater)))

AND (NOT (IpodK<4))

AND (NOT (IpodK>7))

AND (NOT (ItSTAT>ItSTATus))

AND (NOT(POMP)))

THEN

Ued:= FALSE;

Ualarm:= TRUE;

z:= 0;

ELSIF

STOP

THEN

Ued:= FALSE;

Ups:= TRUE;

T4:= t#0s;

TSTART(T4);

z:= 7;

ELSIF RESET

THEN

Ualarm:= FALSE;

UvibrAL:= FALSE;

z:= 0;

ELSE IF

Irazgr

THEN

z:= 6;

ELSE

POMP:= FALSE;

T3:= t#0s;

Ip1:= Ipvoz;

Ii1:= IiOBM;

TSTART(T3);

z:=4;

END_IF;

END_IF;

4:IF T3>t#15s THEN

Ip2:= Ipvoz;

Ii2:= IiOBM;

IpUS:= 5;

IiUS:= 2;

Ip:= Ip1-Ip2;

Ii:= Ii1-Ii2;

z:= 5; TSTOP(T3);

END_IF;

5:IF (((Ip)*(Ip))>((IpUS)*(IpUS))

AND ((Ii)*(Ii))>((IiUS)*(IiUS)))

THEN

POMP:=TRUE;

UregZk1:= 100;

UregZk2:= 10;

z:= 3;

ELSE

z:= 6;

END_IF;

6:IF (Irazgr AND not(POMP))

THEN

UregZk1:= 100;

UregZk2:= 10;

z:= 3;

ELSIF

((IpTREB-IpPOK)>=0)

THEN

IF UregZk1>0

THEN

UregZk1:= UregZk1-1;

z:= 3;

ELSIF

(UregZk2<100)

THEN

UregZk2:= UregZk2+1;

z:= 3;

ELSE

z:= 3;

END_IF;

ELSE

IF (UregZk2>10)

THEN

UregZk2:= UregZk2-1;

z:= 3;

ELSIF

UregZk1<100

THEN

UregZk1:= UregZk1+1;

z:= 3;

ELSE

z:= 3;

END_IF;

END_IF;

7:IF T4>t#15s

THEN

TSTOP(T4);

z:= 0;

END_IF;

END_CASE;



Заключение

В дипломном проекте проведен анализ автоматизированной системы управления работы компрессорами, при этом выявлена необходимость повышения оперативности реагирования обслуживающего персонала при возникновение внештатных ситуаций. В связи с этой необходимостью был произведён анализ и выбор системы вибропреобразователя ВК-312С и датчика давления Метран-150, предложен к использованию электропневматический позиционер ЭПП300. Также была разработана программа управления компрессором с учетом ПАЗ по вибрации и помпажу и предложена система управления компрессорами путём создания централизованного АРМ оператора, что дало возможность оперативно реагировать на возникающие ситуации.

Личным вкладом в дипломный проект является разработка функциональной схемы автоматизации компрессора, подбор средств автоматизации компрессорной, разработка программы управления компрессором.

Также в проекте рассмотрены требования, предъявляемые к безопасности процесса работы компрессорной, произведен расчет санитарно-защитной зоны для компрессорной.

Кроме того, проведена оценка экономической эффективности проекта внедрения системы управления компрессорной, срок окупаемости которой составил 5,2 года.

На основании полученных результатов можно сделать выводы, что предложенная система и средства управления компрессорами эффективны и могут быть рекомендована к внедрению в компрессорной предприятия.



Список использованных источников

1 Руководство по эксплуатации и обслуживанию - модели Центак. Москва: ООО «Ingersoll Rand?Москва», 2003, 140 с.

2 Михайлов А.К. Компрессорные машины. - М.: Энергостомиздат, 1989. - 288 с.

3 Вороницкий А.В. Современные центробежные компрессоры. - М.: Премиум инжиниринг, 2007. - 140 с.

4 Регентов А.В. Применение технологии коммуникационного контроллера в передачи технологической информации со сложной топологией. Коммуникационный контроллер ЭЛСИ-КОМ // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006. - №3. - С. 38-40.

5 Вибропреобразователи пъезоэлектрические с предусилителями серии ВК-310.

Руководство по эксплуатации 4277-032-98222904 РЭ, 34 с.

6 Интеллектуальные датчики давления Метран?150.

URL http://www.metran.ru/netcat_files/973/941/150.pdf

7 Программирование контроллеров на стандартных языках в системе ISaGRAF. Учебно-методическое пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ. 2001. - 20 с.

8 СНИП 41-01-2008. Требования к отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха. ФГУП ЦНС. 2001 г. - М., 2001.

9 Мелкунов, Я.С. Экономическая оценка эффективности инвестиций и финансирование инвестиционных проектов / Я.С. Мелкунов. - М: ИКЦ «Дис», 1997. - 196 с.

Размещено на Allbest.ru