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摘要 某储配站煤气鼓风机控制系统因设备老化，故障频发，借助改造机会使用ABB的DCS控制器来代替老旧的半人工控制方式，通过PID算法控制实现出站煤气压力里的平稳，借助防喘振阀可以避免鼓风机在正常运行时发生喘振现象。同时在重点部位增加了传感器的检测，在ABB Freelance2016的强大功能下，工程师站和操作员站能对传感器回传的数据信息采集并可以对生成的趋势图、报表、报警等信息进行保存和打印，方便后期通过检测到的数据分析从而改进工艺参数。本次改造也在国家节能降耗的号召下从设备能耗等方面对系统进行优化完善，使系统运行效率得到明显提升。
关键字 储配站 煤气鼓风机 PID 喘振 Freelance2016
引言
现有储配站煤气鼓风机控制系统已经使用了十余年，DCS等元器件严重老化，运行不平稳故障频发。为提高其控制水平，并相应国家号召达到节能降耗的目的，对现有储配站煤气鼓风机控制系统进行改造优化。原本使用多个DCS对系统三个风机进行独立控制，现改为一套ABB900冗余系统进行集中控制。该系统的使用在一定程度上避免了系統间通讯因信号干扰等原因导致的数据丢失、通讯中断等故障，与此同时还增加了系统的关联性以及响应速度，最终实现降低损耗达到节能的目的。
1.系统介绍
新系统采用2个ABB的DCS控制器PM901F组建的冗余系统进行集中控制，在DCS控制器通讯模块插槽使用了一个CI930F模件与各子站的CI840模块做Profibus通讯。2个DCS控制器间使用以太网交叉线连接，控制器与上位机间使用以太网直连线连接。
2.系统控制
2.1 PID
该系统的目的是使出站煤气压力保持在某一恒定范围内，所以该系统使用PID闭环自动控制系统。PID的传递函数为：G（s）=U（s）/E（s）=Kp（1+1/Tis+Tds）=Kp+Ki*1/s+Kds
上述公式中，Kp为控制器的增益，或称放大系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;K=Kp/Ti，为积分系数;Kd=Kp*Td，为微分系数。
PID控制器各校正环节的作用如下：
增益：对控制系统的偏差信号实现及时成比例的真实反映，从而使得控制器的输入以及输出能够成比例关系。为了能够最大限度的减小偏差， 同时也为了更好的提高响应速度，最大限度的缩短系统调节的时间，因此应该增加Kp。但是一度增加Kp，就会因为比例作用过大导致系统的动态性能变坏，甚至会造成闭环系统不稳定，严重影响工作效率。
积分：实现对误差的记忆，减小稳态误差，提高系统的控制精度，积分最显著的特点就是无差控制。而积分作用的强弱受积分时间常数Ti的影响，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
微分：微分能够实现对仪器超前控制的效果，微分能够真实反映信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
从时间的角度讲，比例作用主要是对系统当前存在的误差进行控制，积分作用主要是对系统历史存在的误差进行记录，微分作用主要是对系统误差的变化趋势做出真实的反映。将比例作用、积分作用、微分作用进行结合运用，实现了“过去、现在、未来”的完美结合。
项目中煤气出站压力作为PID控制的被测量。将被测量的信号反馈到DCS系统，与目标值进行比较，判断是否达到了预期目的。如果没有达到则根据两者的差值进行调整直到达到预期的目的为止。
2.2 防喘振
该系统的煤气鼓风机是通过液力耦合器来调节离心式鼓风机的转速，进而调节煤气出站压力的。测试中发现当风机调节达到某一特定转速时，就会发生喘振现象。离心式鼓风机的喘振现象即使是风机的固有特性，但是与其相连接的管网有关。换句话说离心式鼓风机的自身特性是发生喘振内因的话，那么外界条件就是外因。当内在因素在适当的外因条件下就会产生喘振现象。
当风机发生喘振现象时就会发生气流能量损失，效率下降，风机性能变差。为了避免在运行过程中发生喘振现象，我们为系统设计了防喘振阀。在系统运行过程中保持风机永远大于发生喘振时的转速。当系统压力高需要降低风机转速时，但风机已经达到了设定转速的最小值，这时我们开启防喘振阀，使压力过高的煤气通过防喘振阀回流到煤气储罐以达到在不发生风机喘振的情况下降低出站煤气压力的目的。保证了系统安全平稳地运行。
2.3 联锁关系
为了防止风机的液力耦合器和防喘振阀的频繁调节，所以对该系统设计了应对煤气压力波动的死区压力。当煤气压力大于死区上限时先通过PID降低风机转速，当风机转速达到设定转速下限时煤气压力还高就打开防喘振阀进行降压。当煤气压力小于死区下限时先关闭防喘振阀再进行风机转速的调节。
为了保护系统的安全平稳运行，我们使用多个传感器对风机运行情况、煤气储罐及管网煤气进行监测，超过警告值就会声光报警对值班员进行提示，当超过动作值时就会触发风机停机联锁动作，并进行声光报警以作提示，同时所有的报警及设定值的修改都会在操作员站留下记录，方便后期查看。
3.上位机
我们的工程师站和操作员站使用的Freelance2016版控制系统，该系统功能强大，集成的工作环境能够大大简化工程组态、调试、维护和总线管理等工作。直观的操作员人机界面能够整个系统的操作和诊断变得轻松容易。
3.1趋势显示
Freelance2016使用趋势采集块的趋势显示只能插入到一个操作员站下。同样的趋势显示可以用于趋势服务器，是通过采集标签页上的选项进行选择。趋势服务器是用来从不同的过程站采集变量的。在一个项目中只能有一个趋势服务器，并且不能冗余。基于趋势服务器的趋势显示可以插入到公共显示池中。这些趋势可以被所有的操作员打开。 使用趋势服务器首先就要进行趋势服务器组态，建立网关。当趋势网关组态后，在项目中所有的标签自动获取读取访问权限。同样的，读取访问权限指定给所有的过程站变量。然后在公共显示池内插入趋势显示，在趋势显示设置框内使用变量采集方式并插入趋势变量，每组趋势只能显示6个变量。这样就可以通过趋势服务器就可以在其所有操作员站查看数据变化趋势。
3.2 报表
Freelance2016中Excel报表被用来获取数据，并且将其储存在Excel模版中，一个报表可以产生一个或者多个xls文件，这些文件中存储了一系列变量的数据。 报表可以插入公共显示池用于所有操作员站的访问，也可以插入到某个特定的操作员站。 报表监控数据的时间可以在“周期”里面设置，在“周期时间”设置频率，在“起始时间”中设置报表记录开始创建的时间，例如：DT#2020-01-01-09：00：00.000 在“重启动于”中设置报表记录重新开始创建的时间，例如：T#24h0m0s，表明Excel报表文件将于一天之后重新创建，需要注意的是：重启时间必需大于等于“周期”和“周期时间”的乘积：重启动于≥周期*周期时间。
报表可以通过 “定义模版”去配置Excel報表的布局格式和内容，将会在Excel软件中打开报表模版。获取数据的函数遵循以下语法：<GetValue（变量， 下一个位置）>。
变量：变量列表中的某个变量的名称，比如SOFT.DateTime为系统时间变量;下一个位置则可以从NEXT_RIGHT，NEXT_LEFT，NEXT_DOWN，NEXT_UP中根据需要任选。
3.3 报警记录
Freelance系统分为系统报警，故障报警，开关报警，提示和提示信息报警类型。根据对运行过程重要性，可以对报警类型进行优先级归类。一个系统级（分成三组S1-S3）和五个过程级（1-5）。在工程师站组态过程中，每个优先级都分配一个特定的确认策略。确认策略用来定义操作员确认报警的方法。报警和提示在报警行，报警列表和提示列表中显示，可以通过各自位置进行确认，而且，报警可以通过画面显示和分配的面板的上下文菜单进行确认。
结语
通过对煤气鼓风机控制系统改造优化后，尚未出现因系统原因导致的停机故障，系统能在煤气压力出现波动时第一时间发出警报，操作员能从Freelance2016的趋势及报表中通过数据分析快速找到压力波动原因，使得故障率明显降低，机组运行平稳，降低了能耗，达到了系统改造目的。
参考文献
[1]李晓秀，宋丽荣.自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2011
[2]刘豹，唐万生.现代控制理论[M].北京：机械工业出版社，1992
[3]张晋格，陈丽兰.控制系统CAD：基于MATLAB语言[M].北京：机械工业出版社，2010
[4]段伦俊.高炉鼓风机防喘系统控制程序优化改造[J].冶金动力，2015（06）：39-41.
[5]高念周.首钢京唐AV100-17高炉鼓风机控制系统的研究与应用[D].东北大学，2016.
[6]周雪.FISHER气动防喘振阀控制系统位置改造在鼓风机安全运行中的重要性[C]. 河北省冶金学会.2013年河北省炼铁技术暨学术年会论文集.河北省冶金学会：河北省冶金学会，2013：626-628.
关键字 储配站 煤气鼓风机 PID 喘振 Freelance2016
引言
现有储配站煤气鼓风机控制系统已经使用了十余年，DCS等元器件严重老化，运行不平稳故障频发。为提高其控制水平，并相应国家号召达到节能降耗的目的，对现有储配站煤气鼓风机控制系统进行改造优化。原本使用多个DCS对系统三个风机进行独立控制，现改为一套ABB900冗余系统进行集中控制。该系统的使用在一定程度上避免了系統间通讯因信号干扰等原因导致的数据丢失、通讯中断等故障，与此同时还增加了系统的关联性以及响应速度，最终实现降低损耗达到节能的目的。
1.系统介绍
新系统采用2个ABB的DCS控制器PM901F组建的冗余系统进行集中控制，在DCS控制器通讯模块插槽使用了一个CI930F模件与各子站的CI840模块做Profibus通讯。2个DCS控制器间使用以太网交叉线连接，控制器与上位机间使用以太网直连线连接。
2.系统控制
2.1 PID
该系统的目的是使出站煤气压力保持在某一恒定范围内，所以该系统使用PID闭环自动控制系统。PID的传递函数为：G（s）=U（s）/E（s）=Kp（1+1/Tis+Tds）=Kp+Ki*1/s+Kds
上述公式中，Kp为控制器的增益，或称放大系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;K=Kp/Ti，为积分系数;Kd=Kp*Td，为微分系数。
PID控制器各校正环节的作用如下：
增益：对控制系统的偏差信号实现及时成比例的真实反映，从而使得控制器的输入以及输出能够成比例关系。为了能够最大限度的减小偏差， 同时也为了更好的提高响应速度，最大限度的缩短系统调节的时间，因此应该增加Kp。但是一度增加Kp，就会因为比例作用过大导致系统的动态性能变坏，甚至会造成闭环系统不稳定，严重影响工作效率。
积分：实现对误差的记忆，减小稳态误差，提高系统的控制精度，积分最显著的特点就是无差控制。而积分作用的强弱受积分时间常数Ti的影响，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
微分：微分能够实现对仪器超前控制的效果，微分能够真实反映信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
从时间的角度讲，比例作用主要是对系统当前存在的误差进行控制，积分作用主要是对系统历史存在的误差进行记录，微分作用主要是对系统误差的变化趋势做出真实的反映。将比例作用、积分作用、微分作用进行结合运用，实现了“过去、现在、未来”的完美结合。
项目中煤气出站压力作为PID控制的被测量。将被测量的信号反馈到DCS系统，与目标值进行比较，判断是否达到了预期目的。如果没有达到则根据两者的差值进行调整直到达到预期的目的为止。
2.2 防喘振
该系统的煤气鼓风机是通过液力耦合器来调节离心式鼓风机的转速，进而调节煤气出站压力的。测试中发现当风机调节达到某一特定转速时，就会发生喘振现象。离心式鼓风机的喘振现象即使是风机的固有特性，但是与其相连接的管网有关。换句话说离心式鼓风机的自身特性是发生喘振内因的话，那么外界条件就是外因。当内在因素在适当的外因条件下就会产生喘振现象。
当风机发生喘振现象时就会发生气流能量损失，效率下降，风机性能变差。为了避免在运行过程中发生喘振现象，我们为系统设计了防喘振阀。在系统运行过程中保持风机永远大于发生喘振时的转速。当系统压力高需要降低风机转速时，但风机已经达到了设定转速的最小值，这时我们开启防喘振阀，使压力过高的煤气通过防喘振阀回流到煤气储罐以达到在不发生风机喘振的情况下降低出站煤气压力的目的。保证了系统安全平稳地运行。
2.3 联锁关系
为了防止风机的液力耦合器和防喘振阀的频繁调节，所以对该系统设计了应对煤气压力波动的死区压力。当煤气压力大于死区上限时先通过PID降低风机转速，当风机转速达到设定转速下限时煤气压力还高就打开防喘振阀进行降压。当煤气压力小于死区下限时先关闭防喘振阀再进行风机转速的调节。
为了保护系统的安全平稳运行，我们使用多个传感器对风机运行情况、煤气储罐及管网煤气进行监测，超过警告值就会声光报警对值班员进行提示，当超过动作值时就会触发风机停机联锁动作，并进行声光报警以作提示，同时所有的报警及设定值的修改都会在操作员站留下记录，方便后期查看。
3.上位机
我们的工程师站和操作员站使用的Freelance2016版控制系统，该系统功能强大，集成的工作环境能够大大简化工程组态、调试、维护和总线管理等工作。直观的操作员人机界面能够整个系统的操作和诊断变得轻松容易。
3.1趋势显示
Freelance2016使用趋势采集块的趋势显示只能插入到一个操作员站下。同样的趋势显示可以用于趋势服务器，是通过采集标签页上的选项进行选择。趋势服务器是用来从不同的过程站采集变量的。在一个项目中只能有一个趋势服务器，并且不能冗余。基于趋势服务器的趋势显示可以插入到公共显示池中。这些趋势可以被所有的操作员打开。 使用趋势服务器首先就要进行趋势服务器组态，建立网关。当趋势网关组态后，在项目中所有的标签自动获取读取访问权限。同样的，读取访问权限指定给所有的过程站变量。然后在公共显示池内插入趋势显示，在趋势显示设置框内使用变量采集方式并插入趋势变量，每组趋势只能显示6个变量。这样就可以通过趋势服务器就可以在其所有操作员站查看数据变化趋势。
3.2 报表
Freelance2016中Excel报表被用来获取数据，并且将其储存在Excel模版中，一个报表可以产生一个或者多个xls文件，这些文件中存储了一系列变量的数据。 报表可以插入公共显示池用于所有操作员站的访问，也可以插入到某个特定的操作员站。 报表监控数据的时间可以在“周期”里面设置，在“周期时间”设置频率，在“起始时间”中设置报表记录开始创建的时间，例如：DT#2020-01-01-09：00：00.000 在“重启动于”中设置报表记录重新开始创建的时间，例如：T#24h0m0s，表明Excel报表文件将于一天之后重新创建，需要注意的是：重启时间必需大于等于“周期”和“周期时间”的乘积：重启动于≥周期*周期时间。
报表可以通过 “定义模版”去配置Excel報表的布局格式和内容，将会在Excel软件中打开报表模版。获取数据的函数遵循以下语法：<GetValue（变量， 下一个位置）>。
变量：变量列表中的某个变量的名称，比如SOFT.DateTime为系统时间变量;下一个位置则可以从NEXT_RIGHT，NEXT_LEFT，NEXT_DOWN，NEXT_UP中根据需要任选。
3.3 报警记录
Freelance系统分为系统报警，故障报警，开关报警，提示和提示信息报警类型。根据对运行过程重要性，可以对报警类型进行优先级归类。一个系统级（分成三组S1-S3）和五个过程级（1-5）。在工程师站组态过程中，每个优先级都分配一个特定的确认策略。确认策略用来定义操作员确认报警的方法。报警和提示在报警行，报警列表和提示列表中显示，可以通过各自位置进行确认，而且，报警可以通过画面显示和分配的面板的上下文菜单进行确认。
结语
通过对煤气鼓风机控制系统改造优化后，尚未出现因系统原因导致的停机故障，系统能在煤气压力出现波动时第一时间发出警报，操作员能从Freelance2016的趋势及报表中通过数据分析快速找到压力波动原因，使得故障率明显降低，机组运行平稳，降低了能耗，达到了系统改造目的。
参考文献
[1]李晓秀，宋丽荣.自动控制原理[M].北京：机械工业出版社，2011
[2]刘豹，唐万生.现代控制理论[M].北京：机械工业出版社，1992
[3]张晋格，陈丽兰.控制系统CAD：基于MATLAB语言[M].北京：机械工业出版社，2010
[4]段伦俊.高炉鼓风机防喘系统控制程序优化改造[J].冶金动力，2015（06）：39-41.
[5]高念周.首钢京唐AV100-17高炉鼓风机控制系统的研究与应用[D].东北大学，2016.
[6]周雪.FISHER气动防喘振阀控制系统位置改造在鼓风机安全运行中的重要性[C]. 河北省冶金学会.2013年河北省炼铁技术暨学术年会论文集.河北省冶金学会：河北省冶金学会，2013：626-628.