高炉鼓风机防喘振模糊PID控制算法
李明辉 金千山
摘 要： 喘振是造成压缩机损坏的重要原因，在此针对某厂70万吨/年烯烃项目，根据丙烯工艺流程， 设计了一套压缩机的防喘振控制系统。该控制系统以TRIEW软件为人机界面，利用TRICON独有的防喘振控制软件包，将喘振PID控制、喘振超驰、手动控制算法相结合，通过喘振PID参数的在线优化，有效地实现了压缩机的防喘振控制，现场实际运行结果表明了该系统的稳定性和可靠性，同时，验证了该喘振控制算法的有效性。
关键词： TRICON； 防喘振控制； 离心压缩机； PID
中图分类号： TN919?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0032?03
0 引 言
离心压缩机以其运行效率高、易损件少、运转平稳、经济效益好等优点，在石油化工行业中得到广泛应用，并且已经成为工艺设备的核心[1]。因此，一旦压缩机损坏，将造成巨大损失甚至人员伤亡。
喘振是压缩机本身固有的特性，是造成压缩机损坏的重要原因之一，因此，怎样避免喘振的发生，得到喘振的最优控制方案，一直是各控制系统厂家（Man Turbo 的Turbolog DSP系统、Nuovo Pig none 公司的UNICOS系统、TRICONEX的ITCC控制系统等[2]）研究的热点问题，很多不同的防喘振控制方案也不断涌出[3?5]。
本文以某厂70万吨/年烯烃项目为例，根据其工艺流程，论述了TRICON控制系统防喘振控制的原理，实际运行结果表明了该控制方案的有效性。
1 压缩机工艺流程及控制系统介绍
1.1 压缩机工艺流程
本项目使用汽轮机驱动离心压缩机，丙烯为介质，通过压缩、用水冷凝、节流降压蒸发，达到制冷效果，提供冷量给低温甲醇系统中的各冷器补偿系统冷量损失[6]，其压缩机部分的工艺流程如图1所示（埃利奥特组厂家提供）。
1.2 TRICON 控制系统设计
该控制系统的硬件由TRICONEX公司提供的具有三重冗余结构的控制器和工控机组成，其中，控制器的输入模件到MP到输出模件完全的三重化，因此，其具有超强的诊断、在线维修，无单点故障等优点，其结构如图2所示。
控制系统的软件由上位软件TRIEW和下位软件1131组成，开发系统是其应用程序的集成开发环境。其中上位软件TRIEW通过OPC与控制器和下位软件进行通信。
TRIEW软件由开发系统和运行两系统部分组成。开发系统和运行系统是各自独立的 32 位应用程序，均可单独使用；两个系统又相互依存，在开发系统中开发的应用程序必须在运行环境中才能运行。开发者在这个环境中完成图形界面的设计、数据库定义、动画链接等。开发系统具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性，对数据的报警、趋势曲线、历史数据记录、安全管理等重要功能有简单的操作办法。利用图形控件功能可以大大减少界面的设计时间，加快软件的开发进度。1131软件获得T?V 认证的系统支持软件，其支持函数方块图（FBD）、梯形图（LD）、结构文本（ST）、因果矩阵（CEM） 语言。具有离线组态编程、离线仿真与监控、在线程序监控、支持在线程序修改等优点。
2 TRICON控制系统的防喘振控制
这套丙烯压缩机控制系统利用TRICON控制系统具有特定功能的独立模块间的相互配合，确保了防喘阀及时打开，从而避免喘振的发生由机组厂家提供的PID流程（见图1）可知，该压缩机由3段组成。本文以压缩机一段喘振控制为例，阐述TRICON控制系统的防喘振控制算法，其主要根据PID流程及压力、温度、流量传感器测量值和TRICON的功能块实现了防喘振控制。
2.1 喘振控制线及操作点的计算
压缩机制造商的喘振曲线转换为以压比和吸入端压力为纵横坐标的图表。这些数值输入到Triconex 标准喘振控制算法里，可确定喘振点。喘振线上增加可调节安全裕度，产生流量设定点。流量与压力变量可得出操作点，用来与喘振线做比较TRICON控制系统的通用喘振曲线选取[HrPs]百分比为横坐标，选取[PdPs]为纵坐标，其利用通用喘振曲线计算控制线和操作点的具体步骤如下：
（1） 首先根据埃利奥特机组厂家提供的孔板流量计规格书、现场温度、压力测量值和TRICON的M_FLOW、HC_0401功能块计算出补偿后的质量流量百分比，即操作点。
（2） 根据机组厂家提供的压缩机性能曲线及压力表，计算出实际的压比和6个喘振点，将其作为SRGLN01_02功能块的输入从而计算出喘振线和实际压比对应喘振点。
（3） 利用实际操作点、功能块SAFE_MAR功能块和功能块RECAL01_02计算出安全裕度MARGN，其中RECAL01_02具有校正裕度功能，每发生一次喘振，裕度增加2%。
利用步骤（3）计算的操作点，安全裕度和喘振线，根据以下公式便可计算出实际控制线：
控制线=喘振线+安全裕度
本项目根据压缩机厂家提供的规格书，对一段喘振参数计算结果如下：
其中变量MFLOW_max 1，P_fob，T_fob M为功能块M_FLOW入口参数；MFLOW_max2，P_sb，T_sb为功能块HC_0401入口参数。
利用上述参数计算的喘振线如图3所示。
2.2 防喘振控制器的输出计算
为了更安全、准确地控制防喘振阀，TRICON控制系统利用其特有的独立功能块和3种不同的操作模式对防喘振阀进行控制，其控制原理如图4所示。
（1） 喘振PID和手动控制
TRICON控制器采用常规的PID算法，以SP_HOVER的输出盘旋点作为喘振PID的设定值，利用计算出的安全裕度MARGN和优化的PID参数，实现喘振控制。
喘振PID控制中，喘振参数的选取尤为重要，TRICON控制器利用功能块ADPTV_T对其PID参数进行了优化，通过实际校验，本项目ADPTV_T功能块的输入参数选取为NOR_GN=0.1；GN_BK1=0.0；GN_RS1=0.1； GN_BK2=6.0；GN_RS1=0.0。TRICON喘振控制器利用MDRAMP功能块实现喘振的手动控制，其功能具有快升、快降、慢升及慢降功能，本项目取快升和快/降按钮为量程的2%，即每按一次升降按钮，手动输出增加/减少量程的2%。而慢升和慢降按钮为量程的1%，即每按一次升降速按钮，手动输出增加/减少量程的1%，其操作如图5所示。
（2） 喘振超驰控制
常规PID 经常因为较大的过程参数而在喘振将要发生时动作过慢，为了确保防喘阀及时打开。作为常规 PID 喘振控制算法的补充，TRICON操作控制器还有喘振超驰功能，利用功能块SRG_OVD，对防喘阀实施及时有效的控制。此功能块将会按操作点移动至作用区内的比例来打开防喘阀（见图6）。从喘振线到喘振控制线70%处为超驰功能作用区间。当操作点位于此区间左侧，即喘振线上或向左越过喘振线时，超驰作用输出为它的最大值，即防喘阀100%全开。当操作点位于作用区间最右侧时，超驰作用输出为最小，即0%，防喘阀关闭。当操作点位于作用区之间时，超驰作用按操作点的位置按比例输出控制值。喘振控制器在喘振超驰和喘振PID 间进行高选。所以只有在喘振PID 动作过慢的时候喘振超驰才会起作用，此时，喘振PID 的输出结果追踪喘振超驰的输出。
TRICON控制系统利用功能块PID_SRG，PID_SRG，MDRAMP，SRG_OVD的输出，作为功能块VLV_SEL的输入，从而计算出喘振控制器的输出，其根据不同的操作模式，选择不同的输出值控制防喘振阀，具体控制器输出如下所述。
利用TRICON防喘振控制算法，喘振控制器输出计算出之后，利用TRICON AO输出卡键，将整形数据转换成4～20 mA信号，送给喘振阀，有效地实现防喘振控制。
3 结 语
针对某厂70万吨/年烯烃项目，利用TRIEW软件和TRICON独有防喘振控制软件包，设计一套压缩机防喘振控制系统。为使复杂算法产生的程序错误率更低、更易进行错误诊断且更易理解，在防喘振控制程序中，Triconex控制系统使用了具有特定功能若干独立模块对防喘阀进行控制，实际的运行数据及结果表明了该系统不但降低了运行成本，而且具有更好的可靠性和实时性。
参考文献
[1] 贺代芳.离心压缩机的防喘振控制[J].化工自动化及仪表，2011（3）：90?92.
[2] 何谦，马志勇.离心压缩机的防喘振控制[J].泸天化科技，2005（7）：6?9.
[3] 褚菲，王福利，王小刚，等.建多级离心压缩机防喘模型与防喘控制策略[J]控制与决策，2013，28（3）：439?444.
[4] 沙宇.空气压缩机防喘振优化控制系统设计[J].电子世界， 2013（7）：19?21.
[5] 王飞.基于压缩机喘振与3C防喘振控制器在空压机上的设计策略[J].工业仪表与自动化装置，2013（3）：77?80.
[6] 靳伍银.离心压缩机的防喘振控制[J].兰州理工大学学报， 2007，33（3）：42?45.
喘振PID控制中，喘振参数的选取尤为重要，TRICON控制器利用功能块ADPTV_T对其PID参数进行了优化，通过实际校验，本项目ADPTV_T功能块的输入参数选取为NOR_GN=0.1；GN_BK1=0.0；GN_RS1=0.1； GN_BK2=6.0；GN_RS1=0.0。TRICON喘振控制器利用MDRAMP功能块实现喘振的手动控制，其功能具有快升、快降、慢升及慢降功能，本项目取快升和快/降按钮为量程的2%，即每按一次升降按钮，手动输出增加/减少量程的2%。而慢升和慢降按钮为量程的1%，即每按一次升降速按钮，手动输出增加/减少量程的1%，其操作如图5所示。
（2） 喘振超驰控制
常规PID 经常因为较大的过程参数而在喘振将要发生时动作过慢，为了确保防喘阀及时打开。作为常规 PID 喘振控制算法的补充，TRICON操作控制器还有喘振超驰功能，利用功能块SRG_OVD，对防喘阀实施及时有效的控制。此功能块将会按操作点移动至作用区内的比例来打开防喘阀（见图6）。从喘振线到喘振控制线70%处为超驰功能作用区间。当操作点位于此区间左侧，即喘振线上或向左越过喘振线时，超驰作用输出为它的最大值，即防喘阀100%全开。当操作点位于作用区间最右侧时，超驰作用输出为最小，即0%，防喘阀关闭。当操作点位于作用区之间时，超驰作用按操作点的位置按比例输出控制值。喘振控制器在喘振超驰和喘振PID 间进行高选。所以只有在喘振PID 动作过慢的时候喘振超驰才会起作用，此时，喘振PID 的输出结果追踪喘振超驰的输出。
TRICON控制系统利用功能块PID_SRG，PID_SRG，MDRAMP，SRG_OVD的输出，作为功能块VLV_SEL的输入，从而计算出喘振控制器的输出，其根据不同的操作模式，选择不同的输出值控制防喘振阀，具体控制器输出如下所述。
利用TRICON防喘振控制算法，喘振控制器输出计算出之后，利用TRICON AO输出卡键，将整形数据转换成4～20 mA信号，送给喘振阀，有效地实现防喘振控制。
3 结 语
针对某厂70万吨/年烯烃项目，利用TRIEW软件和TRICON独有防喘振控制软件包，设计一套压缩机防喘振控制系统。为使复杂算法产生的程序错误率更低、更易进行错误诊断且更易理解，在防喘振控制程序中，Triconex控制系统使用了具有特定功能若干独立模块对防喘阀进行控制，实际的运行数据及结果表明了该系统不但降低了运行成本，而且具有更好的可靠性和实时性。
参考文献
[1] 贺代芳.离心压缩机的防喘振控制[J].化工自动化及仪表，2011（3）：90?92.
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[3] 褚菲，王福利，王小刚，等.建多级离心压缩机防喘模型与防喘控制策略[J]控制与决策，2013，28（3）：439?444.
[4] 沙宇.空气压缩机防喘振优化控制系统设计[J].电子世界， 2013（7）：19?21.
[5] 王飞.基于压缩机喘振与3C防喘振控制器在空压机上的设计策略[J].工业仪表与自动化装置，2013（3）：77?80.
[6] 靳伍银.离心压缩机的防喘振控制[J].兰州理工大学学报， 2007，33（3）：42?45.
喘振PID控制中，喘振参数的选取尤为重要，TRICON控制器利用功能块ADPTV_T对其PID参数进行了优化，通过实际校验，本项目ADPTV_T功能块的输入参数选取为NOR_GN=0.1；GN_BK1=0.0；GN_RS1=0.1； GN_BK2=6.0；GN_RS1=0.0。TRICON喘振控制器利用MDRAMP功能块实现喘振的手动控制，其功能具有快升、快降、慢升及慢降功能，本项目取快升和快/降按钮为量程的2%，即每按一次升降按钮，手动输出增加/减少量程的2%。而慢升和慢降按钮为量程的1%，即每按一次升降速按钮，手动输出增加/减少量程的1%，其操作如图5所示。
（2） 喘振超驰控制
常规PID 经常因为较大的过程参数而在喘振将要发生时动作过慢，为了确保防喘阀及时打开。作为常规 PID 喘振控制算法的补充，TRICON操作控制器还有喘振超驰功能，利用功能块SRG_OVD，对防喘阀实施及时有效的控制。此功能块将会按操作点移动至作用区内的比例来打开防喘阀（见图6）。从喘振线到喘振控制线70%处为超驰功能作用区间。当操作点位于此区间左侧，即喘振线上或向左越过喘振线时，超驰作用输出为它的最大值，即防喘阀100%全开。当操作点位于作用区间最右侧时，超驰作用输出为最小，即0%，防喘阀关闭。当操作点位于作用区之间时，超驰作用按操作点的位置按比例输出控制值。喘振控制器在喘振超驰和喘振PID 间进行高选。所以只有在喘振PID 动作过慢的时候喘振超驰才会起作用，此时，喘振PID 的输出结果追踪喘振超驰的输出。
TRICON控制系统利用功能块PID_SRG，PID_SRG，MDRAMP，SRG_OVD的输出，作为功能块VLV_SEL的输入，从而计算出喘振控制器的输出，其根据不同的操作模式，选择不同的输出值控制防喘振阀，具体控制器输出如下所述。
利用TRICON防喘振控制算法，喘振控制器输出计算出之后，利用TRICON AO输出卡键，将整形数据转换成4～20 mA信号，送给喘振阀，有效地实现防喘振控制。
3 结 语
针对某厂70万吨/年烯烃项目，利用TRIEW软件和TRICON独有防喘振控制软件包，设计一套压缩机防喘振控制系统。为使复杂算法产生的程序错误率更低、更易进行错误诊断且更易理解，在防喘振控制程序中，Triconex控制系统使用了具有特定功能若干独立模块对防喘阀进行控制，实际的运行数据及结果表明了该系统不但降低了运行成本，而且具有更好的可靠性和实时性。
参考文献
[1] 贺代芳.离心压缩机的防喘振控制[J].化工自动化及仪表，2011（3）：90?92.
[2] 何谦，马志勇.离心压缩机的防喘振控制[J].泸天化科技，2005（7）：6?9.
[3] 褚菲，王福利，王小刚，等.建多级离心压缩机防喘模型与防喘控制策略[J]控制与决策，2013，28（3）：439?444.
[4] 沙宇.空气压缩机防喘振优化控制系统设计[J].电子世界， 2013（7）：19?21.
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[6] 靳伍银.离心压缩机的防喘振控制[J].兰州理工大学学报， 2007，33（3）：42?45.
