SIMATIC S7-300 PLC在空压透平机控制中的典型应用

1.前言
　　在空分生产装置中，空压透平机是重要的单体设备，是空分生产的龙头，设备性能和过程控制的好坏，将直接影响生产的顺行。生产中我们选用西门子SIMATIC S7-300对其进行控制。SIMATIC S7-300是中小型PLC系统，它的模块化、无排风扇结构和易于实现分布特点很好满足了控制的要求。本文简述了工艺过程、西门子PLC系统配置及功能特点、过程通讯等，并详细阐述了防喘振功能功能的实现。
2.工艺概述
　　空压透平机为GT078L3K3型离心式三级压缩机，传动装置为西门子高压无刷同步电机。空气经过吸气塔消音除尘处理后，进入一级压缩机，一级吸入压力正常值为100Kpa。压缩后的气体经过水冷却后，以正常37℃进入二级压缩机，再经水冷却和三级压缩后排出，排出气体的正常温度和压力分别为95℃和410Kpa。工艺流程示意图如图1：

3.系统配置及功能特点
　　SIMATIC S7-300可编程控制器模块化设计结构，使各种独立的模块之间可以进行广泛的组合，易于扩展。空压透平机控制系统结构示意图如图2：

3.1硬件系统
    （1）中央处理单元选用CPU315-2DP,1块，它具有大型的程序存储容量，并有PROFIBUS-DP主/从接口，可以配制成分布的自动化结构，易于今后的系统扩展。智能化的诊断功能连续监控系统工作是否正常，并记录错误和特殊系统事件。
    （2）接口模块采用IM360,共2块，用于多机架配置中主机架和扩展机架之间的连接，可扩展3个机架，各机架之间的最大距离为10米。
    （3）SM为信号模块，其中数字量输入模块7块、输出模块3块，模拟量输入模块2块、出模块2块。数字量输入/输出模块能自动诊断无编码器电源、无内外部辅助电压、模块参数错误、看门狗错误、EPROM故障、过程报警信息丢失等；模拟量输入模块能自动诊断无外部电压、组态参数错误、共模故障、短线、测量范围溢出等故障；模拟量输出模块能自动诊断无外部电压、组态参数错误、对地短路等故障。
    （4）人机界面选用OP27,用于实现用户对生产过程的监控和操作。人机界面服务已集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程工作大大降低。
3.2软件系统
    （1）编程器PG是人机界面的组态工具，组态软件选用Windows下的SIMATIC ProTool/Lite和ProTool软件，对OP27操作面板进行组态。由于是在标准的Windows操作系统下运行，又有在线帮助功能，学习掌握方便。
    （2）口令保护，多机口令保护可以使用户高度、有效的保护其技术秘密，防止未经允许的复制和修改。
4.系统通讯
　　过程通讯采用多点接口MPI数据通讯方式，MPI通讯口集成在S7-300 CPU上，实现简单数据联网，通讯配置图如图3：

　　MPI能同时连接编程器、人机界面（HMI）,互联的CPU可以利用全局数据服务，周期性地相互进行数据交换。任意两个给定的MPI节点之间可串联最多10个中继器，使通讯距离大大加长。
5.系统应用
5.1控制功能
　　空压透平机控制主要包括入口导叶开度及限位控制、旁通阀开度及限位控制、轴承震动控制、轴位移控制、温度控制、防喘振控制等，使用STEP7提供的语句表和梯形图编程语言方便的实现了以上控制功能。
5.2防喘振控制
　　防喘振控制是空压透平机控制的核心部分。压缩机产生喘振的直接原因是由于压缩机进口流量与出口压力不匹配，造成压缩机轴向低频大振幅周期性气流震荡。喘振使压缩机的性能恶化，气流参数（压力、流量）产生大幅波动，噪声和震动加剧，严重时足以损坏压缩机。防喘振系统就是通过调节入口导叶开度和旁通阀开度来控制压缩机的流量和出口压力，使之在正常的工作区内运行。喘振曲线示意图如图4：

图中虚线喘振线为理论喘振曲线，实际程序设计中采用“三线法”计算喘振曲线值，三线如图a、b、c所示，数学模型分别为：
y1=k1*x1+a
y2=k2*x2+b
y3=k3*x3+c
　　控制中，当压力一定时，即y值一定时，取三方程式中x最小值为喘振流量值；当流量一定时，即x值一定时，取三方程式中y最大值为喘振压力值，并由喘振压力值计算得到喘振报警值。喘振曲线由控制程序根据设备实际运行状况动态计算得到。
防喘振控制程序流程图如图5：

6、结束语
　　空压透平机投运到现在运行状况良好。SIMATIC S7-300控制设备性能稳定，维护方便，既降低了维护人员的劳动强度，又保证了生产的稳定畅行，收到了很好的经济效益和社会效益。