［摘要］：［關(guān)鍵詞］： 電機(jī) opc 伺服 pid

GE Fanuc的產(chǎn)品在沈鼓機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
一、概述
沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)始建于1943，經(jīng)過60多年的不斷發(fā)展，現(xiàn)已成為中國規(guī)模最大的生產(chǎn)透平壓縮機(jī)，透平鼓風(fēng)機(jī)，大型通風(fēng)機(jī)以及大型水泵、往復(fù)壓縮機(jī)的國有大型企業(yè)。多年來共累計(jì)生產(chǎn)各類離心壓縮機(jī)1300余臺(tái)，其產(chǎn)品覆蓋中國國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，并遠(yuǎn)銷25個(gè)國家和地區(qū)，國內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)85%以上，年產(chǎn)量居世界前列。
杭州蕭越熱電廠購買的空壓離心壓縮機(jī)為2MCL系列。杭州蕭越熱電廠位于杭州蕭山工業(yè)園內(nèi)。蕭山工業(yè)園內(nèi)建有很多印染、紡織廠，是全國最大的輕紡城。該機(jī)組主要目的是為蕭山工業(yè)園區(qū)的幾個(gè)印染、紡織廠提供風(fēng)能。
本套控制系統(tǒng)是其空壓機(jī)組的配套產(chǎn)品，除了控制沈鼓的壓縮機(jī)還對(duì)青島汽輪機(jī)廠的汽輪機(jī)以及一些相關(guān)的泵站等輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

二、工藝控制要求
2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）
連續(xù)采集和處理所有與壓縮機(jī)組及其輔機(jī)相關(guān)的重要測(cè)點(diǎn)及設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)向操作員提供有關(guān)的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
機(jī)組參數(shù)的當(dāng)前值或狀態(tài)的顯示、棒狀圖顯示、報(bào)警顯示和趨勢(shì)顯示。
報(bào)警顯示：


事故順序（SOE）記錄，通過在CIMPLICITY ME中進(jìn)行C語言編程，并且通過CIMPLICITY HMI與歸檔數(shù)據(jù)庫SQL2000實(shí)時(shí)記錄S90-30系統(tǒng)內(nèi)部的事件動(dòng)作，能精確到1ms。
機(jī)組概貌P&ID圖的模擬顯示，通過CIMPLICITY HMI進(jìn)行組態(tài)，并且實(shí)現(xiàn)參數(shù)報(bào)警變色以及變量注釋的動(dòng)態(tài)顯示。
機(jī)組氣路P&ID圖：


機(jī)組油路P&ID圖：


泵組P&ID圖：


加熱器P&ID圖：


2.2模擬量控制系統(tǒng)（MCS）
GE Fanuc PID回路增益、kp、 ki、 kd可由所控制的過程特性確定。其中關(guān)鍵在于：
1、當(dāng)我們通過固定量改變CV時(shí)，PV改變有多大？開路增益是什么？
2、系統(tǒng)響應(yīng)有多快，或者說CV輸入躍遷后PV改變有多快？
許多過程可由過程增益，初級(jí)或次級(jí)順序延遲及一個(gè)純時(shí)間延遲而模擬。在頻率范圍內(nèi)，含一純時(shí)間延遲的初級(jí)順序延遲系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換功能如下：
PV(s)/CV(s)=K*e*(-Tps)/(1+Tcs)
例：在時(shí)間范圍內(nèi)繪出時(shí)間t0的躍遷響應(yīng)曲線：


k：過程開路增益=PV最終改變/t0時(shí)的CV改變
Tp：t0之后在過程輸出PV開始傳送前的過程時(shí)間延遲或“死”時(shí)間。
Tc：Tp之后PV達(dá)到最終PV值的63.2%時(shí)所需要的時(shí)間。
測(cè)量這些參數(shù)的最佳方法是把PID模塊置于手動(dòng)模式把CV做小幅躍遷，并且繪出PV響應(yīng)時(shí)間的曲線。
GE Fanu的PID調(diào)節(jié)方法由Ziegler和Nicholas在四十年代發(fā)展起來的。
一旦k、Tp和Tc三個(gè)過程模型參數(shù)確定后，即可用來估算PID回路增益。作用速率：R=K/Tc
只有比例控制，計(jì)算Kp
Kp=Tc/(k*Tp)
對(duì)于比例和積分控制
Kp=0.9*Tc/(k*Tp)
Ki=0.3*Kp/Tp
對(duì)于PID控制
Kp=G/(Tp*R) G為1.2~2.0
Ki=0.5*Kp/Tp
Kd=0.5*Kp*Tp
采樣周期在(Tp+Tc)/10至(Tp+Tc)/100之間。
還有一種“理想調(diào)節(jié)”方法，可以獲得最佳的SP改變響應(yīng)。
Kp=2*Tc/(3*k*Tp)
Ki=Tc
Kd=Ki/4
本系統(tǒng)的所有模擬量控制包括：調(diào)節(jié)油壓力，潤(rùn)滑油壓力，壓縮機(jī)入口壓力，循環(huán)水入口流量等均采用PID ISA標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行控制。這樣選擇了適當(dāng)?shù)膮?shù)后，可以快速響應(yīng)負(fù)荷或能量的變化，在自動(dòng)方式下不需要人為的干預(yù)。當(dāng)發(fā)生手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)實(shí)現(xiàn)平滑控制。
2.3 防喘振控制（Anti-Surge）
GE90-30通過CIMPLICITY ME集成有專門的防喘振控制系統(tǒng)，有以下特點(diǎn)：
一旦發(fā)生喘振，可以人工干預(yù)、校正安全區(qū)域。
當(dāng)工況點(diǎn)大于規(guī)定的速率越過喘振控制線時(shí)，自動(dòng)打開防喘振閥。
以適當(dāng)?shù)目刂破鬏敵鲈鲆骓憫?yīng)，使防喘振閥實(shí)現(xiàn)快開和慢關(guān)。
配有手操功能，用于調(diào)節(jié)、試驗(yàn)和排除故障。
用接點(diǎn)控制電磁閥，當(dāng)發(fā)生劇烈喘振或機(jī)組聯(lián)鎖時(shí)，直接開啟防喘振閥。
控制模型充分考慮了機(jī)組壓力，流量的要求和變化，最大限度的接近喘振線，保證工作區(qū)域最大。

防喘振控制：



2.4 抽氣壓力和壓縮空氣電液調(diào)節(jié)（ELA）
在監(jiān)控系統(tǒng)CIMPLICITY HMI上顯示和控制505E，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，抽氣壓力和壓縮機(jī)空氣負(fù)荷的調(diào)節(jié)。
通過HMI和505E的配合使用，實(shí)現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程控制方式，方便操作人員的控制要求。
2.5 汽輪壓縮機(jī)組緊急跳閘保護(hù)（ESD）
機(jī)組停車保護(hù)的主要項(xiàng)目包括：潤(rùn)滑油總管壓力、安全（速關(guān)）油壓力、轉(zhuǎn)速、軸振動(dòng)、軸位移、軸承溫度和真空等。所有的保護(hù)輸出在邏輯上有閉鎖功能，以防止如熱電阻、熱電偶的誤動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)的掃描周期在40毫秒左右，完全能夠滿足緊急響應(yīng)的要求。

三、GE Fanuc 的解決方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)



本系統(tǒng)采用 GE Fanuc 系列90-30 PLC系統(tǒng)作數(shù)據(jù)采集和控制，為了保證系統(tǒng)的可靠性，控制部分采用雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)，電源、CPU、通訊模塊和Genius通訊總線、以太網(wǎng)通訊模塊等都是冗余的。通過雙機(jī)熱備軟件MAX-ON配置后，導(dǎo)入Proficy Machine Edition編程軟件內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備功能，保證系統(tǒng)的高可靠性。數(shù)據(jù)采集部分由三層五個(gè)10 槽機(jī)架組成，層之間通過Genius總線連接。雙機(jī)熱備部分與數(shù)據(jù)采集部分利用 Genius Bus Controller (GBC)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊通過Genius雙總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊與傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)的各類模擬信號(hào)、電磁報(bào)警接點(diǎn)信號(hào)、PLC 輸出到現(xiàn)場(chǎng)電磁閥的起停信號(hào)等均通過端子排與 PLC I/O 模塊相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和控制。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為GE Fanuc公司的Proficy CIMPLICITY HMI V6.1來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及控制功能。包括2臺(tái)工程師站和1臺(tái)操作員站，并且在一個(gè)工程師站上集成WebView Server功能，用戶就可以通過Windows IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)全廠局域網(wǎng)數(shù)據(jù)瀏覽功能，便于公司管理層及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況。
3.2 軟件系統(tǒng)
下位機(jī)系統(tǒng)軟件為Proficy Cimplicy Machine Edition
CIMPLICITY ME由Logic Developer(PAC、PLC、PC、State、CNC)，View，Motion Developer等組成。



CIMPLICITY ME不但能夠?qū)删幊炭刂破鳎植际?，嵌入式控制器，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行編程組態(tài)，而且能夠?qū)E的操作面板，工控機(jī)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行編程控制。這樣，ME將多種控制要求集成在同一個(gè)平臺(tái)下，符合現(xiàn)代控制要求多樣性的要求，是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)平臺(tái)。




如上圖所示：ME包含了大量的系統(tǒng)控制功能

ME具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
使用CIMPLICITY ME軟件，在一個(gè)公共的環(huán)境用于配置、編程、調(diào)試和維護(hù)用戶程序。
統(tǒng)一的用戶界面
一個(gè)數(shù)據(jù)庫（交叉參考、變量表等）
符號(hào)編程
即拖即放功能
Test修改編輯模式
強(qiáng)大的在線幫助窗口
支持多種IEC1131語言包括LAD、FBD、SFC、ST和C語言
熱備系統(tǒng)軟件MAX-ON
利用熱備軟件MAX-ON對(duì)S90-30系統(tǒng)進(jìn)行配置后，導(dǎo)入ME中即可實(shí)現(xiàn)控制器之間的同步和數(shù)據(jù)交換。相對(duì)于西門子的S7-300軟冗余，該系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單、無須編程、數(shù)據(jù)交換效率更高、穩(wěn)定性更好、有嚴(yán)格的授權(quán)要求。
上位機(jī)軟件為Proficy Cimplicy HMI
CIMPLICITY HMI主要有以下幾點(diǎn)特性：
CIMPLICITY HMI包括CimEdit和CimView兩大組件。使用CimEdit功能可以非常方便的進(jìn)行屏幕編輯；CimView作為顯示功能使用。
在HMI中可導(dǎo)入OLE和ActiveX對(duì)象，例如趨勢(shì)、SPC圖表及報(bào)警瀏覽器等內(nèi)容。
由于采用了開放式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫登錄使用了標(biāo)準(zhǔn)ODBC接口。例如將報(bào)警、事件、與數(shù)據(jù)點(diǎn)值登錄到Microsoft Access數(shù)據(jù)庫文件、Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫或Oracle數(shù)據(jù)庫中去。可以從報(bào)表和各種符合ODBC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序中檢索數(shù)據(jù)庫信息。
支持VB腳本進(jìn)行基本的功能控制。
利用Microsoft C/C++和Microsoft Developers Studio可生成新設(shè)備通訊接口，利用該接口訪問第三方設(shè)備。
支持OPC，包括OPC客戶機(jī)和OPC服務(wù)器。
含有報(bào)表管理器，很容易生成基本的過程報(bào)表。
支持客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)和服務(wù)器冗余功能。
支持Web Server和Web View功能。
對(duì)于本套控制系統(tǒng)而言，最具有價(jià)值的是全面的應(yīng)用了GE Fanuc Proficy系列軟件。這樣，在S90-30熱備系統(tǒng)與工程師站或操作員站之間實(shí)現(xiàn)了的無縫高效的結(jié)合，無須利用腳本工具進(jìn)行冗余通訊等額外的編程，這是使用第三方軟件難以實(shí)現(xiàn)的。CIMPLICI