Control System Built with B＆R PCC for Helium Recovery Equipment

馮欣宇1何　智1　　楊家濤2(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所1，安徽合肥　230000;安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司2，安徽合肥　230088)

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貝加萊PCC構(gòu)建氦氣回收設(shè)備控制系統(tǒng)

第一作者馮欣宇(1982－)，男，現(xiàn)為太原理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生，工程師;主要從事低溫泵及氦壓縮機(jī)控制器的研發(fā)工作。

0　引言

氦氣在我國(guó)屬稀缺資源，被廣泛應(yīng)用于軍工、科研、制冷和管道檢漏等諸多領(lǐng)域。在戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略空中預(yù)警、空中運(yùn)輸、反水面戰(zhàn)、地雷探測(cè)以及指揮偵察和通信信息平臺(tái)等方面，系留氣球和飛艇極具軍用潛力，是保衛(wèi)國(guó)土安全和滿足軍方偵察通信需求的理想浮空平臺(tái)。面對(duì)現(xiàn)代系留氣球和飛艇的巨大軍用潛力，我國(guó)近年來(lái)在系留氣球和飛艇研究上取得了重大技術(shù)突破［1］。

系留氣球所用的浮空介質(zhì)為氦氣，在使用中由于滲漏等原因，氦氣純度會(huì)逐漸降低，雜質(zhì)氣體逐漸增多，導(dǎo)致系留氣球的承載能力下降。如一個(gè)容積為10 000 m3的浮空器，其氦氣純度每下降l%時(shí)，舉升力約下降11l kg。如下降5%，浮力約降低555 kg，導(dǎo)致浮空器達(dá)不到原有的設(shè)計(jì)浮空高度，因此需要對(duì)其中的氦氣進(jìn)行純化處理，以提升浮力［2］。

目前高純氦氣主要依靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)價(jià)格約為330元/m3。使用后的氦氣由于其純度降低或難以回收，往往直接排放到大氣中，造成資源的極大浪費(fèi)。使用氦氣回收－純化系統(tǒng)，在大容積、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工況下，將純度降低后的氦氣回收，經(jīng)過(guò)純化使其純度最高可達(dá)到99%以上，可大幅降低購(gòu)買高純氦氣的開(kāi)支，對(duì)于貧氦國(guó)，能有效提高氦氣循環(huán)利用率，具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1　氦氣回收設(shè)備技術(shù)指標(biāo)及工作原理

氦氣回收設(shè)備由氦氣壓縮機(jī)、冷卻裝置、控制裝置、凈化裝置組成。要求氦氣回收速度≥600 Nm3/h;氦氣回收率≥95%;回收后氦氣露點(diǎn)≤－50℃;回收后氦氣含油量≤0.1 mg/m3;排氣壓力≥20 MPa。圖1為氦氣回收設(shè)備組成框圖。

圖1　氦氣回收系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition diagram of the Helium recovery system

常壓氦氣經(jīng)過(guò)氦氣壓縮機(jī)后，進(jìn)入凈化裝置除去水分，然后由氦氣出氣口進(jìn)入下游設(shè)備(集裝管束或氦氣純化設(shè)備)。氦氣壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)需要冷卻裝置對(duì)氦氣壓縮機(jī)的各級(jí)氣缸進(jìn)行冷卻，冷卻方式為循環(huán)水冷卻，當(dāng)循環(huán)水的壓力和溫度達(dá)到正常工況時(shí)，才能開(kāi)啟氦氣壓縮機(jī)。控制裝置提供整個(gè)系統(tǒng)的控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能。

氦氣壓縮機(jī)是氦氣回收設(shè)備的關(guān)鍵部件。氦氣壓縮機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)主機(jī)、注油器、精密過(guò)濾器等組成［3］。電動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直聯(lián)，給壓縮機(jī)提供動(dòng)力。壓縮機(jī)主機(jī)包括壓縮機(jī)主體、冷卻器、分離器及管路，對(duì)回收氣體進(jìn)行增壓。注油器和壓縮機(jī)齒輪共同作用，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行注油，對(duì)壓縮機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣缸進(jìn)行潤(rùn)滑。精密過(guò)濾器對(duì)壓縮后的氣體進(jìn)行過(guò)濾和干燥，以得到質(zhì)量合格的氣體。常壓氦氣經(jīng)過(guò)進(jìn)氣緩沖罐，由壓縮機(jī)一級(jí)吸氣閥吸入，在一級(jí)氣缸中進(jìn)行壓縮，壓縮后的氣體由一級(jí)排氣閥排出，再進(jìn)入一級(jí)冷卻分離器進(jìn)行冷卻、分離。分離后的氣體經(jīng)管路被二級(jí)吸氣閥吸入，經(jīng)二級(jí)氣缸壓縮后由二級(jí)排氣閥排出，依次冷卻、分離。按此步驟進(jìn)行五級(jí)壓縮、冷卻、分離，最后經(jīng)止回閥排出供下游設(shè)備使用。

冷卻裝置主要由兩套制冷系統(tǒng)和一套供回液系統(tǒng)組成。制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液器、干燥過(guò)濾器、電磁閥、膨脹閥、板式換熱器［4］、常規(guī)換熱器等組成;供回液系統(tǒng)主要由水泵、水箱、電加熱器、水過(guò)濾器、流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、旁通閥等組成。額定制冷量≥110 kW;額定供液流量≥15 m3/h;額定供液溫度≤25℃(回液溫度≤32℃);額定供液壓強(qiáng)為0.2～0.4 MPa。

凈化裝置由兩組干燥器組成，工作一定時(shí)間后需對(duì)干燥器進(jìn)行活化抽空處理。凈化裝置工作時(shí)，蓄氣瓶里的吸附劑將壓縮機(jī)出口氦氣中的水分吸除，所以每隔一段時(shí)間需要將吸附劑吸附的氣體排出。排出的流程就是活化抽空處理。具體方法是利用機(jī)械泵將吸附劑里的氣體抽出。抽空時(shí)提高蓄氣瓶的溫度可以加快抽空速度，加熱溫度可控制在100℃左右。

2　貝加萊PCC介紹

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化有限公司(B＆R)總部位于奧地利，1979年由Erwin Bernecker和Josef Rainer共同創(chuàng)建。其核心產(chǎn)品是可編程計(jì)算機(jī)控制器(programmable computer controller，PCC)。PCC綜合了PLC和工業(yè)PC兩者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如前者的高可靠性和定時(shí)時(shí)鐘，后者的多任務(wù)運(yùn)行、高速運(yùn)算能力、良好的擴(kuò)展性和開(kāi)放的通信等。PCC具有極高的可靠性，平均無(wú)故障時(shí)間MTBF達(dá)到50萬(wàn)h(相當(dāng)于57年)以上，明顯高于一般的PLC和IPC，屬于免維護(hù)產(chǎn)品。PCC具有更強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力、網(wǎng)絡(luò)通信能力、抗干擾能力和控制能力。PCC可以使用ANSI C和Automation Basic高級(jí)編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能和過(guò)程控制算法。本系統(tǒng)采用X20 PCC作為控制器，其特點(diǎn)如下。

(1)使用Intel X86處理器技術(shù)，集成獨(dú)立的I/O處理器;主板集成Ethernet TCP/IP、Ethernet Powerlink、USB多種通信接口;使用移動(dòng)存儲(chǔ)CF卡;具有標(biāo)準(zhǔn)型、緊湊型、總線型3種CPU類型以適應(yīng)不同的需求場(chǎng)合。

(2)具有3合1的模塊式結(jié)構(gòu)，配有通用端子、底板模塊，并支持預(yù)接線操作與熱插拔。

(3)支持分布式I/O，站點(diǎn)間最大間距為100 m，并可擴(kuò)展至253個(gè)站點(diǎn)。數(shù)據(jù)刷新周期可達(dá)100 μs，且遠(yuǎn)程與本地?cái)?shù)據(jù)刷新周期相同。

(4)具有開(kāi)放的總線通信，Master或Slave模式。兼容主流現(xiàn)場(chǎng)總線: Ethernet Powerlink、CANopen、Profibus/Profinet、DeviceNet、EtherNet/IP、Modbus－IDA;兼容第三方PLC CPU。

X20 PCC在小型機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用如圖2所示。采用Power Panel作為顯示單元，采用高性價(jià)比的X20緊湊型作為主控系統(tǒng)，直接連接X(jué)20 I/O，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用ACOPOS/ACOPOSmulti，適合小型機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用。

圖2　X20 PCC在小型機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用示意圖Fig.2 Application of PCC X20 in small mechanical equipment

3　氦氣回收設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由1臺(tái)配電柜與1臺(tái)控制柜組成。配電柜完成整個(gè)系統(tǒng)的配電功能，電源使用三相五線［5］380 V交流動(dòng)力電，總功率180 kW。由于氦壓縮機(jī)直接啟動(dòng)具有很大的啟動(dòng)電流，所以配置了ABB的軟啟動(dòng)器［6］。系統(tǒng)使用PSTB智能型軟啟動(dòng)器，其中對(duì)于電機(jī)的保護(hù)有:集成電子過(guò)載繼電器、相監(jiān)測(cè)繼電器采用以及大電流和PTC的保護(hù)。對(duì)于軟啟動(dòng)器的保護(hù)采用先進(jìn)的可控硅保護(hù)，具有可編程信號(hào)繼電器，方便預(yù)設(shè)報(bào)警信號(hào)并處理故障。系統(tǒng)具有力矩控制功能，可使電動(dòng)機(jī)得到更加線性的加速或減速過(guò)程。

電控柜用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氦氣壓縮機(jī)、冷水機(jī)和干燥裝置的控制。圖3為系統(tǒng)電氣控制框圖。系統(tǒng)控制單元采用加固型PCC和觸摸屏［7］。PCC由控制器、數(shù)字量、模擬量和通信等模塊組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。觸摸屏用來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)錄入、控制操作等功能。系統(tǒng)同時(shí)提供全手動(dòng)按鈕操作，觸摸屏出現(xiàn)異常的情況下，可以通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟動(dòng)和停止。2臺(tái)完全一致的控制單元通過(guò)CAN總線互相通信［8］，實(shí)現(xiàn)控制單元的一主一備或同時(shí)運(yùn)行。

圖3　系統(tǒng)電氣控制框圖Fig.3　System electrical control diagram

系統(tǒng)主要的控制量、模擬量輸入、數(shù)字量輸入如表1所示。

表1　控制系統(tǒng)主要控制和監(jiān)測(cè)參數(shù)Tab.1 Main control and monitoring parameters of the control system

為確保回收設(shè)備安全運(yùn)行，各種參數(shù)設(shè)定和保護(hù)功能的設(shè)計(jì)是必不可少的。氦壓縮機(jī)運(yùn)行中，進(jìn)氣壓力低時(shí)，機(jī)組報(bào)警;潤(rùn)滑油位低時(shí)，機(jī)組報(bào)警并停機(jī)。壓縮機(jī)正常運(yùn)行中，當(dāng)末級(jí)排氣壓力高于上限設(shè)定值、潤(rùn)滑油壓力和冷卻水壓力低于下限設(shè)定值、一到五級(jí)任何一級(jí)排氣溫度高于上限設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)均自動(dòng)停機(jī)和報(bào)警。

4　程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的邏輯控制和觸摸屏編程通過(guò)Automation Studio編程環(huán)境完成，它包含了控制器、運(yùn)動(dòng)控制和可視化等部分。用戶可以在多種編程語(yǔ)言、診斷工具和編程器中選擇，以最大效率來(lái)創(chuàng)建和管理項(xiàng)目;還可以使用B＆R提供的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和系統(tǒng)中集成的IEC編程語(yǔ)言，使工作流程更為高效。Automation Runtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是Automation Studio中重要的組成部分，能夠在精確的時(shí)間內(nèi)快速重復(fù)執(zhí)行應(yīng)用程序。其允許配置優(yōu)先級(jí)和時(shí)間等級(jí)、容忍時(shí)間，具有8個(gè)不同的時(shí)間等級(jí)，任意數(shù)量的程序，并集成FTP、Web、VNC服務(wù)器［9］。

本設(shè)計(jì)的編程使用結(jié)構(gòu)文本(structure text，ST)語(yǔ)言完成。ST語(yǔ)言具有高級(jí)文本編程、結(jié)構(gòu)化的編程、簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、快速高效的編程、使用直觀靈活等特點(diǎn)。

與PASCAL類似，有計(jì)算機(jī)編程經(jīng)驗(yàn)的人可以很容易使用ST語(yǔ)言。以下是一段調(diào)用功能塊定時(shí)器的ST語(yǔ)言:。

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的使用，貝加萊PCC可以在溫度、濕度、鹽霧、振動(dòng)等較惡劣環(huán)境中穩(wěn)定、安全地工作。系統(tǒng)配置、編程、調(diào)試和在線診斷功能完善，支持不同總線及模塊擴(kuò)展，支持多種編程語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)高效的編程操作。其高可靠性、靈活性、易用性，對(duì)縮短項(xiàng)目施工周期有很大幫助。

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Control System Built with B＆R PCC for Helium Recovery Equipment

馮欣宇1何智1楊家濤2
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所1，安徽合肥230000;安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司2，安徽合肥230088)

摘要:國(guó)產(chǎn)氦氣在線回收和純化設(shè)備已成功應(yīng)用于光纖制造及大型浮空器工程。針對(duì)氦氣工業(yè)化及國(guó)防需要的特殊應(yīng)用環(huán)境，分析了設(shè)備的工作流程與電氣特點(diǎn)，選用具有高可靠性及三防性能的電氣元件，提出了以高可靠性可編程計(jì)算機(jī)控制器為核心的電氣系統(tǒng)控制方案。專項(xiàng)試驗(yàn)及長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試證明，該系統(tǒng)可以使氦氣在線回收設(shè)備高效、安全、可靠地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:PCC高可靠性氦氣回收制冷控制系統(tǒng)PLC ST語(yǔ)言CAN總線

Abstract:Homemade Helium online recovery and purification equipment has been successfully applied in the optical fiber manufacturing and large aerostat engineering.In view of the special application environment of the Helium industrialization and the need for national defense，the work flow and the electrical characteristics of the equipment are analyzed.The electrical system control scheme is proposed，in which the high reliability programmable computer controller (PCC)is used as the core，and the highly reliable electrical components with Tri－proof property are selected.Through the special tests and long－running tests，the conclusion can be drawn that the system can make Helium online recycling equipment operate efficiently，safely and reliably.

Keywords:PCCHigh reliability Helium recovery Refrigeration control systemPLCST language CAN bus

中圖分類號(hào):TH－3; TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603010

修改稿收到日期:2015－10－31。