高長(zhǎng)水，徐浩洋，戴必柱，劉 壯

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016) (2.無(wú)錫博伊特科技股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214174) (3.南京航空航天大學(xué)無(wú)錫研究院，江蘇 無(wú)錫 214174)

對(duì)于一些重要的旋轉(zhuǎn)裝置，如流程泵、攪拌釜、透平等設(shè)備，其工況特點(diǎn)往往是高溫、高壓、劇毒、易燃易爆。上述旋轉(zhuǎn)設(shè)備的機(jī)械密封系統(tǒng)一旦在運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)生問(wèn)題，將會(huì)帶來(lái)重大的安全隱患和極大的經(jīng)濟(jì)損失。為了延長(zhǎng)密封裝置的壽命，降低其故障率，需要為其配置輔助沖洗系統(tǒng)。油站是輔助沖洗系統(tǒng)的主要組成部分，其作用是為機(jī)械密封裝置提供清潔且壓力穩(wěn)定的沖洗液。沖洗液通過(guò)不斷的循環(huán)不僅可以降低密封腔的溫度，還可以帶走密封腔中的雜質(zhì)，改善密封裝置動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的摩擦特性，從而保證旋轉(zhuǎn)設(shè)備的長(zhǎng)期正常運(yùn)行[1-2]。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)節(jié)油站的運(yùn)行狀態(tài)就顯得十分重要。

目前，市面上常見(jiàn)的機(jī)械密封沖洗油站往往采用機(jī)械或者數(shù)字式儀表來(lái)監(jiān)測(cè)油站的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，油站的流量控制通過(guò)手動(dòng)控制閥門(mén)開(kāi)度的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，效率低下、精度不高。隨著工廠向智能化方向發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)沖洗油站設(shè)備自動(dòng)化、智能化運(yùn)行的需求越來(lái)越迫切[3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

API Plan 54是美國(guó)石油協(xié)會(huì)于2014年發(fā)布的一種沖洗方案，其主要零部件包括泵機(jī)、油箱、換熱器、過(guò)濾器、各類閥門(mén)以及復(fù)雜的沖洗管路等。API Plan 54沖洗系統(tǒng)的換熱器、泵機(jī)、過(guò)濾器等主要零部件都采用一主一備的設(shè)置方式，當(dāng)設(shè)備的沖洗參數(shù)達(dá)不到系統(tǒng)要求時(shí)，則啟動(dòng)相應(yīng)的備用部件，確保整套系統(tǒng)不間斷工作。

筆者針對(duì)油站的實(shí)際應(yīng)用工況，在詳細(xì)分析其硬件組成、技術(shù)指標(biāo)以及API Plan 54沖洗方案工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)功能以及各種類型的信號(hào)進(jìn)行了總結(jié)與歸類，采用模塊化、高精度、經(jīng)濟(jì)性的思想設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體控制方案。方案框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油站智能控制系統(tǒng)總體框架

考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求以及當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，決定對(duì)油站智能控制系統(tǒng)采用基于計(jì)算機(jī)以及可編程邏輯控制器(PLC)為核心控制系統(tǒng)的解決方案。這種控制模式屬于典型的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))[4]，通過(guò)上位機(jī)和下位機(jī)這種系統(tǒng)架構(gòu)(其中PLC作為下位機(jī)，PC端客戶端作為上位機(jī))來(lái)對(duì)各種設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析與控制。PLC用于實(shí)現(xiàn)基本的信號(hào)采集、設(shè)備控制以及報(bào)警處理等功能，并且作為信號(hào)與計(jì)算機(jī)之間信息傳遞的中間環(huán)節(jié)，較復(fù)雜的控制算法和邏輯判斷在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中具體實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通訊，其中下位機(jī)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過(guò)OPC協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，PLC與觸摸屏的通訊采用TCP協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化[5]。

1.2 硬件設(shè)計(jì)方案

油站是機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)的主要裝置，油站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要嚴(yán)格按照系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求進(jìn)行。油站智能監(jiān)控系統(tǒng)主要包含溫度傳感器、溫度數(shù)顯儀、壓力變送器、壓差變送器、液位變送器、流量變送器、PLC、變頻器、泵機(jī)、壓力調(diào)節(jié)閥等。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

油站智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件框架按照功能劃分也主要分為4個(gè)模塊，分別為系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)采集模塊、參數(shù)處理與傳輸模塊、動(dòng)作執(zhí)行模塊、遠(yuǎn)程及本地控制模塊。油站智能監(jiān)控系統(tǒng)較復(fù)雜，PLC所需的輸入輸出點(diǎn)位較多，需根據(jù)系統(tǒng)的要求同時(shí)結(jié)合PLC的模塊數(shù)量要求，選擇合適的PLC型號(hào)，經(jīng)綜合分析，西門(mén)子S7-1200 PLC滿足應(yīng)用要求。

圖2 油站智能監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)方案

上位機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)的處理和記錄等功能。軟件部分將采用模塊的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)分為3個(gè)層面，分別為界面層、功能模塊層以及數(shù)據(jù)傳輸層。軟件必須具備響應(yīng)速度快、維護(hù)簡(jiǎn)單、易于操作、界面簡(jiǎn)潔明了的特點(diǎn)。具體的實(shí)現(xiàn)框架如圖3所示。

圖3 軟件總體框架圖

界面層屬于軟件架構(gòu)的頂層，其主要功能是完成系統(tǒng)與操作人員之間的信息及指令交互，由控制界面、監(jiān)視界面、數(shù)據(jù)記錄界面、數(shù)據(jù)處理界面4個(gè)部分組成。控制界面主要完成操作人員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制操作，監(jiān)視界面匯集了系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)及預(yù)警信息，數(shù)據(jù)記錄界面完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的記錄，數(shù)據(jù)處理界面可以將系統(tǒng)的參數(shù)以更直觀的方式呈現(xiàn)出來(lái)。

功能模塊層是軟件框架的中間層，實(shí)現(xiàn)各模塊的具體功能，包括關(guān)聯(lián)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、指令輸出模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊共6個(gè)部分。關(guān)聯(lián)模塊主要完成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與PLC的連接功能；通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊完成上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的采集讀取功能；指令輸出模塊主要完成上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)PLC的指令寫(xiě)入功能，進(jìn)而控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊主要完成遠(yuǎn)程系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視以及動(dòng)作控制；上位機(jī)系統(tǒng)讀取到參數(shù)之后通過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊將數(shù)據(jù)以更直觀的方式呈現(xiàn)出來(lái)；數(shù)據(jù)記錄模塊主要完成上位機(jī)系統(tǒng)與Excel表格的數(shù)據(jù)交互，將系統(tǒng)參數(shù)記錄并保存在表格當(dāng)中。

數(shù)據(jù)傳輸層是軟件總體框架的底層，主要完成數(shù)據(jù)傳輸功能，上位機(jī)與下位機(jī)采用以太網(wǎng)通訊方式，協(xié)議層采用OPC通訊協(xié)議，物理層連線采用雙絞線。

2 系統(tǒng)硬件及軟件算法實(shí)現(xiàn)

由于油站系統(tǒng)較復(fù)雜，因此其監(jiān)控系統(tǒng)也相對(duì)比較復(fù)雜。因?yàn)橛驼玖髁?、溫度等參?shù)的控制要求較高，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)需采用合理的計(jì)算方法。本文僅對(duì)油泵機(jī)組等關(guān)鍵設(shè)備的參數(shù)計(jì)算作說(shuō)明。

2.1 沖洗流量

沖洗流量是根據(jù)能量守恒定理來(lái)確定的，即機(jī)械密封摩擦產(chǎn)生的熱量應(yīng)該等于沖洗液帶走的熱量，這樣密封腔才能保持溫度穩(wěn)定。

密封腔產(chǎn)生的熱量Q1主要是由動(dòng)靜環(huán)之間的摩擦產(chǎn)生的，可根據(jù)式(1)計(jì)算：

Q1=ξpvS

(1)

式中：p為端面比載荷，Pa；ξ為端面摩擦系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，ξ一般取0.05～0.12；S為摩擦面接觸面積，m2；v為線速度，m/s。

沖洗液帶走的熱量Q2與沖洗介質(zhì)的比熱容、溫升等參數(shù)有關(guān)，可根據(jù)式(2)計(jì)算：

Q2=ρCΔtQV

(2)

式中：ρ為沖洗介質(zhì)的密度，kg/m3；C為沖洗介質(zhì)比熱容，J/(kg·K)；Δt為沖洗介質(zhì)溫升，K；QV為沖洗流量，m3/s。

由式(1)和式(2)可知，沖洗流量QV的計(jì)算公式為：

(3)

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，因?yàn)楦鲄?shù)的選取過(guò)程較復(fù)雜，所以通常也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)確定沖洗速度，沖洗流量的大小可根據(jù)密封軸的直徑以及沖洗介質(zhì)來(lái)確定，一般水泵機(jī)械密封的沖洗流量見(jiàn)表1。

表1 水泵機(jī)械密封的沖洗流量

2.2 變頻器選型設(shè)計(jì)

油站供油動(dòng)力系統(tǒng)采用PLC—變頻器—電機(jī)—油泵的驅(qū)動(dòng)模式，即PLC通過(guò)總線通訊將設(shè)置的電機(jī)頻率發(fā)送給變頻器，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。

根據(jù)式(4)可知三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與三相電的頻率f1、極對(duì)數(shù)p以及轉(zhuǎn)差率S1的關(guān)系，通過(guò)改變電源的輸入頻率即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。

(4)

由螺桿泵特性可知，螺桿泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)沖洗回路所需要的沖洗流量減小時(shí)，可以通過(guò)減小螺桿泵的轉(zhuǎn)速來(lái)節(jié)省能源、降低能耗。但是因?yàn)楸谜疽３殖隹诘膲毫Ψ€(wěn)定，所以在電機(jī)改變轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，其轉(zhuǎn)矩需要保持恒定即要求恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。以下將分析水泵機(jī)組如何利用變頻器實(shí)現(xiàn)泵機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速功能。

式(5)是三相異步電機(jī)的定子電動(dòng)勢(shì)方程。

Us≈Es=4.44f1NsKsΦ

(5)

式中：Us為外加電源電壓；Es為定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Ns為定子每相繞組匝數(shù)；Ks為定子的繞組系數(shù)；Φ為通過(guò)每相繞組的磁通最大值。

在電機(jī)的變頻調(diào)速中，一般保持磁通Φ為額定值不變。若Φ增大，會(huì)導(dǎo)致磁路過(guò)飽和，進(jìn)而導(dǎo)致勵(lì)磁電流急劇上升、鐵損增加，功率因素隨之降低；若Φ減小，則電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小，電機(jī)的效能得不到有效的發(fā)揮，帶來(lái)資源浪費(fèi)[7]。為了在頻率改變的過(guò)程中保持磁通不變，由式(5)可知，為保持Us/f1的值不變，電機(jī)的輸入電動(dòng)勢(shì)需要隨頻率的改變而改變。

對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，若能保持Us/f1的值不變，即可保證電機(jī)的過(guò)載能力相同。對(duì)于三相異步電機(jī)而言，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tm為：

(6)

式中：pn為極對(duì)數(shù)；Rs為定子每相電阻；Ls,Lr為定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感。

由于定子的電阻很小，當(dāng)電機(jī)的頻率較大時(shí)，Ls+Lr?Rs，因而可以忽略定子電阻，將ω1=2πf1代入式(4)，化簡(jiǎn)得到式(7)：

(7)

式中：C為常數(shù)。將Tm=KTN代入式(5)得到：

(8)

式中：TN為額定轉(zhuǎn)矩；K為過(guò)載系數(shù)。通過(guò)等比例變化得到：

(9)

(10)

即要保持電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速滿足泵站的應(yīng)用需求，保持油站出口沖洗液壓力的穩(wěn)定，需要保持電機(jī)定子線圈的Us/f1為定值。譬如，當(dāng)回路的沖洗流量需求減小時(shí)，電機(jī)的頻率由工頻減小到40 Hz，則電壓相應(yīng)的由380 V減小到304 V。

根據(jù)以上分析，并結(jié)合變頻器與PLC的總線通訊等適配性、電機(jī)的功率等因素，最終確定選用歐陸電氣EV100型變頻器，變頻器選型配置見(jiàn)表2。需要強(qiáng)調(diào)的是變頻器選型需要留有一定的裕度，否則變頻器工作過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)等異常工況，影響設(shè)備的運(yùn)行。一般情況下變頻器的額定功率要大于負(fù)載電機(jī)額定功率的20%以上，即變頻器功率需大于13.2 kW。

表2 變頻器選型配置表

3 油站穩(wěn)壓控制精度試驗(yàn)分析及自動(dòng)運(yùn)行功能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 穩(wěn)壓系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了保證泵站出口壓力能夠保持穩(wěn)定并達(dá)到設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求，本文在泵站的管路系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了由溢流閥以及減壓閥組成的二級(jí)穩(wěn)壓系統(tǒng)。溢流閥在泵站系統(tǒng)中作為一級(jí)穩(wěn)壓裝置，當(dāng)閥前壓力高于設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟進(jìn)行泄壓。作為二級(jí)穩(wěn)壓裝置的減壓閥利用介質(zhì)本身的壓力控制其出口的壓力，當(dāng)出口壓力改變時(shí)，減壓閥能夠在彈簧力以及介質(zhì)壓力的平衡作用下迅速調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定出口壓力的作用，使出口的壓力等于設(shè)定值。系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。

圖4 泵站二級(jí)穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 自動(dòng)運(yùn)行功能試驗(yàn)及結(jié)果分析

1)試驗(yàn)方案。

為了避免水泵機(jī)組出現(xiàn)異常工況導(dǎo)致回路的沖洗壓力不足的工況產(chǎn)生，要求上位機(jī)在檢測(cè)到回路壓力低于回路設(shè)定的最低臨界壓力時(shí)，泵站主動(dòng)泵與備用泵能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換。在本次功能試驗(yàn)中，設(shè)置了2種實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的工況：

①當(dāng)回路壓力因?yàn)橹鲃?dòng)泵停機(jī)故障使回路壓力驟然減小，低于系統(tǒng)設(shè)定的最低壓力時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟用備用泵，試驗(yàn)時(shí)采用對(duì)主動(dòng)泵斷電來(lái)模擬此工況；

②當(dāng)回路壓力因?yàn)橹鲃?dòng)泵電壓不穩(wěn)或泵內(nèi)組件損壞等原因造成回路壓力逐漸減小，并且壓力減小到系統(tǒng)設(shè)定的最低臨界壓力時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)啟用備用泵，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)逐漸開(kāi)啟并增大回油閥的開(kāi)度來(lái)模擬此工況。

試驗(yàn)中由于電機(jī)切換速度較快，將壓力數(shù)據(jù)采集頻率由原來(lái)的每秒鐘1次提高到每秒鐘20次，將泵出口的最低臨界壓力設(shè)置為1.2 MPa。

2)試驗(yàn)結(jié)果分析。

試驗(yàn)結(jié)果如圖5,6所示。由圖可知，在2種工況下備用泵皆能夠成功啟動(dòng),且備用泵啟動(dòng)后，回路的壓力逐漸恢復(fù)到正常值，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖5 工況1實(shí)驗(yàn)壓力曲線 圖6 工況2實(shí)驗(yàn)壓力曲線

在工況1中，因?yàn)橹鲃?dòng)泵瞬間斷電，泵出口瞬間失壓，所以壓力曲線出現(xiàn)直線下跌的情況；減壓閥出口壓力也出現(xiàn)小幅度下降，經(jīng)計(jì)算，壓力減小幅度在10%以內(nèi)。由于減壓閥、過(guò)濾器、換熱器等裝置有一定的阻力從而起到相對(duì)保壓的作用，因此減壓閥出口的壓力震蕩的幅度遠(yuǎn)小于泵出口壓力震蕩的幅度。

在工況2中，隨著回油閥開(kāi)度的逐漸增大，泵出口的壓力變送器檢測(cè)到的壓力逐漸減小，當(dāng)壓力小于1.2 MPa時(shí)，主動(dòng)泵停止工作，備用泵啟動(dòng)，泵的出口壓力逐漸恢復(fù)正常。在泵出口壓力減小的過(guò)程中，系統(tǒng)的輸出壓力即減壓閥的出口壓力會(huì)有較大幅度的波動(dòng)，經(jīng)計(jì)算，在試驗(yàn)條件下波動(dòng)的范圍超過(guò)5%。

3)切換模式優(yōu)化。

分析工況2試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，2臺(tái)泵在切換過(guò)程中，由于水泵機(jī)組從啟動(dòng)到正常運(yùn)行需要一定時(shí)間，因此減壓閥出口壓力會(huì)有幅度較大的抖動(dòng)，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

為避免在工況2下，2臺(tái)水泵切換過(guò)程中減壓閥出口出現(xiàn)較大幅度的抖動(dòng)，水泵切換運(yùn)行時(shí)，需將主動(dòng)泵由瞬間停機(jī)模式改成與備用泵共同運(yùn)行一段時(shí)間后再停機(jī)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，將切換備用泵時(shí)主動(dòng)泵持續(xù)運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為8 s后，重新進(jìn)行工況2的試驗(yàn)，試驗(yàn)所得曲線如圖7所示。

圖7 工況1參數(shù)修正實(shí)驗(yàn)壓力曲線

參數(shù)修改之后，由壓力2曲線的變化過(guò)程可知，減壓閥出口壓力在切換過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定，震蕩基本消失，優(yōu)化方案有效可行。經(jīng)計(jì)算，在試驗(yàn)條件下，切換過(guò)程中減壓閥出口壓力的波動(dòng)范圍小于±5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了基于API Plan54沖洗方案的油站智能檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，意義在于實(shí)現(xiàn)油站的無(wú)人化運(yùn)行，并能夠在遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)穩(wěn)壓系統(tǒng)軟件及硬件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)回路壓力以及流量值等參數(shù)的精確控制。

智能化、高精度的機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)需要持續(xù)研究與優(yōu)化的任務(wù)，目前仍存在一些問(wèn)題需要進(jìn)行更深層次的研究和更好的解決方案。未來(lái)隨著AI技術(shù)的發(fā)展，工廠智能化水平的逐漸提高，信息處理量的逐漸加大，市場(chǎng)必然對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)解決方案的開(kāi)放性、可擴(kuò)展性、適應(yīng)性等方面提出更高的要求。對(duì)工業(yè)自動(dòng)化、智能化的優(yōu)化任重而道遠(yuǎn)，需要更多的智力資源持續(xù)投入[8]。