周 政

（中石化股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210033）

0 引 言

中石化股份有限公司金陵分公司（簡稱金陵石化）煤化工項(xiàng)目氣化裝置采用德士古水煤漿加壓氣化工藝，以煤和石油焦為原料制漿，煤漿通過高壓煤漿泵輸送至氣化爐燒嘴，與空分裝置送來的氧氣一起噴入氣化爐內(nèi)進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，生產(chǎn)以CO、H2為主要成分的粗煤氣（原設(shè)計(jì)下游配套合成氨裝置，后下游改為配套煤制氫裝置）。其中，3臺高壓煤漿泵（簡稱A泵、B泵、C泵）與3臺氣化爐（氣化爐兩開一備）為一一對應(yīng)關(guān)系，高壓煤漿泵互不備用，故其運(yùn)行狀況是否良好對氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

針對高壓煤漿泵電氣控制系統(tǒng)存在的一些問題，金陵石化于2018年氣化裝置大修期間對B泵電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在本次改進(jìn)成功的基礎(chǔ)上，于2020年氣化裝置大修期間對A泵、C泵進(jìn)行了同樣的改進(jìn)：電氣控制柜內(nèi)采用西門子S7-200SMART控制器替代大量的中間繼電器及時(shí)間繼電器，并增加人機(jī)界面，變頻器更換為具有中文界面帶矢量控制的ACS880系列變頻器。改進(jìn)后，從根本上消除了設(shè)備方面的隱患，保障了高壓煤漿泵及氣化裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，并給高壓煤漿泵巡檢操作及維修帶來了便利。以下對有關(guān)情況作一簡介。

1 高壓煤漿泵電氣控制系統(tǒng)問題及原因分析

金陵石化高壓煤漿泵于2005年投用。高壓煤漿泵主電機(jī)為進(jìn)口ABB電機(jī)、功率250 kW，主電機(jī)采用ACS800變頻器帶調(diào)速控制，油泵電機(jī)采用接觸器控制，現(xiàn)場控制柜內(nèi)信號轉(zhuǎn)換和傳遞采用大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，現(xiàn)場操作柱及配電室控制柜均可實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的啟?？刂疲h(yuǎn)程DCS可實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的急?？刂疲冾l器柜電源及控制柜電源均為380 V市電，正常操作為現(xiàn)場操作柱就地啟動、遠(yuǎn)程DCS停止，電機(jī)運(yùn)行信號、電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流數(shù)值送中控DCS顯示并參與儀表聯(lián)鎖。改進(jìn)前，高壓煤漿泵電氣控制系統(tǒng)存在的問題及原因分析如下。

1.1 電氣隱患較多

由于信號的轉(zhuǎn)換采用大量的中間繼電器控制及時(shí)間繼電器延時(shí)，而繼電器的動作是有使用次數(shù)限制的，加上制漿區(qū)域環(huán)境因素的影響，繼電器故障率較高；為預(yù)防電網(wǎng)晃電對變頻器的影響，在使用過程中對電氣控制柜內(nèi)的部分中間繼電器增加了時(shí)間延時(shí)，采用的空氣延時(shí)頭時(shí)間繼電器需定期更換，曾出現(xiàn)過未及時(shí)更換而造成電網(wǎng)晃電時(shí)時(shí)延不夠致高壓煤漿泵停機(jī)的情況；因采用的中間繼電器及時(shí)間繼電器較多，柜內(nèi)接線復(fù)雜，查找故障費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)。

1.2 變頻器出現(xiàn)不明原因跳停

變頻器在正常運(yùn)行過程中出現(xiàn)跳停情況，現(xiàn)場檢查又未發(fā)現(xiàn)問題，啟動設(shè)備能夠正常運(yùn)行，無法判斷是電氣故障還是儀表故障，亦或是信號干擾還是人為誤操作，變頻器及DCS均無記錄；故障處理時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)電工與儀表工互相扯皮的現(xiàn)象，為快速恢復(fù)生產(chǎn)，往往是先讓氣化爐運(yùn)行起來，再根據(jù)儀表的SOE記錄來分析故障的可能原因，因設(shè)備已處于在運(yùn)狀態(tài)，電氣方面原因無法進(jìn)一步檢查，往往無法得出正確的結(jié)論。電氣方面，缺少形如儀表SOE記錄，對于與電氣控制系統(tǒng)有聯(lián)系的外部信號無記錄，這給迅速判斷故障原因造成困難，而現(xiàn)實(shí)要求是必須盡快找到高壓煤漿泵的故障原因并予以處理。

1.3 變頻器抗電網(wǎng)晃電能力差

電網(wǎng)出現(xiàn)短暫晃電時(shí)，易導(dǎo)致變頻器無故障跳停，對氣化裝置的運(yùn)行造成很大影響。與接觸器及中間繼電器直接控制電機(jī)相比，變頻器對電網(wǎng)電壓波動更為敏感，對于低壓交流380 V供電系統(tǒng)，試驗(yàn)表明：若失壓只在380～288 V區(qū)間內(nèi)，則生產(chǎn)線上帶變頻器及不帶變頻器的電機(jī)都不會停機(jī)；若電壓波動下跌至287 V及以下時(shí)則變頻器停止運(yùn)行，控制電機(jī)的二次回路能保持正常工作，但因變頻器停運(yùn)，電機(jī)也會停運(yùn)。

當(dāng)進(jìn)線三相380 V電壓低于變頻器低壓設(shè)定值（一般不低于288 V）時(shí)變頻器停運(yùn)，對于有自啟動功能的變頻器來講，在控制電源正常的情況下，很快就會自啟動，若自啟動不成功則會導(dǎo)致設(shè)備較長時(shí)間停運(yùn)。為防止變頻器控制的電機(jī)因晃電跳停而影響生產(chǎn)，要么應(yīng)使變頻器能夠躲過晃電的影響，要么應(yīng)使變頻器能夠有效自啟。

1.4 變頻器操作界面使用不便

變頻器操作界面為英文界面，不是每個(gè)維護(hù)人員都能熟練操作，給維護(hù)工作及故障的及時(shí)判斷帶來不便，且變頻器為2005年投用，至2018年B泵改進(jìn)前（2020年A泵和C泵改進(jìn)）已有10多年，有更新的必要。

2 優(yōu)化改進(jìn)

2.1 高壓煤漿泵改用PLC控制

為解決高壓煤漿泵電氣隱患較多與不明原因跳停這兩方面的問題，經(jīng)分析與探討，決定將高壓煤漿泵電氣控制系統(tǒng)改為PLC控制。

2.1.1 PLC控制的優(yōu)點(diǎn)

將控制信號由許多中間繼電器轉(zhuǎn)換、控制改為PLC控制，即控制信號經(jīng)過PLC轉(zhuǎn)換，不再通過大量的中間繼電器，這樣就減少了故障點(diǎn)和接線，控制線路清晰、簡單，通過PLC可以輕松實(shí)現(xiàn)延時(shí)，通過PLC輸入／輸出點(diǎn)的指示燈可很方便地看出各個(gè)信號的通斷，一目了然，故障處理也變得很清楚。同時(shí)，將相關(guān)開停信號點(diǎn)經(jīng)過PLC轉(zhuǎn)換、記錄，經(jīng)通訊上傳至柜門上的觸摸屏，可以很方便地查詢變頻器的開停記錄。

2.1.2 梳理關(guān)聯(lián)控制點(diǎn)

對就地及遠(yuǎn)程與變頻器相關(guān)的信號進(jìn)行梳理，集成到PLC內(nèi)記錄，如表1、表2所示。

表1 變頻器與儀表關(guān)聯(lián)點(diǎn)

表2 變頻器與外部電氣系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)

2.1.3 PLC控制器的選擇

考慮現(xiàn)場工作環(huán)境以及性價(jià)比，高壓煤漿泵電氣控制系統(tǒng)改進(jìn)選用西門子S7-200SMART系列PLC控制器。S7-200SMART系列PLC硬件的組成形式、連接方式與其他品牌的PLC基本相似，但是在程序和數(shù)據(jù)的免維護(hù)、通信功能、模擬量處理功能和高速處理功能等方面又很有其自身的特點(diǎn)：S7-200SMART系列PLC自帶以太網(wǎng)口，在程序上傳和下載、與其他PLC或者上位機(jī)通訊時(shí)會非常方便；S7-200SMART還自帶485通訊接口，方便與其他設(shè)備進(jìn)行串口通訊，而不需要單獨(dú)增加485通訊模塊。

1臺S7-200SMART的PLC包括1個(gè)單獨(dú)的S7-200SMART CPU和各種各樣可選擴(kuò)展模塊。CPU模塊包括1個(gè)中央處理單元、電源以及數(shù)字量I／O點(diǎn)，這些都被集中在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中；新穎的信號板設(shè)計(jì)可擴(kuò)展通信端口、數(shù)字量通道、模擬量通道，在不額外占用電控柜空間的前提下，信號板擴(kuò)展能更加貼合用戶的實(shí)際配置需求，提升產(chǎn)品的利用率，同時(shí)降低用戶的擴(kuò)展成本。

S7-200SMART有4種基本的CPU型號——SR20、SR30、SR40、SR60，均可擴(kuò)展6個(gè)模塊，SR60本身具有60個(gè)數(shù)字量I／O點(diǎn)（36輸入／24輸出），在同級別小型PLC當(dāng)中，輸入／輸出點(diǎn)數(shù)均較多，可以滿足小型項(xiàng)目的需求，而不需要額外增加模塊，并在一般小型PLC的基礎(chǔ)上加上集成功能，使其性能超出一般的小型PLC，配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.15μs，在同級別小型PLC中遙遙領(lǐng)先。

金陵石化高壓煤漿泵共用到至少21個(gè)輸入點(diǎn)、16個(gè)輸出點(diǎn)，因此選用了西門子PLC的CPU-SR60，數(shù)字量輸入36點(diǎn)、數(shù)字量輸出24點(diǎn)，另外帶1個(gè)模擬量輸入擴(kuò)展模塊EMAE04、1個(gè)模擬量輸出擴(kuò)展模塊EMAQ04，能夠滿足點(diǎn)數(shù)和余量方面的要求。若在今后的生產(chǎn)過程中需增加輸入／輸出點(diǎn)位，可以直接在其后面增加擴(kuò)展模塊，無需調(diào)整前面的模塊配置。

2.1.4 PLC控制效果

高壓煤漿泵電氣控制系統(tǒng)更新改造之后，從實(shí)際運(yùn)行情況來看，電氣線路變得簡潔明了，有利于故障的查找與診斷；高壓煤漿泵電氣控制系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的聯(lián)系信息以及電氣控制系統(tǒng)本身的相關(guān)信息通過PLC控制器記錄；增加了操作顯示觸摸屏，開機(jī)及停機(jī)信息可以在人機(jī)界面上直接觀察，同時(shí)開機(jī)及停機(jī)的操作位置也有詳細(xì)記錄，開停機(jī)信息一目了然，故障停機(jī)信息在觸摸屏上直接顯示，利于迅速判斷故障原因并及時(shí)處理。

2.2 變頻器參數(shù)整定及PLC內(nèi)設(shè)時(shí)間延時(shí)

為解決高壓煤漿泵變頻器抗電網(wǎng)晃電能力差的問題，并順帶解決變頻器操作界面為英文界面的問題，經(jīng)分析與探討，決定進(jìn)行變頻器參數(shù)整定及PLC內(nèi)設(shè)時(shí)間延時(shí)改進(jìn)。

（1）為保證PLC控制器在電網(wǎng)電壓波動時(shí)的工作可靠性，增加UPS電源供電，控制回路電源取自中控室UPS電源，確保PLC控制器、重要繼電器及隔離柵的電源供電穩(wěn)定，不再受電網(wǎng)晃電的影響。

（2）變頻器更新為具備中文界面的ACS880變頻器，便于巡檢及維護(hù)。更新后的高壓煤漿泵基本電氣參數(shù)為：電氣柜供電（交流電）電壓380 V，主電機(jī)為進(jìn)口ABB電機(jī)、功率250 kW，主電機(jī)采用ACS880變頻器帶調(diào)速控制，控制回路供電采用UPS電源與市電共用（UPS電源用于PLC控制器及繼電器，市電用于風(fēng)扇及柜內(nèi)照明）。

（3）修改變頻器部分參數(shù)，通過PLC內(nèi)設(shè)時(shí)間延時(shí)防止晃電時(shí)變頻器運(yùn)行信號立即送DCS導(dǎo)致的聯(lián)鎖跳車，降低電網(wǎng)晃電對變頻器的影響；同時(shí)，為防止儀表DCS調(diào)速信號受線路干擾、丟失或隔離柵故障的影響，在變頻器內(nèi)設(shè)定DCS調(diào)速信號越界時(shí)的速度保持，變頻器部分參數(shù)設(shè)置如表3。

表3 變頻器部分參數(shù)設(shè)置表

2.3 通過PLC控制對部分變量進(jìn)行時(shí)延

（1）因油泵電機(jī)與主電機(jī)聯(lián)鎖，為防止電網(wǎng)波動導(dǎo)致油泵瞬間跳停，充分考慮工藝與設(shè)備方面的要求，以及油泵故障情況下齒輪箱油潤滑的承受力，送DCS油流量信號低先報(bào)警，延時(shí)2 h后聯(lián)鎖停主機(jī)，在此段時(shí)間內(nèi)可以及時(shí)處理油泵故障及其影響。

（2）為防止干擾信號或假信號的影響，設(shè)置變頻器自身故障延時(shí)0.5 s停車。

3 結(jié)束語

金陵石化利用PLC及通信技術(shù)相繼對3臺高壓煤漿泵電氣控制系統(tǒng)實(shí)施改進(jìn)，通過較小的改造投入及較易實(shí)施的方式實(shí)現(xiàn)了高壓煤漿泵電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)，提高了高壓煤漿泵的自動化控制水平，并給高壓煤漿泵的巡檢操作及維修帶來了便利，運(yùn)行至今3臺高壓煤漿泵未出現(xiàn)過電氣方面的故障，保障了高壓煤漿泵及氣化裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。