螺杆压缩机组的监控系统

引言

HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置是中科院等离子体物理研究所承担的国家级大科学工程项目，其目标是能在装置上对建造稳态先进的托卡马克核聚变堆的前沿性物理问题开展探索性的实验研究。HT－7U低温系统，作为该项目中主要子系统之一，是为HT-7U超导托卡马克的纵向和极向场超导磁体稳定运行提供冷量，同时该系统的2KW/4K制冷机还用来生产液氦以满足其他实验及用户的需求。低温系统由三部分构成：压缩机站、制冷机冷箱部分、托卡马克磁体冷却部分。采用OMRON公司的CS1GCPU44PLC作为数据采集、控制回路、自动顺序操作和运算的主要设备，其它测量监控设备为辅的方案，实现了压缩机站的实时监测、自动控制和系统运行诊断，满足了系统可靠性、稳定性和实时性的要求，。

1.系统介绍

HT-7U氦低温系统的压缩机站部分包括两级螺杆压缩机组、除油系统等设备，其系统流程图见图1。

压缩机部分由低压级和高压级二级串联组成，低压级为三台LG25Ⅱ型螺杆压缩机并联，将氦气从0.104Mpa(P0)压缩至0.51Mpa(P1)，总的质量流量250g/s；高压级为两台LG20Ⅱ螺杆压缩机并联，将氦气从0.51Mpa(P1)压缩至2Mpa(P2)，总的质量流量超过360g/s。压缩机站的作用是

图1压缩机站系统流程图

为制冷机的降温、回温、液化、制冷等各种运行模式提供需要的稳定压力和高纯度的氦气流量，它对整个低温系统的稳定性和制冷机的工作效率至关重要。根据制冷机需要的氦气流量选择投入或停止压缩机的台数，通过对螺杆压缩机能量滑阀和五个控制阀门的调节使PO、P1、P2稳定在要求的精度范围之内。螺杆压缩机站需要测量的工艺参数主要有：压力、温度、差压、流量、液位、转速、真空度、气体纯度、阀门开度、电机电流、压缩机能量滑阀位置，系统共有数字量输入99路,模拟量输入59路,数字量输出59路,模拟量输出6路；需要控制的主要过程有螺杆压缩机的启动、停车和安全运转，压缩机油温的调节，各设备故障时的处理等。

2.监控系统硬件结构

压缩机组监控系统采用上位机和下位机组成，系统硬件结构图如图2所示。上位机使用两台研华工控机，一台作为操作站实现整个系统的监控和数据检测，另一台作为工程师站完成组态软件的设计和开发、PLC程序的开发以及将软件通过串口传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器OMRONCS1G-CPU44PLC实现压缩机站大多数参数的采集和控制，一些不参与压力控制的参数如油吸附器压力、缓冲罐压力等信号由研华的ADAN数据采集模块采集，并以串行数据的形式传送给上位机，采用屏蔽电缆作为工控机串口与PLC和ADAM模块串行通信的介质。采用ADAN4520RS485/232C转换器是为解决RS232C的通讯距离短和干扰较大等问题

图2压缩机站监控系统硬件结构图

监控系统的硬件配置为：研华工控机，CPU为PIII733，操作站还扩展了ControllerLink支持卡3G8F5CLK01-E,PLC配置的模块有基本I/O单元：3块16点输入单元ID212、6块16点输出单元OC225，高密度I/O单元：2块32点输入单元ID216，特殊I/O单元：4块8路模拟量输入单元AD003、1块8路模拟量输出单元DA004、3块温度传感器单元TS102，ControllerLink通讯单元CS1WCLK21,ADAN模块有4块8通道模块ADAN4017、2块3通道模块ADAN4013和1块RS485/232转换器ADAN4520。

通过在现场级PLC的ControllerLink线缆通信单元CLK21和操作站ISA插槽上扩展的通信单元3G8F5-CLK01-E，将上位机和下位机组成OmronControllerLink网络。OMRON公司的ControllerLink网络（控制器网）是OMRON主要的FA（工厂自动化）级别的网络，是一种使用令牌总线通信的网络，网络中的每个节点都可作为主站进行数据的发送和接收，通过设置数据链接节点间可以自动交换预置区域那的数据。该网络中控制通信的节点称为发牌单元，它控制令牌，检查网络和执行相关的任务。这种总线型拓扑结构具有最大的灵活性，易于扩充和维护，满足了系统可扩展性要求。由于采用了分布式控制技术，可确保ControllerLink网络不会因某个站点故障而崩溃，提高了系统的稳定性。本系统中采用屏蔽双绞线作为ControllerLink网络的通信介质，由于各节点距离小于500m，所以传输速率达2Mbps，可满足系统实时性要求。ＰＬＣ网络在完成物理连接后,必须 对进行必要的参数设置并建立路径表,这是整个网络配置过程中最重要的部分。设置的参数包括通信单元的单元号、所在网络的节点号、Ｉ/Ｏ表、数据链接等。只有在完成这些必要的工作后，才能实现ＰＬＣ网络的互连。本系统中CLK21和3G8F5CLK01-E模块的参数设置见表1。

表1 ControllerLink通信单元参数设置表

3.监控软件结构设计

工业控制组态软件能充分利用Windows强大的图形编辑功能，以动画方式显示监控设备的运行状态，方便地构成监控画面和实现控制功能，并可以生成报表、历史数据库等，为工业监控软件开发提供了便利的软件开发平台，从整体上提高了工控软件的质量。北京亚控公司开发的KingView5.1是运行在Window98/NT上的一种组态软件，由工程浏览器TouchMAK和画面运行系统TouchVEW两部分组成。TouchMAK是KingView软件的核心部分和管理开发系统,它的功能是建立动画显示窗口。通过它提供的工具箱可方便建立实时曲线图、历史趋势图和报警记录显示。TouchVEW是显示TochMAK中建立的图形窗口的运行环境。在螺杆压缩机监控系统中，工程师站可运行TouchMAK和TouchVEW,而操作站只允许运行TochVEW。图3是监控软件的结构。KingView5.1驱动程序通过ControllerLink网络与PLC进行通信，通过串口与ADAN模块进行通信，分别访问相应的寄存器，以获取压缩机现场各工艺参数的实际值或对现场的开关量和模拟量如各控制阀门的开度进行控制。本系统中将PLC的DM0～DM199设置为可读写区，即上位机可对下位机该区域进行读写操作；将DM200～DM399设置为只读区，即上位机只能读出下位机该区域的值而不能改变。

图3监控软件结构图

螺杆压机站测量和控制系统上位机的组态软件基本实现了螺杆压机站测控的要求。简洁且形象的模拟了压机站的工艺流程，操作人员能在中央控制室的计算机屏幕上了解压机站的全部运行状况，包括各种报警。取得权限的操作人员能在中央控制室实现对任何一台压缩机单独操作或联机操作，所有的自动与半自动之间的切换都是无扰切换。每个控制按钮和每个自动与半自动切换按钮都有进一步的确认或取消，防止误操作。

4.控制系统设计思想

采用低压级和高压级二级串联的大型螺杆压缩机组系统在德国、日本和法国等国家有过成功例证，在国内尚应用不多。这种系统的压力控制方法主要有二种：一为前级控制，二为后级控制。前级控制把压缩机进气压力作为控制依据，这种方法使系统耦合减小，但压缩机排气压力波动较大；后级控制把压缩机排气压力作为控制依据，压缩机排气压力控制精度高，但系统耦合程度大，系统实现复杂。螺杆压缩机依靠被称为能量滑阀的结构元件的增减载（由电磁换向阀的通断实现）来调节压缩机的容积流量，。补气阀和收气阀调节系统中的气体流量。

压缩机控制系统要求在保证压力稳定的前提下，提供给制冷机在各个工况下不同的气体流量，所以压缩机控制系统首先要保持氦气循环系统的流量平衡；同时要保证供气压力（二级压力）的稳定性。按照压缩机系统的结构体系，将图1中P0、P1、P2分别单独进行控制，然后形成串级控制，这种控制方案可降低系统内部的耦合程度，减少控制的复杂性。由于压缩机控制系统属于大滞后强耦合多变量过程控制系统，控制系统的数学模型难以辨识，调节各阀门开度的PID控制器参数采用凑试法整定。基于操作人员的手动控制经验，采用模糊控制+专家控制+PID控制的方案来实现系统的控制要求，控制系统结构图如图4所示。

图4控制系统结构框图

构造两个模糊控制器FuzzyController1和FuzzyController2,以FuzzyController1为例说明模糊控制器的设计。根据螺杆压缩机运行中积累的人工操作经验，确定被控制量和控制量的模糊子集如下：E1、EC1、U1:{负向偏差大，负向偏差中，负向偏差小，无偏差，正向偏差小，正向偏差中，正向偏差大}，简记为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},其中E1为低压级压缩机出口压力P1偏差，EC1为P1偏差变化率，U为电磁换向阀的通电时间。选取被控量与控制量的基本论域为e1:[-1,1];ec1:[-0.3,0.3];u1:[-10,10],其中u1为负值表示能量滑阀减载，正值表示增载，E1、EC1、U1的隶属函数根据专家经验确定，模糊推理采用Mamdani合成运算法，反模糊运算采用Centriod法。

1)压缩机启动和运行时需要不断的吸入氦气，通过补气阀的PID调节使压缩机吸入的氦气压力P0

维持在要求的精度之内。

2)模糊 控制+专家控制:当压缩机启动建立压力后，随着制冷机需气量的变化P0、P1、P2会发生变化。在压力偏差较大时，使用设计的两个模糊控制器分别调节低压级压缩机和高压级压缩机的能量滑阀的位置，从根本上使压缩机排出的气量与制冷机的需气量平衡，此过程中为避免由于能量滑阀的动作滞后而导致压力波动太大，根据专家经验分别给定两个旁通阀相应的开度，将能量滑阀来不及转移的气量通过旁通转移，随着能量滑阀的动作旁通阀的开度逐渐减小。

3)PID控制：压力偏差较小(设定一阈值)时，由于滑阀存在机械死区，需要采用旁通调节阀的精细调节来弥补滑阀的机械死区。此时能量滑阀不再动作，而是用旁通调节阀的PID控制P1、P2在要求的精度之内。

4)当出现异常情况比如核聚变装置失超时，系统的回气量非常大，若能量滑阀和旁通阀同时动作仍然不能使P2有下降趋势，此时应使用收气阀将回流的氦气收到缓冲罐中。

5.系统软件配置

操作站和工程师站：Windows2000操作系统和KingView5.1，此外操作站还需：用来设置ControllerLink网络的数据链接表和监视网络运行情况的OMRONFinsGateWay软件，用来监视ADAN模块运行状态的ADAN。工程师站还需：OmronCX-Programmer2.0梯形图编程软件。

6.监控系统实现的主要功能

1)显示功能：工艺流程、测量值、设备运行状态、操作模式、报警等显示、画面调用等功能；

2)报警处理和报表生成功能：记录报警发生时间、故障内容等信息,并对报警信息进行管理，系统输出的报表有时报、日报、月报等；

3)历史趋势功能：对现场的氦气压力、液氦高度、氦气温度、阀门开度等以曲线图形显示。每个趋势曲线显示的画面主要包括画面名称、时间、趋势、说明等；

4)数据库存储与访问：实现Access历史数据库在每次系统运行时的自动创建并按分钟级记录，现场数据的存储，；

5)画面系统对系统参数、控制器参数进行修改与储存，能实现监控系统自动/半自动/手动操作模式间的无扰切换；

6)管理权限：实现不同级别的系统管理权限，系统操作员可以选择操作模式，查看趋势曲线及报表等；系统工程师可以根据实际情况对监控软件和下位机软件进行修改。

7.结语

本文研究的基于PLC和组态软件的螺杆压缩机组监控系统利用了ＰＬＣ抗干扰能力强、组网方便、适用于工业现场的特点,又利用了组态软件强大数据处理和图形表现的能力，融合了较先进的自动化技术、计算机技术、通讯技术、故障诊断技术和软件技术，具有可靠性高、组网简单、维护容易等特点。目前该系统已经成功的在HT-7托卡马克核聚变实验和超导磁体实验中应用，效果良好，对制冷机的运行效率乃至核聚变实验的顺利开展具有重要意义，同时极大得提高了自动化水平，降低了工人的劳动强度。

参考文献

[1]徐世许.可编程序控制器原理应用网络[M].中国科学技术大学出版社,2000.

[2]组态王version5.1使用手册[Z].北京亚控自动化软件科技有限公司.

[3]OMRONControllerLinkSupportBoard/SoftwareOperationManual[M].OMRONCorporation,February1999.

[4]郁永章主编.容积式压缩机技术手册.机械工业出版社,2000,10.

[5]汪小澄张峰.PLC控制网络的组建与监控[J].计算机应用.2002,22(4):34