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    一、程序移植的歷史背景及現(xiàn)實意義

    大慶煉化公司180萬噸／年ARGG裝置三機組（軸流風機、煙機、主電機）控制系統(tǒng)是TRICONEX公司的TS3000控制系統(tǒng)，如圖1，自1998年投運以來運行平穩(wěn)，但自2002年控制系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)燒卡的現(xiàn)象（參見附表），已更換各類卡件18塊，嚴重地威脅裝置的安全生產(chǎn)。對此，煉化公司領導非常重視，曾多次組織召開專業(yè)技術分析會，組織儀表及電氣等技術人員對整個系統(tǒng)詳細檢查，同時聯(lián)系了北京設計院、陜鼓、美國TRICONEX公司、ELLIOTT公司，及施工單位中油一公司，于2000年6月召開三天專業(yè)分析會，分析故障原因。各單位一致認為對接地系統(tǒng)及電源系統(tǒng)要進行檢查、測試和整改。并于2002年裝置停工檢修期間進行了徹底整改，耗資約30余萬元。為保證生產(chǎn)，公司成立技術攻關組，利用富士智能調(diào)節(jié)器及西門子S7－200PLC創(chuàng)建一套應急系統(tǒng)，保證在徹底整改前事故情況下緊急啟動備機系統(tǒng)。

                      

                          圖1 TRICON系統(tǒng)示意圖

    借此機會，儀表專業(yè)對防喘振的源程序進行了認真的解讀，發(fā)現(xiàn)在TPS系統(tǒng)中完全可以實現(xiàn)該功能，與源程序相比，技術上更可靠，功能上更豐富，控制精度更高。在此，筆者對自動化專業(yè)應用程序的轉(zhuǎn)化和移植的思路及方案做以詳盡的闡述，旨在促進專業(yè)技術的交流與應用。

    1、防喘振控制方案分析

    就目前國內(nèi)外煉化企業(yè)來看，防喘振控制通常用兩種方法：一是早期專用的防喘振控制器，如WORDWARD公司的505C控制器、ELLIOT公司的ASCC控制器等；二是目前常用的PLC專用軟件包。如GE公司的9070系列PLC（用Logic　Master或Field Control編的軟件包）、TRICONEX公司的TS3000（用MSW311或TS1131軟件包）等。但每個廠家出于對知識產(chǎn)權的保護，均不會公開其防喘振控制的算法。專用的控制器只給用戶提供接口參數(shù)，專用的軟件包是用高級語言編寫的軟件包（如Ｃ語言）。用戶無法打開，只能在程序中調(diào)用。這些技術封索直接影響用戶對防喘振控制方案的深入理解，給程序的移植帶來了相當大的難度。筆者通過對多套機組喘振方案的研究，發(fā)現(xiàn)只有TS3000系統(tǒng)中的源程序?qū)τ脩羰窍鄬﹂_放的，于是對其進行了反復實驗，最終弄清了其算法。這種算法僅僅是不同廠家、不同設備中眾多算法中常用的，也是相對減化的算法。

    1、防喘振控制的主要功能

    喉部差壓低選、出口壓力高選 
    喉部差壓溫度補償算法
    喉部差壓和比例增益參數(shù)的折線運算
    防喘振線下移功能
    可遠程給定的PID運算
    實現(xiàn)放空閥的快開慢關功能
    實現(xiàn)兩個放空閥的分程控制
    實現(xiàn)聯(lián)鎖停機放空閥自動打開控制 
    實現(xiàn)防喘振曲線圖 

    2、防喘振控制技術方案

    根據(jù)測量壓縮機的喉部差壓、出口壓力、入口溫度這三量，TRICONEX有一套完整的喘振技術，該算法中氣體分子量變化不會影響機組的防喘振控制。當風機正常運行時，它的工作點應該在圖2防喘振線的下方，此時偏差e＝PV－SP＜0，調(diào)節(jié)器的作用方式為反作用。當工作點越過防喘振線

               

    并在其上方時，即偏差e＞＝0時，則要求防喘振閥快速打開。由于防喘振閥的打開，使工作點開始回到防喘振線以下時，閥的動作又應減慢，即要求防喘振閥在開關時，是以變速動作的。在偏差e＞＝0時,放空閥打開的快速取決于PID參數(shù)比例增益K的自適應能力（自動增大或減小），如果K值不變，放空閥則以正常的速度打開（一般要求在3秒鐘之內(nèi)）；
而當喘振發(fā)生的趨勢得以控制時，即偏差e＝＜0時，放空閥則以0.1%漸進式緩慢關閉。

    防喘振控制算法，是通過溫度補償后的喉部差壓值（防喘振曲線的橫坐標X軸）經(jīng)過折線運算得出的出口壓力作為PID控制的設定值SP（防喘振曲線的縱坐標Y軸），來控制測量值出口壓力PV。防喘振控制的偏差e＝PV－SP即為出口壓力的控制偏差。防喘振PID作用為反作用，正常狀況下偏差e＜0，當e＞＝0時發(fā)生喘振。防喘振控制框圖如圖3所示。

               

    當偏差e大于2%時系統(tǒng)發(fā)出喘振報警，當偏差e大于7%并且逆流報警存在，則防喘振線下移1%。為了保證風機的功效，最多下移5次，還設置了手動復位功能。當防喘振線下移時，此時的設定值SP為折線算出的SP＇減去移動次數(shù)N乘以下移量1%。即：
    SP＝ SP＇－N×1%。
    PID參數(shù)比例增益K自整定功能是通過折線運算實現(xiàn)的，共11點坐標形成3段斜坡折線得出K＇。在沒有發(fā)生喘振情況下，當偏差e大于0.1%時（即喘振條件具備）發(fā)生喘振，K值自動置為初始值90，然后K通過和折線運算后的K＇計算逐漸減小。計算公式：
    K＝（90×25.0）÷（K＇＋25.0）
    當偏差e 小于0.1%時，K值值保持不變。在比例增益K值自動變化過程，積分T1值始終為4，微分T2值始終為0。如圖4所示。

                            

    防喘振程序的轉(zhuǎn)化和移植

    功能模塊是TPS系統(tǒng)商提供的系統(tǒng)應用程序，用戶可根據(jù)需要進行選擇，然后將結(jié)構參數(shù)（功能參數(shù)和結(jié)構參數(shù)）設置好就可以調(diào)用，實現(xiàn)特定功能。
 如高選模塊：功能是輸出等于輸入中最大的一個輸入。
    其數(shù)學方程式是：
    M=X1 （當X1≥X2時）
    M=X2 （當X1≤X2時）

    圖形描述：

               

    風機的兩個出口壓力采用高選控制，即選擇HILOAVG（HI）算法；同樣兩個喉部差壓采用低選控制，即選擇HILOAVG（LO）算法。

    筆者針對圖3的防喘振控制框圖，在ARGG中央控制室TPS系統(tǒng)中，逐個功能反復實驗最終確立新的算法方框圖，如圖5所示。 

    結(jié)合圖5的框圖功能創(chuàng)建了一些功能點，如表1所示。
    本控制算法最大的技術難點，也是核心技術是：
    防喘振線的形成
    比例增益K自整定運算
    放空閥的快開慢關功能
    防喘振曲線工作點的動態(tài)干預 
    下面就作以詳細的闡述。

    一、溫壓補償算法

    在TPS系統(tǒng)中Regulatory PV溫壓補償算法有固定的計算公式。有如下幾種：

        

    在這里，筆者選擇了公式EQB算法。下面是公式中的變量說明。
    P = Measured actual gage pressure.
    T = Measured actual temperature.
    RP = Design pressure, converted to an absolute value (Default value = 1.0).
    RT = Design temperature, converted to an absolute value (Default value =1.0).
    P0 = Factor to convert gauge pressure to an absolute value. Typically 14.696
    psia or 101.325 kPa. Enter the absolute value of the number.Default value = 0. If the measured pressure is already an    absolute value, enter 0.
    T0 = Factor to convert Celsius and Fahrenheit temperatures to an absolute
    value. Typically 459.69°F or 273.15°C (use the absolute value of the number when entering a value in T0).
    備機防喘振控制參考溫度為T0 = 25°C。

               

               
               

                                   表1喘振功能點清單

    二、防喘振線的確定

    原方案采用折線運算得出，這種控制算法在DCS理論上稱之為預測控制，它采用工業(yè)過程中較易得到的對象階躍響應曲線，把它們在采樣時刻的一系列參數(shù)作為控制對象的設定值，從而使在未來一段時間內(nèi)使測量值與經(jīng)過“柔化”后的設定值之間的偏差最小。不同時刻采樣的設定值連成的曲線是經(jīng)過在線“柔化”后的一條所期望的平緩曲線，通常稱為參考軌跡。
原控制方案中的防喘振線既是由11點坐標構成的一條參考軌跡。在TPS 系統(tǒng)中的Regulatory PV運算類模塊中就有專門的折線函數(shù)運算General Linearization（GENLIN）。其功能圖如圖6所示。

               

                            圖6 TPS系統(tǒng)中GENLIN 功能圖

    其中：
    IN0 = 0.0 IN1 = 30.0 Beginning of 1st segment
    IN2 = 55.0 IN3 = 85.0 End of 1st segment
    OUT0 = 0.0 OUT1 = 20.0 End of 2nd segment
    OUT2 = 45.0 OUT3 = 100.0 End of 3rd segment
    Solution A (P1 = IN2):
    PVCALC = OUT2 = 45.0
    Solution B (P1 > IN1):

   

    Solution C (P1 intersects any but 1st and last segment):

   

    Solution D (P1 intersects the last segment):

   

    其中變量:
    PVCALC = The output of this algorithm. It is selected as the PV for this
    data point when the PV source is AUTOmatic.
    P1 = The input value.
    IN(i) = Input value at the beginning of the intersecting segment.
    IN (i+1) = Input value at the end of the intersecting segment.
    OUT (i) = Output value at the beginning of the intersecting segment.
    OUT (i+1) = Output value at the end of the intersecting segment.
    segtot = A subscript indicating the user-entered value in SEGTOT.

     

    1、喉部差壓的折線函數(shù)

    不同的靜葉角度對應的喘振點是不同的，而靜葉角度和喉部差壓有關。因此，根據(jù)補償后的喉部差壓作為坐標的橫坐標，計算出對應的出口壓力作為縱坐標，縱坐標即為PID控制的設定值SP。為安全起見，通常將坐標點向下偏移7％的裕度來確定一點，將若干點相連，就形成了防喘振線。在新控制方案中，防喘振線仍采用原11點10段的折線算法，確定了近似于理論防喘振線。選用GENLIN折線函數(shù)，輸入坐標值即可。具體坐標值見表2。

    2、防喘振線的下移

    當偏差e大于7%（即42）并且逆流報警存在，則防喘振線下移1%（即7）。為了保證風機的功效，最多下移5次，還設置了手動復位功能，即NN（3）=0。當防喘振線下移時，此時的設定值SP為折線算出的SP＇減去移動次數(shù)N乘以下移量1%（即7）。即：
    SP＝ SP＇－7*N
    詳細程序如下：
    SEQUENCE XY（HPM；POINT XY1840）
    EXTERNAL PI1841，PDZ1840
    PHASE AA
    STEP BB
    SET NN（2）＝PDZ1840.PV
    Q： SET NN（1）＝PI1841.PV-NN（2）
    IF NN（1）＞＝42 AND NN（3）＜5 THEN（SET NN（2）＝NN（2）－7；
    & SET NN（3）＝NN（3）＋1；GOTO Q）
    IF NN（3）＞＝5 THEN SET NN（3）＝5
    IF NN（1）＞＝42 AND NN（3）＜＝5 THEN（SET NN（2）＝PDZ1840.PV－NN（3）*7
    GOTO STEP BB
    END XY

    3、比例增益K自整定運算

    自整定控制是調(diào)節(jié)器的參數(shù)需要根據(jù)被控對象的特性調(diào)整。原控制方案中采用折線運算，得出一條反應曲線的方法，再作以計算，得出比例增益K，送給PID調(diào)節(jié)器。根據(jù)這個要求，在TPS系統(tǒng)中可仍選用GENLIN折線運算塊即可實現(xiàn)。其中公式Regulatory PV中的Calculator模塊即可。具體坐標值見表2。

             

                                      表2 參考軌跡坐標

    當偏差e大于0時（即喘振條件具備）發(fā)生喘振，K值自動置為初始值90，然后K通過和折線運算后的K＇計算得出。
計算公式： K＝（90×25.0）÷（K＇＋25.0）

    筆者研究發(fā)現(xiàn)可采用兩種方式：一是采用ＣＬ語言可實現(xiàn)；二是運用Ｌogic塊實現(xiàn)。但經(jīng)分析后決定采用Ｌogic塊方案，因為邏輯塊在系統(tǒng)中運行比ＣＬ語言占用空間和ＰＵ都少，安全可靠，負載小。邏輯功能框圖如圖7所示。

    4、放空閥的快開慢關

    放空閥的快開慢關的特性對壓縮機而言尤為重要，是工藝及設備的特性所決定的。原方案在Ｔricon系統(tǒng)中實現(xiàn)很容易，它根據(jù)PID的輸出趨勢作成正常打開，緩慢關閉，而關閉是以0.1%遞加而得的。即當PID的輸出是開（減小）的趨勢時閥正常打開；反之，即當PID的輸出是關（增大）的趨勢時閥的輸出是以0.1%遞加關閉。

    但在TPS系統(tǒng)中，由于受各功能點的參數(shù)屬性的限制，實現(xiàn)PID的輸出快開慢關相當困難，原因是：

    （1）、在同一UCN網(wǎng)中PID的輸出連接只有以下幾種情況：
    AO點（半點）的 .OP參數(shù)（單回路）
    RC點的 . X1（X2、X3、X4）參數(shù)（連手操器或選擇開關）
    RC點的 .SP參數(shù)（串級回路）
    DO點的 .SO參數(shù)（脈寬調(diào)制）
    RC點的 .Ratio參數(shù)（比值控制）
    無輸出 

    （2）、在TPS系統(tǒng)中PID的輸出不能與下列點參數(shù)連接：
    Logic.NN（i）
    PM.NN（i）
    RV點參數(shù)
    D、 Array.NN（i）

               

                                   圖 7 邏輯功能框圖

    第（1）種情況滿足不了輸出快開慢關的要求，因為這幾個連接點參數(shù)都達不到要求，即不能將PID輸出作成動態(tài)的加減變速運動。而第（2）種情況可以滿足控制要求，但卻無法連接。于是問題的關鍵便浮出水面，即如何找到一個能將PID的輸出與AO點的.OP參數(shù)相連，實現(xiàn)快開慢關的功能。筆者經(jīng)過反復實驗，最終得出結(jié)論：只有通過CL語言才能實現(xiàn)這種參數(shù)的連接，但只是兩個PID模塊之間的參數(shù)連接，否則將無法實現(xiàn)。這就要求：

    A：主PID的輸出連接置空（無連接）
    B：副PID的輸入用Pull關系連入主PID的輸出，但不參與控制，只用于顯示。副PID的輸出完全由CL語言控制，其始終處于P-MAN 控制方式。
    C：副PID的輸出連接AO點的.OP參數(shù)。
    D：CL語言要根據(jù)主PID的輸出變化趨勢來控制副PID的輸出，實現(xiàn)快開慢關功能。
以上四點若能實現(xiàn)，則此方案完全可行。但在實際測試中發(fā)現(xiàn)D項中的如何判斷主PID的輸出變化趨勢是關鍵、更是難點，其于三項很容易實現(xiàn)。為此，筆者通過AI點的上一個周期采樣值LastPV可推斷PID的輸出很可能也有此參數(shù)。在查找了所有資料后筆者發(fā)現(xiàn)只有三個參數(shù)可以試運。

    OPCMD=0 IDLE（Output is not being affected by Output Command）
    OPCMD=1 Lower（Output is being lowered）
    OPCMD=2 Raise（Output is being raised）
    但在實際中發(fā)現(xiàn)三個參數(shù)均不行，還是達不到控制要求。

    在經(jīng)過反復實驗后，最終不得不采用了下述方法，即在CL語言中每隔1秒鐘對主PID（ASC1840）的輸出作一次采樣。根據(jù)二次采樣的差值來判斷主PID的輸出是增大還是減小，來控制副PID（SENT1840）的輸出，進而得到完美解決。在整個控制過程中，副PID只是起到信號傳遞作用。完整的程序如下：

    SEQUENCE PID（HPM；POINT PM1840）
    EXTERNAL ASC1840，SENT1840
    PHASE AA
    STEP BB
    SET SENT1840.MODATTR=PROGRAM
    SET SENT1840.MODE=MAN
    SET SENT1840.OP=ASC1840.OP
    SET NN（1）=ASC1840.OP
    WAIT 1 SECS
    SET NN（2）=ASC1840.OP
    Q： IF NN（2）＞NN（1） THEN SET SENT1840.OP=SENT1840.OP+1
    IF SENT1840.OP＜ASC1840.OP THEN （SET SENT1840.OP=SENT1840.OP+1；GOTO Q）
    IF NN（2）＜NN（1） THEN SET SENT1840.OP=SENT1840.OP-5
    IF SENT1840.OP＞ ASC1840.OP THEN（SET SENT1840.OP=SENT1840.OP-5；GOTO Q）
    IF SENT1840.OP=ASC1840.OP THEN （SET SENT1840.OP=SENT1840.OP； GOTO Q）
    GOTO STEP BB
    END PID
    程序中可以看出，關閉時是以1%的遞加式，打開時是以5%的遞減式。
    為安全起見，輔PID后連接了兩個手操器，手操器再和AO點相連。分程控制在AO點中實現(xiàn)，信號分割點是44.9%。。

    5、聯(lián)鎖停機時的喘振處理

    當聯(lián)鎖停機時，二放空閥自動全開，程序如下：
    SEQUENCE ESD（HPM；POINT PMESD）
    EXTERNAL ESD，ASC1840
    PHASE AA
    STEP BB
    IF ESD.PVFL=OFF THEN （SET ASC1840.MODATTR=OPERATOR；GOTO Q）
    SET ASC1840.MODATTR=PROGRAM
    SET ASC1840.MODE=MAN
    SET ASC1840.OP=0
    Q：GOTO STEP BB
    END ESD
    防喘振曲線圖動態(tài)監(jiān)控

    在Display Builder繪圖軟件中，提供了基于Microsoft VB功能強大的Script語言，用于完成GUS流程圖對過程變化的實時顯示及過程操作。常規(guī)的動態(tài)顯示很容易變化，但對某個對象而言，根據(jù)事件的動態(tài)變化而變化，則很難實現(xiàn)。
防喘振曲線中最關鍵、最難的技術是工作點和設定點的實時動態(tài)變化。這種變化是上下左右全方位的變化，而不是單方向的變化。

    一、防喘振曲線繪制

    筆者曾采用“抽點隱現(xiàn)法”實現(xiàn)，但效果不是很好，且很麻煩。在通篇翻閱了TPS的系統(tǒng)資料和做了大量實驗后，最終采用了函數(shù)TRANSX和TRANSY得以實現(xiàn)。分別為橫坐標和縱坐標，坐標值為像素值。防喘振曲線圖如圖8和圖9所示。同時自制了控制面板，以便于操作。

    其中：
    o 藍色●代表工作點
    o 綠色＋代表設定點
    o 紅線代表喘振線
    o 黃線代表防喘振線
    o 紅線左側(cè)代表喘振區(qū)
    o 黃線右側(cè)代表防喘振區(qū)
    o 紅黃兩線之間為安全裕度
    o Reset為防喘振偏差復位鍵
    o MODE為調(diào)節(jié)器控制方式選擇：MAN AUTO CAS
    點擊信號可進入該點的細目（Native Window）畫面。
    設定點的Script語言：
    Sub OnDataChange()
    ME.TRANSX=LCN.PDC1840.PV*320/25
    ME.TRANSY=-LCN.ASC1840.SP*320/300
    End Sub
    工作點的Script語言：
    Sub OnDataChange()
    ME.TRANSX=LCN.PDC1840.PV*320/25
    ME.TRANSY=-LCN.PI1841.PV*320/300
    End Sub
    防喘振線下移次數(shù)：
   LCN.XY1840.NN(3)
    下移復位：
    Sub OnLButtonClick()
    LCN.XY1840.NN(3)=0
    End Sub
    喘振偏差：
    LCN.PI1841.pv-LCN.XY1840.NN(2)

    二、仿真實驗

    在線模擬現(xiàn)場實際情況，筆者本著科學負責的態(tài)度對所做的方案進行了嚴細認真的測試，對第一部分介紹的防喘振的十大功能逐個核實，結(jié)果全部實現(xiàn)，非常成功。

    圖8和圖9對比可發(fā)現(xiàn)，曲線圖直觀的反映出喘振前后各個參數(shù)的變化情況。尤其是設定點和工作點的變化特點。在正常狀況下，設定點應始終延防喘振線波動，工作點應始終在設定點的下方。但在喘振時，圖9的防喘振線已經(jīng)下移了5次（防喘振偏差已超過42），設定點“＋”已遠離防喘振線一段距離，工作點“●”到達了喘振區(qū)。防喘振的輸出最小（放空閥全開）。

    操作注意事項：
    （1）ASCC1840正常時處于CAS方式，因為SP值遠程控制。
    （2）HIC1840AB正常時處于CAS方式，處于MAN時可以手動開閥。
    （3）聯(lián)鎖停機后，ASC1840的控制方式自動置為P-MAN程序控制。停機信號解除后，由程序控制自動轉(zhuǎn)化操作員控制（置成MAN），再次啟機時需操作員將ASC1840投為CAS方式。

              

                          圖8未喘振時的狀態(tài)

               

                                   圖9 喘振時的狀態(tài)

    結(jié)束語

    由于TPS系統(tǒng)可靠性高，易操作性強，組態(tài)靈活，功能強大而豐富，因此便于組態(tài)各種復雜控制。本論文所闡述的壓縮機防喘振功能在DCS上的實現(xiàn)，是化工自動化領域程序移植的突破性嘗試，在科技功關方面邁出了重要一步！

    附表：系統(tǒng)故障一覽表