关闭回路以保持精确的氢气压力

压缩机更快的闭环控制已经帮助加拿大阿尔伯塔省卡尔加里Keyera公司的子公司Alberta EnviroFuels更好地从现场丁烷原料中生产出异辛烷，这是一种汽车汽油的混合成分。几个内部工艺步骤需要高纯度的氢气。这种氢气流是通过压缩含有重量约50%氢气的低压气流获得的，然后将压缩后的气流送入氢气回收装置。图1显示了Alberta EnviroFuel公司四个氢气压缩机中的一个。

由于进入氢气回收装置的进料流非常轻，工艺设计人员选择了正排量压缩机，特别是湿螺杆压缩机来完成进料压缩。由于对高纯度氢气的需求可能随时变化，因此压缩过程还需要提供一种方法，使螺杆压缩机输送的原料气体积与对纯化氢气的需求相匹配。压缩机供应商建议使用带有内部滑阀的螺杆压缩机，而不是提供传统的外部溢流控制阀(该控制阀将基于保持恒定的排放压力进行操作)。扩展或收缩这些内部滑阀改变排气量(有效的压缩机容量)。

光滑的精度

“我们面临的挑战是，”阿尔伯塔环境燃料公司的高级过程控制工程师Phil Prins说，“当我们一直在努力精确控制我们的过程变量时——在这种情况下，压缩机的容量——我们经常把更多的钱放在平稳控制上。”在原有控制方案下，内滑阀的定位不够精确和流畅。

从技术上讲，阿尔伯塔环境燃料公司的螺杆压缩机是两级模型。第一级将气体压力提升至250 psi，第二级将压力从250 psi提升至500 psi。每个级都有自己的滑阀。驱动压缩机的马达产生大约1250马力。压缩机长8英尺，宽2.5英尺。液压执行器控制滑阀，因为已经有中等高压的油可以密封压缩机内部的转子间隙，并润滑径向和推力轴承。

该公司最初通过分布式控制系统(DCS)控制滑阀，该系统使用4-20 mA模拟链路连接到Modicon可编程逻辑控制器(PLC)，为每个滑阀传达位置目标。接着，PLC激活螺线管，激活两个位置的液压穿梭阀，激活气缸，根据压力是高于还是低于设定值，将每个压缩机滑阀向一个方向或另一个方向移动。

普林斯说:“我们很难让滑阀平稳而精确地移动到目标位置，因此我们无法保持压力平衡。”“在现场，我们有各种各样的限制器和止回阀，试图将基本的开关控制转换为比例控制。在PLC中，我们有各种各样的定时器和死带，试图平衡过程需求和硬件限制。”普林斯继续说，该应用需要控制滑阀，以“非常精确和平稳的运动”来驱动滑阀。“处理液压系统是一个我们没有太多经验的领域。”

比例伺服阀

在研究了问题并咨询了加拿大不列颠哥伦比亚省本拿比市运动控制经销商PQ Systems的工程师后，决定更换大部分现场硬件，并使用直接驱动比例伺服阀，以便可以完成更严格的液压控制(图2)。这就提出了一个问题，即什么将取代PLC中的位置控制软件。考虑了几种基于PLC和DCS的选择，但PQ系统工程师建议，更简单、更有效的方法是将每个滑阀的DCS设定值信号连接到电液运动控制器，该控制器设计用于在所有环境条件下对液压执行器进行平滑、精确的闭环控制。

油温是导致原有气门控制系统性能不佳的变量之一。在压缩机正常运行时，油温是相当一致的。然而，当压缩机处于待机模式(不运行，但可立即启动)时，油温可能会发生显着变化。这可能对阀门移动所需的时间产生影响。采用PLC控制双向穿梭阀的旧系统不能很好地处理温差。

两轴控制

PQ系统推荐一种运动控制器(图3)，可以同时控制两个运动轴，因此一个控制器可以控制应用中的两个滑阀。为了反馈滑阀的位置，控制器连接到安装在每个滑阀上的电位器，产生与滑阀扩展相关的模拟电压，控制器可以直接读取。图4显示了系统组件是如何连接的。

控制器上的另一个模拟输入模块连接到基于dcs的过程压力控制器的输出。由于在升级后的系统中使用了相同的DCS控制方案，以相同的方式运行，因此升级后压缩机的操作界面只需要进行非常小的更改。这对工厂操作员来说是一大优势。控制器改进了控制的工作方式:旧的硬件导致控制回路往往调谐不足，这意味着控制不能很好地响应异常情况，如果需要快速行动，操作员必须参与其中。

现在，闭环控制器以每秒1000圈的速度运行，可以优化调谐，并且控制可以更快地自动响应不断变化的条件。因此，氢气净化过程更精确地保持目标压力，并更快地响应环境变化。此外，控制系统不再引起困扰以前控制的自身波动。

在台达电脑工程师Don Denman的协助下，PQ系统应用专家Rob Nash完成了最初的控制器编程。相关人员表示，控制器很容易编程，而且自从设计最初实施以来，艾伯塔省环境燃料公司的工程师普林斯就对系统的运行进行了调整。控制器使用以太网接口，因此Prins创建了一个与控制器的接口，并通过公司网络从他的办公桌进行软件升级。普林斯说:“这比往返于工厂车间要方便得多。

优化向导

纳什说，软件提供的调试向导和绘图功能“在调试过程中非常有用”。他继续说道:“两个滑阀的整个调试过程只花了几个小时。“如果没有绘图，这将需要更长的时间，而且从后勤上讲，因为控制器位于压缩机危险区域之外的整个工厂，因此在视觉上看不见，没有绘图能力的滑阀调整几乎是不可能的。”图5显示了一个由软件生成的典型图。

该应用程序提供了一个示例，说明如何使用可编程电液运动控制器来控制以前影响生产作业生产率的过程。

Prins表示:“通过对比控制系统升级前后排放压力分布的标准差，我们发现其改善幅度约为70%。正如Alberta EnviroFuels发现的那样，在涉及精确运动和严格公差的情况下，选择专门为任务设计的控制系统是值得的。在这种情况下，运动控制器比PLC有明显的优势。

- Don Denman是Delta Computer Systems Inc.的高级应用工程师。编辑:马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体，控制工程和设备工程，mhoske@cfemedia.com。

在线

www.deltamotion.com

www.moog.com

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关键概念

• 在许多应用中，控制器和执行器需要平稳、精确地协同工作。
• 解决方案包括限流器和止回阀。
• 更新包括比例伺服阀和电液运动控制器。

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