高压煤浆泵电气控制系统改进小结

周 政

（中石化股份有限公司金陵分公司，江苏 南京 210033）

0 引 言

中石化股份有限公司金陵分公司（简称金陵石化）煤化工项目气化装置采用德士古水煤浆加压气化工艺，以煤和石油焦为原料制浆，煤浆通过高压煤浆泵输送至气化炉烧嘴，与空分装置送来的氧气一起喷入气化炉内进行部分氧化反应，生产以CO、H2为主要成分的粗煤气（原设计下游配套合成氨装置，后下游改为配套煤制氢装置）。其中，3台高压煤浆泵（简称A泵、B泵、C泵）与3台气化炉（气化炉两开一备）为一一对应关系，高压煤浆泵互不备用，故其运行状况是否良好对气化装置的稳定运行至关重要。

针对高压煤浆泵电气控制系统存在的一些问题，金陵石化于2018年气化装置大修期间对B泵电气控制系统进行了改进，在本次改进成功的基础上，于2020年气化装置大修期间对A泵、C泵进行了同样的改进：电气控制柜内采用西门子S7-200SMART控制器替代大量的中间继电器及时间继电器，并增加人机界面，变频器更换为具有中文界面带矢量控制的ACS880系列变频器。改进后，从根本上消除了设备方面的隐患，保障了高压煤浆泵及气化装置的安全、稳定运行，并给高压煤浆泵巡检操作及维修带来了便利。以下对有关情况作一简介。

1 高压煤浆泵电气控制系统问题及原因分析

金陵石化高压煤浆泵于2005年投用。高压煤浆泵主电机为进口ABB电机、功率250 kW，主电机采用ACS800变频器带调速控制，油泵电机采用接触器控制，现场控制柜内信号转换和传递采用大量的中间继电器和时间继电器，现场操作柱及配电室控制柜均可实现主电机的启停控制，远程DCS可实现主电机的急停控制，变频器柜电源及控制柜电源均为380 V市电，正常操作为现场操作柱就地启动、远程DCS停止，电机运行信号、电机转速及电流数值送中控DCS显示并参与仪表联锁。改进前，高压煤浆泵电气控制系统存在的问题及原因分析如下。

1.1 电气隐患较多

由于信号的转换采用大量的中间继电器控制及时间继电器延时，而继电器的动作是有使用次数限制的，加上制浆区域环境因素的影响，继电器故障率较高；为预防电网晃电对变频器的影响，在使用过程中对电气控制柜内的部分中间继电器增加了时间延时，采用的空气延时头时间继电器需定期更换，曾出现过未及时更换而造成电网晃电时时延不够致高压煤浆泵停机的情况；因采用的中间继电器及时间继电器较多，柜内接线复杂，查找故障费时费力，影响及时恢复生产。

1.2 变频器出现不明原因跳停

变频器在正常运行过程中出现跳停情况，现场检查又未发现问题，启动设备能够正常运行，无法判断是电气故障还是仪表故障，亦或是信号干扰还是人为误操作，变频器及DCS均无记录；故障处理时，经常出现电工与仪表工互相扯皮的现象，为快速恢复生产，往往是先让气化炉运行起来，再根据仪表的SOE记录来分析故障的可能原因，因设备已处于在运状态，电气方面原因无法进一步检查，往往无法得出正确的结论。电气方面，缺少形如仪表SOE记录，对于与电气控制系统有联系的外部信号无记录，这给迅速判断故障原因造成困难，而现实要求是必须尽快找到高压煤浆泵的故障原因并予以处理。

1.3 变频器抗电网晃电能力差

电网出现短暂晃电时，易导致变频器无故障跳停，对气化装置的运行造成很大影响。与接触器及中间继电器直接控制电机相比，变频器对电网电压波动更为敏感，对于低压交流380 V供电系统，试验表明：若失压只在380～288 V区间内，则生产线上带变频器及不带变频器的电机都不会停机；若电压波动下跌至287 V及以下时则变频器停止运行，控制电机的二次回路能保持正常工作，但因变频器停运，电机也会停运。

当进线三相380 V电压低于变频器低压设定值（一般不低于288 V）时变频器停运，对于有自启动功能的变频器来讲，在控制电源正常的情况下，很快就会自启动，若自启动不成功则会导致设备较长时间停运。为防止变频器控制的电机因晃电跳停而影响生产，要么应使变频器能够躲过晃电的影响，要么应使变频器能够有效自启。

1.4 变频器操作界面使用不便

变频器操作界面为英文界面，不是每个维护人员都能熟练操作，给维护工作及故障的及时判断带来不便，且变频器为2005年投用，至2018年B泵改进前（2020年A泵和C泵改进）已有10多年，有更新的必要。

2 优化改进

2.1 高压煤浆泵改用PLC控制

为解决高压煤浆泵电气隐患较多与不明原因跳停这两方面的问题，经分析与探讨，决定将高压煤浆泵电气控制系统改为PLC控制。

2.1.1 PLC控制的优点

将控制信号由许多中间继电器转换、控制改为PLC控制，即控制信号经过PLC转换，不再通过大量的中间继电器，这样就减少了故障点和接线，控制线路清晰、简单，通过PLC可以轻松实现延时，通过PLC输入／输出点的指示灯可很方便地看出各个信号的通断，一目了然，故障处理也变得很清楚。同时，将相关开停信号点经过PLC转换、记录，经通讯上传至柜门上的触摸屏，可以很方便地查询变频器的开停记录。

2.1.2 梳理关联控制点

对就地及远程与变频器相关的信号进行梳理，集成到PLC内记录，如表1、表2所示。

表1 变频器与仪表关联点

表2 变频器与外部电气系统的关联

2.1.3 PLC控制器的选择

考虑现场工作环境以及性价比，高压煤浆泵电气控制系统改进选用西门子S7-200SMART系列PLC控制器。S7-200SMART系列PLC硬件的组成形式、连接方式与其他品牌的PLC基本相似，但是在程序和数据的免维护、通信功能、模拟量处理功能和高速处理功能等方面又很有其自身的特点：S7-200SMART系列PLC自带以太网口，在程序上传和下载、与其他PLC或者上位机通讯时会非常方便；S7-200SMART还自带485通讯接口，方便与其他设备进行串口通讯，而不需要单独增加485通讯模块。

1台S7-200SMART的PLC包括1个单独的S7-200SMART CPU和各种各样可选扩展模块。CPU模块包括1个中央处理单元、电源以及数字量I／O点，这些都被集中在一个紧凑、独立的设备中；新颖的信号板设计可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道，在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展能更加贴合用户的实际配置需求，提升产品的利用率，同时降低用户的扩展成本。

S7-200SMART有4种基本的CPU型号——SR20、SR30、SR40、SR60，均可扩展6个模块，SR60本身具有60个数字量I／O点（36输入／24输出），在同级别小型PLC当中，输入／输出点数均较多，可以满足小型项目的需求，而不需要额外增加模块，并在一般小型PLC的基础上加上集成功能，使其性能超出一般的小型PLC，配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15μs，在同级别小型PLC中遥遥领先。

金陵石化高压煤浆泵共用到至少21个输入点、16个输出点，因此选用了西门子PLC的CPU-SR60，数字量输入36点、数字量输出24点，另外带1个模拟量输入扩展模块EMAE04、1个模拟量输出扩展模块EMAQ04，能够满足点数和余量方面的要求。若在今后的生产过程中需增加输入／输出点位，可以直接在其后面增加扩展模块，无需调整前面的模块配置。

2.1.4 PLC控制效果

高压煤浆泵电气控制系统更新改造之后，从实际运行情况来看，电气线路变得简洁明了，有利于故障的查找与诊断；高压煤浆泵电气控制系统与外部系统的联系信息以及电气控制系统本身的相关信息通过PLC控制器记录；增加了操作显示触摸屏，开机及停机信息可以在人机界面上直接观察，同时开机及停机的操作位置也有详细记录，开停机信息一目了然，故障停机信息在触摸屏上直接显示，利于迅速判断故障原因并及时处理。

2.2 变频器参数整定及PLC内设时间延时

为解决高压煤浆泵变频器抗电网晃电能力差的问题，并顺带解决变频器操作界面为英文界面的问题，经分析与探讨，决定进行变频器参数整定及PLC内设时间延时改进。

（1）为保证PLC控制器在电网电压波动时的工作可靠性，增加UPS电源供电，控制回路电源取自中控室UPS电源，确保PLC控制器、重要继电器及隔离栅的电源供电稳定，不再受电网晃电的影响。

（2）变频器更新为具备中文界面的ACS880变频器，便于巡检及维护。更新后的高压煤浆泵基本电气参数为：电气柜供电（交流电）电压380 V，主电机为进口ABB电机、功率250 kW，主电机采用ACS880变频器带调速控制，控制回路供电采用UPS电源与市电共用（UPS电源用于PLC控制器及继电器，市电用于风扇及柜内照明）。

（3）修改变频器部分参数，通过PLC内设时间延时防止晃电时变频器运行信号立即送DCS导致的联锁跳车，降低电网晃电对变频器的影响；同时，为防止仪表DCS调速信号受线路干扰、丢失或隔离栅故障的影响，在变频器内设定DCS调速信号越界时的速度保持，变频器部分参数设置如表3。

表3 变频器部分参数设置表

2.3 通过PLC控制对部分变量进行时延

（1）因油泵电机与主电机联锁，为防止电网波动导致油泵瞬间跳停，充分考虑工艺与设备方面的要求，以及油泵故障情况下齿轮箱油润滑的承受力，送DCS油流量信号低先报警，延时2 h后联锁停主机，在此段时间内可以及时处理油泵故障及其影响。

（2）为防止干扰信号或假信号的影响，设置变频器自身故障延时0.5 s停车。

3 结束语

金陵石化利用PLC及通信技术相继对3台高压煤浆泵电气控制系统实施改进，通过较小的改造投入及较易实施的方式实现了高压煤浆泵电气控制系统的改进，提高了高压煤浆泵的自动化控制水平，并给高压煤浆泵的巡检操作及维修带来了便利，运行至今3台高压煤浆泵未出现过电气方面的故障，保障了高压煤浆泵及气化装置的安全、稳定运行。