芳烴制冷機組VOITH液力耦合器RWC800M8控制方案

丁錦萍，田鴻鵬

（岳陽長煉機電工程技術有限公司 寧波分公司，浙江 寧波 315812）

0 引言

某煉油化工廠芳烴裝置乙烯制冷和丙烯制冷均采用了一臺多級離心壓縮機。乙烯冷劑主要為三級結晶器提供冷量，通過不同的壓力閃蒸實現各級結晶器溫度的需求。丙烯冷劑主要用于冷卻乙烯壓縮機出口的高溫乙烯，以及用于結晶進料的調溫冷卻，不同的溫度需求同樣是通過不同的壓力閃蒸實現各級加熱和閃蒸后的乙烯和丙烯蒸汽，逐級返回到壓縮機的各級入口進行壓縮，從而完成一個循環。制冷部分通過設置各級閃蒸以及壓縮機多級壓縮，實現冷量的分級利用和壓縮機的逐級壓縮，最大限度降低了壓縮機能耗。

本文介紹乙烯制冷機組液力耦合器，耦合器采用VOITH 公司的增速型液力耦合器RWC800M8。齒輪增速型液力耦合器是一種無級變速的機械裝置，它主要由齒輪、泵輪、渦輪、勺管、輸入軸、輸出軸等主要部件組成，能量調節通過調速液力偶合器無磨損地從傳動機器向被驅動機器傳送動力。通過勺管調節泵輪、渦輪中的油位來調節輸出軸轉速，從而實現節能目的。耦合器現場設備控制部分由VCU 控制單元和CCS 控制單元組成。

1 液力耦合器工作原理

機組通過液力耦合功能實現電機無負載啟動。液力變矩器帶可調導葉，液力耦合器帶可調勺管及電液執行器VEHS，旋轉行星齒輪，速度疊加，調節被驅動機轉速，如圖1 所示。

圖1 VORECON組成部件Fig.1 VORECON Components

Voith 電液轉換器（VEHS）的結構包括：控制磁鐵、PID 定位裝置、磁力控制器、四位三通閥、控制銷。連接到雙作用液壓定位缸，其活塞與導葉調節機構機械連接，確定導葉當前位置的位置傳感器。

VEHS 過程控制器（主控制回路）位于VEHS 定位控制裝置前，從此處給出一個4mA ～20mA 的設定值信號。VEHS 的附助裝置Voith 帶有一個PLC 可編程系統。

勺管位置取決于VEHS（Voith 電液轉換器）的驅動。勺管的位置由機械局部顯示，通過在定位器上指示實際值，也用于遠程顯示。過程控制器向VEHS 定位控制單元發送設定點信號，例如“最大輸出速度”（100%）。定位控制回路將“由位置傳感器測出的勺管位置實際值”與過程控制器的“設定值（信號）”進行比較。由此產生的差異向磁力控制器發出信號，以改變4/3 通閥中控制銷的位置。由于控制銷位置的改變，控制油流入或流出雙作用定位油缸?？刂朴土魅攵ㄎ挥透椎那皇遥╞），并將導葉的定位環移動到100%位置，最大油環，最大輸出速度。定位油缸的位置變化由位置傳感器感測，并連續發送給定位控制電路。隨著差值減小，4/3 通閥中控制銷位置的變化減小，直到設定值和實際值匹配。在反向操作中，控制油流入定位油缸的腔室（a），并將導葉的定位環移動到0%的調整角度，最小油環，最小輸出速度，用于液壓導葉調整的油從潤滑油路分流，控制油壓設置在機械驅動的增壓泵和限壓閥上。

2 Vorecon控制單元（VCU）

VCU 控制單元的硬件是西門子S7-1500 PLC。Siemens S7-1500 PLC（CPU 1513-1 PN）7 英寸觸摸操作面板（HMI TP700 Comfort Outdoor）安裝在PLC 接線盒的前門（見圖2），CPU 使用Profinet IO 與HMI 通信。

圖2 觸摸操作面板Fig.2 Touch operation panel

VCU 為RWC M Vorecon 執行啟動和速度控制。VCU 還控制Vorecon 部件，如液力聯軸器（啟動聯軸器）和變矩器。VCU 不執行任何Vorecon 監控功能，例如振動、軸承溫度、工作油溫、聯軸器/變矩器出口溫度、油位和潤滑油壓力，不執行啟動油加熱器、熱交換器和輔助潤滑油泵的控制功能。這些功能由中控CCS 系統實現，為此Voith也提供一個特殊的控制邏輯。

3 控制方案

耦合器振動、鍵相、軸溫，潤滑油液位、溫度、壓力等經現場信號送至CCS 系統控制。轉速、勺管位置信號送至現場VCU 控制后，轉至CCS 系統控制。工作油壓和電液轉換器控制閥、轉換電磁閥信號在現場VCU 控制。VCU 控制部分與CCS 控制系統之間的接口信號均采用硬接線。

3.1 VCU和CCS之間的信號

如果Vorecon 因“TRIP”故障而停止，則故障原因必須消除，然后才能復位，只要TRIP 未被確認，VCU 將保持在TRIP 狀態，無法重新啟動Vorecon。啟動Vorecon 之前，必須打開輔助潤滑油泵，只要Vorecon 上存在潤滑油壓力，要求輔助潤滑油泵或機械潤滑油泵必須運行。如果該為假，則禁止啟動Vorecon。當主電機啟動時，CCS 至VCU 信號變為真。當主電機啟動完成時（主電機以額定速度運行并準備好負載），該輸入必須始終處于真狀態。如果輸入變為真，同時怠速輸入變為假，則在Vorecon 中從啟動聯軸器切換到變矩器，速度控制將延遲釋放，時間延遲可在HMI 上編程。一旦主電機停止，該輸入必須變為假。針對這些情況，增加4 個開關量輸入點在VCU 控制。

當主電機啟動完成且未請求怠速運行時，VCU 將根據該模擬輸入值（在自動遠程模式下）控制Vorecon 輸出速度。速度范圍（最小和最大速度）的參數可在VCU 的HMI上配置。默認為5500rpm ～8260rpm。增加1 個模擬量輸入點在VCU，自CCS 過來。

當VCU 無測試模式，Vorecon 輸出速度<2.0%；導葉位置<2.0%；VCU 無故障（公共跳閘）。液力聯軸器（啟動聯軸器）中存在壓力工作油，潤滑油壓力存在。如果此信號輸出為假，禁止啟動主電機或Vorecon。輸出一個信號至CCS，若此信號輸出為真，Vorecon 準備啟動。在啟動主電機之前，必須由CCS 控制系統檢查該輸出。

VCU 控制部分設置通用故障報警信號和故障跳閘信號，故障報警信號輸出為真時，至少存在一個公共報警故障。故障的信息顯示在VCU 的HMI 上，報警不需要手動確認。當故障消失，此輸出將自動重置，HMI 上的信息將消失，但它仍在歷史報警中。故障跳閘信號輸出為真時，至少存在一個跳閘故障，故障的原因顯示在VCU 的HMI上。這種故障導致主電機停機，設置現場設備切換到停止狀態。此信號輸出為真時，當主電機為停止，在這種情況下，CCS 控制系統必須啟動電動輔助潤滑油泵；此信號輸出為假時，渦輪停止時不存在輸出速度。

轉速信號分為2 個軸輸出轉速和2 個中間轉速，分別使用二選一邏輯，選擇最安全轉速輸出給CCS 系統。

勺管實際位置經過VCU 輸出至CCS 作為反饋：4mA~20mA=>0~100%

變矩器導葉執行器的實際位置給定：4mA~20mA=>0~100%

3.2 Vorecon至VCU控制器信號

4 個轉速信號是德國Braun 轉速探頭A5S1DD4，該探頭向TM 計數輸入模塊提供頻率信號。VCU 用于控制和監控，分為Vorecon 中間速度2 個和Vorecon 輸出速度2 個，分別使用二選一邏輯，選擇最安全轉速輸出給CCS 系統。

液力耦合器工作油壓變和變矩器下游工作油壓送器在VCU 控制。實際導葉位置輸出和反饋均在HMI 上顯示，速度控制器（VCU）將設定值輸出至VEHS 定位控制器，從而控制變矩器的導葉位置。

停機狀態下，在機組停止位置，“潤滑油壓力存在”信號不存在。啟動聯軸器和變矩器均已排空。停機狀態電磁帶電閥狀態：啟動聯軸器2 號電磁閥得電，變矩器1 號電磁閥得電。

RWC 啟動狀態，一旦輸入“壓力潤滑油存在”變為真，啟動狀態電磁帶電閥狀態為：啟動聯軸器1 號電磁閥得電，變矩器2 號電磁閥得電。

必須滿足以下條件才能發出信號：VCU 無測試模式；Vorecon 輸出速度<2.0%；導葉位于起始位置；VCU 無故障（公共跳閘）；液力聯軸器（啟動聯軸器）中存在壓力工作油；潤滑油壓力存在。

主電機啟動完成后（輸入信號“主電機啟動”和“主電機準備加載”必須為真），Vorecon 將轉換到正常速度范圍。

VCU 的HMI 有以下功能：顯示與控制工程相關的所有變量（速度、PID_Output 等），顯示有關VCU 狀況的狀態信息，顯示Vorecon 電磁閥開關狀態的狀態輸出，顯示所有故障信息，可通過HMI 更改速度控制調整和優化所需的所有參數，操作模式變更。

在停機檢修狀態，可在HMI 上手動對VEHS 導葉執行器和電磁閥測試。

3.3 CCS控制部分

耦合器潤滑油過濾器出口壓力大于0.27MPa，勺管位置小于5%，耦合器潤滑油泵運行，耦合器準備就緒均為乙烯機的允許啟動條件。

來自耦合器PLC 的通用跳閘信號參與乙烯機停機聯鎖。

耦合器輸入軸振動過大二取二，耦合器輸出軸振動過大二取二，耦合器殼振動過大二取二，耦合器軸位移過大二取二參與乙烯機停機聯鎖。

耦合器油箱加熱器啟動聯鎖，耦合器油箱加熱器關閉聯鎖，手動啟動耦合器潤滑油泵允許條件聯鎖，耦合器輔助油泵啟動聯鎖，耦合器輔助油泵停止聯鎖，耦合器倒轉聯鎖，耦合器倒轉報警均在CCS 系統控制。

耦合器油箱加熱器啟動聯鎖，當油箱液位高于48%，加熱器溫度正常，主電機運行信號自MCC 運行，手動啟動軟按鈕確認，同時滿足，則油箱加熱器啟動。

耦合器油箱加熱器關閉聯鎖，當油箱液位低于48%，加熱器溫度過高，主電機運行信號自MCC 未運行，手動關閉軟按鈕確認，任意滿足，則油箱加熱器關閉。

手動啟動耦合器潤滑油泵允許條件聯鎖：耦合器徑向軸承溫度小于90℃，推力軸承溫度小于90℃，滾動軸承溫度小于95℃，液力變矩器出口溫度小于110℃，潤滑油冷卻器出口溫度小于50℃，殼振動小于8mm/s，軸振動小于53um，軸位移小于0.4mm，油箱液位小于6.8%，大于48%。

耦合器輔助油泵啟動聯鎖：耦合器潤滑油過濾器出口壓力小于0.18MPa 與主電機運行同時滿足，耦合器潤滑油箱溫度與耦合器電加熱器運行同時滿足，手動啟動耦合器潤滑油泵允許條件與冷卻系統人工確認正常和手動啟動耦合器潤滑油泵軟按鈕同時滿足，機組停機后有轉速來自PLC 和耦合器輸出轉速大于10rpm 任意一個滿足，與設備切換到停止狀態同時滿足，任意一組滿足可啟動耦合器輔助油泵。

當主電機啟動完成與耦合器潤滑油過濾器出口壓力大于0.27MPa 同時滿足后，延時180s 耦合器輔助油泵停止；當耦合器電加熱器未運行，耦合器潤滑油泵運行，耦合器潤滑油箱溫度小于7℃，自MCC 主電機信號未運行，耦合器輔助油泵未自啟同時滿足，耦合器輔助油泵停止；耦合器輸出轉速小于10rpm 與停機信號同時滿足，去關閉勺管。惰轉結束后，延時設定時間后輔助油泵停止，此時與耦合器潤滑油泵未運行同時滿足，則現場VCU 設備切換到停止狀態，至耦合器倒轉報警。通過MCC 主電機合閘信號后復位，耦合器輸出轉速大于10rpm 或自PLC 機組停機后有轉速和設備切換到停止狀態同時滿足，耦合器也產生倒轉報警。

油壓建立到耦合器PLC：耦合器潤滑油泵運行，潤滑油冷卻器出口溫度大于12℃，耦合器潤滑油過濾器出口壓力大于0.27MPa 同時滿足，和主電機啟動完成滿足條件，則建立油壓。油壓建立后，與來自耦合器的主電機準備啟動準備就緒同時滿足。

4 調試中的問題處理

問題1：項目期間，VCU 控制單元的硬件供電電源是菲尼克斯穩壓電源，電源輸入端由機柜間PDC 柜某一空開給出。上電投用前檢查，穩壓電源輸出不正常，經檢查發現柜間PDC 柜某一空開給出的是24VDC，導致穩壓電源電壓有問題。重新更換PDC 柜內另一220VAC 空開，作為穩壓電源的輸入，穩壓電源的輸出可調電壓為24VDC，供電正常。

問題2：耦合器轉速信號分為2 個軸輸出轉速和2 個中間轉速，分別使用二選一邏輯，選擇最安全轉速信號經過PLC 后輸出給CCS 系統。轉速探頭是德國Braun 轉速探頭A5S1DD4，耦合器啟動之后其中一個輸出轉速無值顯示。Braun 轉速探頭是由電磁傳感器和安裝在軸系上的齒盤組成，主軸轉動帶動齒盤旋轉，齒牙通過傳感器時引起電路磁阻變化，經過放大整形后形成一個方波電脈沖，通過記錄脈沖個數得到轉速值。第一步檢查SE72 轉速信號接線無問題，如轉速接線圖3 所示。

圖3 轉速接線圖Fig.3 Speed wiring diagram

第二步用FLUKE754 信號發生器給頻率信號，FLUKE754 開機后，選擇按鍵SOURCE---Hz，Vpp 輸入0v，選擇sin 正弦波Done，給頻率信號對應PLC 上對應0rpm ～9000rpm 轉速正常；第三步將探頭拆下，用磁鐵感應，轉速信號輸入無變化；第四步拆除另一個轉速探頭，用磁鐵感應，另一個轉速信號顯示有值。經判斷轉速探頭有問題，交福伊特廠家更換。

問題3：在項目上，軸系儀表使用的是EMERSON CSI 6500 ATG 壓縮機軸系儀表監控系統。該系統配套傳感器電壓輸出范圍為-2V ～-18V，使用的前置器型號均為EZ1000，接入CSI 6500 ATG 系統A6500-UM 通用測量卡（根據組態區分軸位移和軸振動通道），在施工時必須嚴格按照前置器上標注的傳感器和延長電纜規格型號配套使用，注意前置器側面標注的配套設備帶有SN 碼，如圖3 該配套設備前置器型號為EZ1000，傳感器型號為EZ1080，延長線型號為EZ1900，型號后標注出廠SN 碼。振動和位移傳感器的安裝間隙電壓均為-10V，回路測試前，傳感器應全部安裝完成并接入CCS 系統顯示回路正常無故障。

在軸振動回路調試時，需將FLUKE754 串入前置器OUT 回路中，把前置器OUT 線拆下連接至FLUKE754 頻率輸出端負極，FLUKE754 頻率輸出端正極連接至前置器OUT 口，見圖4。

圖4 FLUKE744與前置器連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of connection between FLUKE744 and proximitor

FLUKE754 開機后，選擇按鍵SOURCE（Hz），Vpp 輸入0V，選擇sin 正弦波Done，頻率輸入200Hz，對同一個軸振動回路Vpp 振幅峰值和CCS 系統測量范圍的對應關系反復測試3 次，求取算數平均值作為回路測試的標準值（忽略系統誤差）。根據實測值得出Vpp 與um 之間基本呈線性關系，見表1。

表1 Vpp與um之間測試值Table 1 Test values between Vpp and um

軸振動測量范圍為0um ～100um，根據上述最大值之間的對應關系計算得出Vpp 為0.789V 時對應CCS 振動值為100um，以此為標準值對另一軸振動回路做了測試，數據見表2。軸振動傳感器回路測試實測值：基本轉速值200Hz，測量范圍0um ～100um。

表2 軸振動傳感器回路測試值Table 2 Test values of shaft vibration sensor circuit

5 結束語

液力耦合器采用VOITH 公司的增速型液力耦合器，能量調節通過調速液力偶合器無磨損地從傳動機器向被驅動機器傳送動力?，F場PLC 為VCU 控制部分，為RWC M Vorecon 執行啟動和速度控制。VCU 還控制Vorecon 部件，如液力聯軸器（啟動聯軸器）和變矩器。從現場Vorecon至VCU 控制器PLC，從VCU 控制器至CCS 控制，通過勺管調節泵輪渦輪中的油位來調節輸出軸轉速，從而實現節能目的。