制氧DCS系统的合理化自动控制20070807

摘要

制氧是一项复杂的模拟联锁控制的工程,要求技术人员对整个生产过程进行控制,监视,管理和决策.而DCS系统先天性的模拟量处理能力和可靠的技术措施,有利地保障了制氧安全经济地运行.本文结合黑建龙制氧工艺，阐述了DCS系统的网络结构通讯，模拟量联锁控制，逻辑运算能力和软件的可靠性。 

关键词：DCS 网络结构 模拟量 逻辑运算 联锁控制

Rationalization automation of DCS used in oxygen making

yanglifeng

（Heilongjiang Jianlong Steel Ltd. Equipment department Automation room）

Abstract

The oxygen manufacture is a complex simulation interconnection control project, the request technical personnel carries on the control to entire production process, Surveillance, Management and decision-making. But DCS system congenital simulation quantity handling ability and reliable technical measure, Safeguarded the oxygen manufacture security to move economically advantageously. This article unifies constructs the oxygen manufacture craft of Heilongjiang Jianlong Steel Ltd, elaborated the DCS system network architecture communication, the simulation quantity interconnection control, logic operation ability and the software reliability.

Key words：DCS  network architecture  simulation  logic operation  interlock control

前言

黑龙江建龙钢铁公司制氧厂设计为2套13000NM3/h 制氧机，采用上海福克斯波罗公司的I/A Series DCS自动控制系统。I/A Series是FOXBORO重要的集散控制系统，该系统结合黑建龙制氧工艺设备设计为全智能化联锁控制，真正实现了热冗余和故障自诊断功能。对于设备的联锁控制，调节回路的闭环控制和生产的顺序控制方面，都做到了合理化的自动控制，本文将对此做详细的阐述。同时在人机接口画面操作和与其它PLC通讯上，也表现出该系统的优越性。第一套制氧系统自2006年5月10日投运以来，设备运行良好，生产工况稳定，成品完全满足产品质量要求。

1 制氧工艺流程

1.1空气冷冻分离法                                                                         

空气中的主要成分是氧气和氮气。利用氧气和氮气的沸点不同，从空气中制备氧气称空气分离法。首先把空气预冷、净化(去除空气中的少量水分、二氧化碳、乙炔、碳氢化合物等气体和灰尘等杂质)、然后进行压缩、冷却，使之成为液态空气。然后，利用氧和氮的沸点的不同，在精馏塔中把液态空气多次蒸发和冷凝，将氧气和氮气分离开来，得到纯氧(可以达到99．6％的纯度)和纯氮(可以达到99．9％的纯度)。如果增加一些附加装置，还可以提取出氩、氖、氦、氪、氙等在空气中含量极少的稀有惰性气体。由空气分离装置产出的氧气，经过压缩机的压缩，最后将压缩氧气装入高压钢瓶贮存，或通过管道直接输送到工厂、车间使用。使用这种方法生产氧气，虽然需要大型的成套设备和严格的安全操作技术，但是产量高，每小时可以产出数干、万立方米的氧气，而且所耗用的原料仅仅是不用买、不用运、不用仓库储存的空气，所以从1903年研制出第一台深冷空分制氧机以来，这种制氧方法一直得到最广泛的应用。我公司就采用这种方法来提取氧气 

空气过滤器    空气透平压缩机    预冷系统   分子筛吸附系统               液氧存储系统

                                            透平膨胀机组                液氮存储系统

                                          氧气透平压缩机                液氩存储系统

 图1  制氧工艺流程图

1.2 流程模块化

该系统根据工艺流程和控制要求设计为模块化结构，把制氧流程分为以下几块：

1）空压机系统

2）预冷系统

3）膨胀机系统

4）空分系统

5）氧透系统 

6）氮透系统

7）液氧系统

8）液氮系统

9）液氩系统

各系统在I/A Series中进行编程，彼此又进行连锁控制。利用I/A Series中的CIO组态器，把每个系统形成一个的组合模块，来实现每个系立的控制方案，同时每个组合模块是单一的模块组成的，而I/A Series的任一组合模块中的任一模块都可以连接到另一个组合模块中的任何一个模块，这就实现了整个流程的连锁控制。

2  DCS的网络结构控制

2.1 制氧DCS网络结构图

图2   制氧DCS网络结构图

2.2  管理监控上位机功能

     该DCS控制系统上层采用FOXDRAW HMI软件，配置了三个操作站：1个工程师站和2个操作员站，站与站之间的显示应用状态都能直接相互传送。I/A Series系统向操作人员提供单一的人机操作界面，其中一台退出不会影响其他PC机的运行；操作环境CRT向不同的操作人员提供相应的资源，以防止非法使用系统资源。监控软件使得整个生产模型化，将过程控制详情组织成生产命令进行单元水平控制操作，跟踪过程中的物料并提供该物料在通过过程单元时的数据检索功能，使生产按照工艺控制步骤逻辑执行自动化生产。

2.3  网络系统冗余

系统采用双高速冗余10 BASE2（10 Mbps）以太主干现场总线作为其过程控制网络，同时冗余的节点总线，让系统更加安全性，远远超过了一般DCS和PLC中的平行底板方式，这种双重化的冗余网络结构，使得其中任意一条总线发生故障的情况下，通讯网络仍保持正常的数据传输。同时，每个卡件都有主、副IPM（工业电源组件）供电，保障了电源的热后备，这样一个电源或任何一组件的失效将不影响节点的运行。在节点总线上可在通过一根或多根的通讯链路与外部设备或其它类型的组件相连，从而实现扩展新的I/O卡件和机柜。

2.4  I/O模块的合理配置

按照黑建龙制氧工艺要求和现场各个设备的测点统计如下：

表1  DCS系统I/O点统计

表2  DCS系统I/O卡件统计

      I/A Series系统通过在通讯网络上挂接通讯模块FBM224卡件,可实现与PLC等数字设备的连接.在该制氧项目DCS系统中,采用Modbus RTU协议,通过I/A Series软件设置端口号和通讯速率(9600/19200),实现了与英格索兰的氮气透平压缩机PLC的通讯。

3  系统功能控制

3.1在DCS系统中调节回路的闭环控制

该DCS系统实现了工艺要求的各工段重要测点数据在上位机的采集和显示，对现场调节阀和变频器的自动控制，和工艺要求的安全生产联锁控制。在整个DCS系统中，单参数调节回路是必不可少的一种闭环控制，这给制氧生产工况带来了稳定性，弥补了手动控制的很多缺点。下图是水冷塔的一个液位控制回路：

  FBM            

  Cp1105                   PNT         MEAS                                         

         4          AIN                           PID          OUT                 

                                       BCALCI           INITI

                                                    FBK

  FBM         BCALCO          INITO          

  Cp1125                            MEAS     

         3                AOUT       

图3 液位控制回路

此图是一个液位控制回路，现场测量信号通过FBM-CP1105的第四通道接到模拟信号输入模块AIN，AIN模块将FBM来的测量信号进行修正，标度，报警等处理后转换为数字量交PID模块处理，PID模块根据测量值与设定值SPT的偏差及P，I，D整定参数的设置进行计算，算出阀门的开度，最后由AOUT模块将控制阀门开度的数字量转换为模拟信号再通过FBM-CP1125的第三通道送到现场，其中CP1105/CP1125是FBM的通讯地址。

当模块处于手动或初始化或FBM故障时置“1”通常被连到上游模块的INITI输入参数，使上游模块知道本模块处于开环状态。如图中连接，当AOUT模块处于手动或初始化或FBM故障时，它的INITO=1，使PID模块的INITI=1，使PID模块的输出跟踪PID模块的BCALCI，即跟踪AOUT模块输出的反计算值BCALCO。这样当从手动切回到自动时，做到无扰动。

3.2 DCS系统安全保护ETS联锁控制

ETS联锁控制是整个DCS系统最关键的，也是最复杂的联锁控制，制氧系统中的空压机，膨胀机和氧透机的正常联锁起停控制，才能使整个制氧系统安全有序地生产，否则整个系统都难以进行。如空压机的停车联锁控制：首先对工艺要求的条件分别联锁,即对现场仪表采集的数据按照工艺要求的参数(高低限报警)进行设置,利用逻辑关系实现条件联锁.然后利用条件联锁实现ETS首先报警,即发出最先产生的报警参数.最后因报警而产生的安全动作联锁,保证空压机的安全停车.

压缩机轴承温度》138度

电机定子温度》135度

电机轴承温度》103度

                                        ETS首先                     ETS动作

压缩机轴振动》66um                     联锁报警                      联锁停车

电机轴位移》127或《-127um

油温《21度

油压《0.03MPa

压缩机各级排气温度》60

图4 空压机停车联锁控制

3.3 DCS系统中的顺序控制

制氧的生产工艺比较复杂,它要求按特定的顺序依次次执行或是循环执行,譬如分子筛控制系统,空气的净化一般需要两个分子筛轮换使用,其中一个运行,一个再生.但每个分子筛都必须经历泄压、加热、吹冷、均压、交换等一系列的过程,其中每个步骤都要按工艺设置一定的执行时间.I/A Series的顺序控制模块正好解决这种顺序控制和批量控制.实现顺序功能的I/A功能块有五个:监视块(MON)、定时块(TIM)、例外块(EXC)、块(IND)、非块(DEP).其主要编程如下:

MS1:BI0001

MS2:BI0002

JUMP: BI0003

MSG: SN0001

<>

SENDMSG (“The ESC is ready, select MS1/MS2 to start!”)To MSG;

IF MS1=TRUE THEN 

   GOTO MS0101;

ELSE IF MS2=TRUE THEN

GOTO MS0201;

GOTO JUDGE;

ENDIF;

ENDIF;

通过MS1和MS2决定两个分子筛哪个需要再生,选择了其中的一个,就要经过泄压、加热、吹冷、均压、交换的程序来完成整个再生的流程,然后是另一个也如此循环执行.

4 结束语

该系统充分发挥了DCS控制系统运行可靠,检测灵活,维护方便的特点.统操作简便,开放性强,性能价比高.DCS系统的应用提高了生产效率,节省了劳动力和人力,降低了生产成本.

参考文献:

[1]          I/A’S系统及应用  上海福克斯波罗有限公司