DCS在空分裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、dcs在空分裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 概述萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司于2003年12月投產(chǎn)的10#制氧機(jī)是一套22000m3/h內(nèi)壓縮流程制氧機(jī)組。該機(jī)組主體設(shè)備為杭州空分設(shè)備廠提供。采用分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機(jī)、規(guī)整填料塔、氧氣內(nèi)壓縮等先進(jìn)工藝流程。整套機(jī)組包括：空氣預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)、增壓透平膨脹機(jī)系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、氮?dú)鈮嚎s系統(tǒng)、液體貯存系統(tǒng)等。萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司自動(dòng)化部經(jīng)過(guò)論證后采用現(xiàn)場(chǎng)總線、dcs、plc等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)組自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通訊及上位機(jī)管理。2 控制系統(tǒng)硬件配置及技術(shù)特點(diǎn)2.1 控制系統(tǒng)硬件配置ac800f dcs是abb公司推出的一種全能綜合型控

2、制系統(tǒng)，集dcs和plc優(yōu)點(diǎn)于一體，支持多種國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，既可連接常規(guī)i/o，又可連接remote i/o及profibus、ff、can、modbus等現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。系統(tǒng)分為兩級(jí)：操作管理級(jí)（os、es、網(wǎng)關(guān)gs）和過(guò)程控制級(jí)（過(guò)程站ps、現(xiàn)場(chǎng)控制器ac800f）。萊鋼10#制氧機(jī)dcs選用的是ac800f和profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，并帶有2個(gè)操作員站os、1個(gè)工程師工作站es，具有電源、操作站、控制器冗余功能。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)tcp/ip協(xié)議以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程中空氣壓縮、空氣預(yù)冷、空氣純化、增壓壓縮、膨脹透平、氧氮精餾、氬精餾、氮?dú)鈮嚎s等子系統(tǒng)的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通訊及上位機(jī)管理，可完整地監(jiān)控整

3、個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)情況。硬件配置示意圖如下圖1：圖1 硬件配置示意圖其中es和os選用了目前流行的p4微機(jī)。1臺(tái)epson lq-1600k針式打印機(jī)實(shí)時(shí)打印報(bào)警和操作；1臺(tái)彩色激光打印機(jī)打印報(bào)表、程序和畫(huà)面等。現(xiàn)場(chǎng)總線控制器ac800f由基本單元、電源和以太網(wǎng)卡、現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡組成，其中：底板為基本單元pm802f，按照用戶(hù)組態(tài)的控制應(yīng)用程序進(jìn)行運(yùn)算和控制；另有7個(gè)槽，其中p1槽插電源模塊sa801f，為卡件提供5vdc/5a工作電源和3.3vdc/5a輔助電源；e1和e2槽插冗余以太網(wǎng)卡ei803f，f1f4槽插現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡，本系統(tǒng)選用的是profibus現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡fi830f。用2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)

4、總線控制器ac800f可實(shí)現(xiàn)控制器冗余，主從ac800f之間可無(wú)擾動(dòng)整體切換。每個(gè)ac800f上都有兩個(gè)以太網(wǎng)卡ei803f，提供10baset接口，第一個(gè)用于連接系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（diginets），2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器ac800f的第二個(gè)網(wǎng)卡之間彼此互連，形成專(zhuān)門(mén)的冗余通訊鏈接（diginetr），以確保主從ac800f之間的信息同步。一旦主ac800f故障，從ac800f能迅速無(wú)擾動(dòng)的接替工作。組態(tài)結(jié)果和實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ram中，以太網(wǎng)卡和電源卡上裝有ram后備電池，可在掉電時(shí)保持組態(tài)內(nèi)容和數(shù)據(jù)。ac800f控制器通過(guò)profibus現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡fi830f與s800 i/o相連，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)

5、信號(hào)并將控制運(yùn)算結(jié)果送到相應(yīng)的信號(hào)輸出模件。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，共配置有3個(gè)s800 i/o站。每個(gè)s800 i/o站有12個(gè)槽（011），其中第0個(gè)槽插ci830模件，用于與profibus-dp主站連接，并設(shè)定profibus-dp從站地址；第111個(gè)槽可混插各種類(lèi)型的i/o模件?？諝鈮嚎s機(jī)采用siemens s7-400 plc控制，氮?dú)鈮嚎s機(jī)采用ab slc5 plc控制，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)tcp/ip協(xié)議以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與主dcs系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。2.2系統(tǒng)配置采用的新技術(shù)和特點(diǎn)2.2.1 可變周期任務(wù)運(yùn)行abb ac800f控制器采用risc處理器芯片，程序采用“任務(wù)運(yùn)行”方式，每個(gè)任務(wù)都可設(shè)定運(yùn)行周

6、期和優(yōu)先級(jí)。所以該控制器既可滿足復(fù)雜調(diào)節(jié)回路控制要求，又可滿足快速電氣開(kāi)關(guān)量控制，從而一個(gè)控制器可以覆蓋工廠所有環(huán)節(jié)的控制要求且系統(tǒng)編程語(yǔ)言符合iec61131-3標(biāo)準(zhǔn)。2.2.2 開(kāi)放的tcp/ip協(xié)議以太網(wǎng)技術(shù)abb ac800f控制器系統(tǒng)通信模件為標(biāo)準(zhǔn)tcp/ip協(xié)議以太網(wǎng)模件，使系統(tǒng)無(wú)須增加設(shè)備就可與工廠局域網(wǎng)連接；由于系統(tǒng)支持各種opc數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)與各種第三方數(shù)據(jù)庫(kù)或軟件的數(shù)據(jù)交換更加容易。2.2.3 整體冗余切換技術(shù)用2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器ac800f可實(shí)現(xiàn)控制器1：1冗余，每個(gè)ac800f上都有兩個(gè)以太網(wǎng)卡ei803f，提供10baset接口，第一個(gè)用于連接系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（digi

7、nets），2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制器ac800f的第二個(gè)網(wǎng)卡之間彼此互連，形成專(zhuān)門(mén)的冗余通訊鏈接（diginetr），以確保主從ac800f之間的信息同步。一旦主ac800f故障，從ac800f能迅速無(wú)擾動(dòng)的接替工作，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)整體切換。2.2.4 profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)profibus-dp用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息?？偩€循環(huán)時(shí)間必須要比主站（plc）程序循環(huán)時(shí)間短。除周期性用戶(hù)數(shù)據(jù)傳輸外，profibus-dp還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。 3 實(shí)現(xiàn)的主要控制功能和技術(shù)特色本控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)整個(gè)空

8、分流程中空氣壓縮、空氣預(yù)冷、空氣純化、增壓壓縮、膨脹透平、氧氮精餾、氬精餾、氮?dú)鈮嚎s等子系統(tǒng)的自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程手動(dòng)操作及上位機(jī)管理，可完整地監(jiān)控整個(gè)空分系統(tǒng)的生產(chǎn)情況。3.1 在手動(dòng)方式下，可通過(guò)計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)對(duì)所有受控閥門(mén)、水泵、液體產(chǎn)品泵進(jìn)行控制，也可對(duì)分子篩凈化器進(jìn)行單步操作。3.2 在自動(dòng)方式下，主dcs主要實(shí)現(xiàn)了下列功能：（1）2臺(tái)分子篩凈化器吸附/再生周期的自動(dòng)切換；（2）空冷塔液位、水冷塔液位、下塔液空液位、主冷凝器液氧液位、氧氣換熱器液氧液位、粗氬塔液氬液位、粗氬塔冷凝器液空液位、純氬塔上部液氮液位、純氬塔下部液氬液位等十幾個(gè)液位控制回路的自動(dòng)調(diào)節(jié)；（3）污氮進(jìn)純化系統(tǒng)流量、增

9、壓機(jī)進(jìn)口流量、污氮出冷箱壓力、下塔壓力、液氧泵出口壓力、產(chǎn)品氧氣去用戶(hù)和放空流量、產(chǎn)品氮?dú)夥趴樟髁俊⒁簹灞贸隹趬毫?、純氬塔上部壓力等十幾個(gè)流量、壓力回路的自動(dòng)控制；（4）自潔式過(guò)濾器阻力自動(dòng)控制，分子篩加熱爐溫度自動(dòng)控制；（5）空冷塔阻力和出口壓力、膨脹機(jī)和增壓機(jī)密封氣壓力報(bào)警聯(lián)鎖控制、油泵啟/停聯(lián)鎖控制等。3.3 空氣壓縮機(jī)plc控制采用siemens s7-400 plc，人機(jī)界面采用eview觸摸屏?？刂破髋c人機(jī)界面之間使用串行通訊，即cpu414-2模板所帶的mpi接口通過(guò)siemens pc適配器轉(zhuǎn)換成rs232口與人機(jī)界面的rs232串口相連；通過(guò)以太網(wǎng)模塊與abb ac800f

10、dcs實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊,實(shí)現(xiàn)了空氣壓縮機(jī)溫度、壓力、流量、位移、振動(dòng)等各種工藝參數(shù)的集中監(jiān)視、記錄、歸檔并報(bào)警；壓縮機(jī)啟動(dòng)和緊急停車(chē)等順序聯(lián)鎖控制以及重要的“三線聯(lián)防”防喘振控制。喘振通常表現(xiàn)為快速的流量和壓力振蕩，使壓縮機(jī)的流量和壓力極其不穩(wěn)定。由于一般情況下，同時(shí)伴隨有反向的軸向推力和反向流動(dòng)，從而造成間隙改變，使壓縮機(jī)的效率降低，壽命縮短，造成嚴(yán)重危害。萊鋼10#制氧機(jī)空壓機(jī)的特性曲線和喘振曲線見(jiàn)下圖2。(1) 快開(kāi)慢關(guān)功能：任何一臺(tái)機(jī)組在發(fā)生喘振時(shí)，都希望防喘振控制器能快速響應(yīng)，快速打開(kāi)防喘振閥門(mén)，以防止危險(xiǎn)發(fā)生；但在關(guān)閉閥門(mén)的過(guò)程中，也希望能慢慢地關(guān)閉，以防止發(fā)生喘振震蕩?？扉_(kāi)慢關(guān)功能在

11、接到喘振信號(hào)后，它能夠快速、及時(shí)的打開(kāi)防喘振閥門(mén)，在關(guān)閉閥門(mén)時(shí)，控制信號(hào)也將以指數(shù)函數(shù)慢慢關(guān)閉閥門(mén)。(2) 手動(dòng)/自動(dòng)切換及保護(hù)功能：該系統(tǒng)具有手動(dòng)/自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換功能。另外，在手動(dòng)方式下，操作員難免會(huì)發(fā)生誤操作，該系統(tǒng)特有的手/自動(dòng)保護(hù)功能便能克服這一缺點(diǎn)，它可以自動(dòng)檢測(cè)操作員送來(lái)的信號(hào)，若信號(hào)錯(cuò)誤，它便不接收而仍設(shè)為默認(rèn)值，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。(3) 在喘振控制線a附近進(jìn)行閉環(huán)控制：在軟件中建立防喘振控制a線，它在喘振線的c右側(cè)，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行在防喘振控制線a右側(cè)時(shí)，輸出為20 ma，防喘振閥完全關(guān)閉；當(dāng)壓縮機(jī)操作點(diǎn)即將到達(dá)防喘振控制線a時(shí)，防喘振算法設(shè)計(jì)為打開(kāi)防喘振閥，當(dāng)操作點(diǎn)緩慢移動(dòng)

12、時(shí)，防喘振控制將以pid回路控制防喘振閥，使操作點(diǎn)保持在控制點(diǎn)處。(4) 到喘振控制快開(kāi)線b進(jìn)行開(kāi)路控制：在軟件中建立了喘振控制快開(kāi)線b。它在喘振控制線a的左側(cè)，喘振線c的右側(cè)，這對(duì)于較大的擾動(dòng)是有效的，如果防喘振控制無(wú)法將操作點(diǎn)保持在控制點(diǎn)處，操作點(diǎn)仍向左移動(dòng)，一旦到達(dá)快開(kāi)線b，防喘振控制將由控制器輸出一階躍信號(hào)，將防喘閥開(kāi)至預(yù)定開(kāi)度，如果操作點(diǎn)停止移動(dòng)，控制器信號(hào)將以指數(shù)函數(shù)慢慢增大（慢慢關(guān)閉閥門(mén)），直到進(jìn)入pid控制。3.4 氮?dú)鈮嚎s機(jī)plc控制采用美國(guó)ab slc5 plc，主要完成壓縮機(jī)溫度、壓力、流量、位移、振動(dòng)等各種工藝參數(shù)的監(jiān)視、報(bào)警；壓縮機(jī)啟動(dòng)和緊急停車(chē)等順序聯(lián)鎖控制，以及入

13、口導(dǎo)葉和防喘閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)。3.5 分子篩的順序、邏輯控制根據(jù)分子篩的工藝要求、freelance2000控制系統(tǒng)控制功能特點(diǎn)和用戶(hù)的需要，主要完成下列控制功能：分子篩閥門(mén)的順序、邏輯控制；各閥門(mén)的位置反饋和監(jiān)控；電加熱器溫度聯(lián)鎖控制；運(yùn)行時(shí)間修改；異常報(bào)警打印等，使控制更加完善，操作更加簡(jiǎn)單方便。3.5.1 順序、邏輯控制根據(jù)吸附劑吸附和再生的技術(shù)要求，確定分子篩吸附、再生（包括均壓、泄壓、加溫、冷吹）等各階段的時(shí)間。用梯形圖的方式編輯控制程序，控制各階段閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。3.5.2 位置反饋和監(jiān)控為保證生產(chǎn)安全進(jìn)行，各閥門(mén)增加了位置反饋信號(hào)。它由現(xiàn)場(chǎng)電接近開(kāi)關(guān)提供，并在監(jiān)控畫(huà)面中顯示各閥門(mén)狀態(tài)

14、。為便于區(qū)分兩分子篩運(yùn)行和再生狀態(tài)，將兩分子篩及管道畫(huà)面作成動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)將四組電加熱器的情況也作成動(dòng)態(tài)顯示，方便了操作。3.5.3 電加熱器溫度控制電加熱器由兩組可控硅組成，分別為主加熱器、輔加熱器。電加熱器內(nèi)部有一保護(hù)開(kāi)關(guān)，出口處有兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)加熱器出口處再生氣體溫度，加熱器的投運(yùn)主要受這兩點(diǎn)溫度和分子篩運(yùn)行階段控制。3.5.4 壓力聯(lián)鎖控制由于吸附和再生的兩分子篩內(nèi)部壓力相差很大，直接切換會(huì)破壞其內(nèi)部各層吸附劑結(jié)構(gòu)，因此切換前需要先均壓，切換后對(duì)要再生的分子篩進(jìn)行泄壓，這部分控制設(shè)計(jì)為壓力聯(lián)鎖控制。均壓時(shí)壓力要高于設(shè)定值,均壓才能確認(rèn)，否則程序?qū)⑼Ｖ惯\(yùn)行，同時(shí)產(chǎn)生異常報(bào)警；泄壓時(shí)

15、壓力低于設(shè)定值，泄壓確認(rèn)，否則程序也將停止運(yùn)行，同時(shí)產(chǎn)生異常報(bào)警，壓力確認(rèn)后才能運(yùn)行下一段程序。3.5.5 來(lái)電確認(rèn)制采用延時(shí)繼電器實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)自身電源的監(jiān)測(cè)，并聯(lián)鎖分子篩切換程序的啟/停保持。所采用延時(shí)繼電器工作特性如圖3所示：圖3 延時(shí)繼電器工作特性圖3中，t為繼電器的延時(shí)時(shí)間。只要延時(shí)時(shí)間足夠長(zhǎng)，當(dāng)電源開(kāi)始正常時(shí)，控制器在小于t的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)完畢，此時(shí)控制器檢測(cè)延時(shí)繼電器的觸點(diǎn)為斷開(kāi)狀態(tài)，在軟件中用該信號(hào)置位一個(gè)保持繼電器c，使分子篩程序停止運(yùn)行。只有操作工在畫(huà)面上操作一個(gè)復(fù)位按鈕an且延時(shí)繼電器觸點(diǎn)閉合時(shí)，該繼電器被復(fù)位，程序重新運(yùn)行。梯形圖如圖4所示。圖4 分子篩程序運(yùn)行/停止梯形圖另

16、外增加了分子篩運(yùn)行狀態(tài)控制電加熱器能否投運(yùn)的程序，該梯形圖在此不做贅述。這樣當(dāng)系統(tǒng)突然失電時(shí)，控制器也失電，此時(shí)控制器檢測(cè)不到失電信號(hào)；但是當(dāng)電源恢復(fù)正常后，控制器恢復(fù)正常在t時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)完畢，能檢測(cè)到失電信號(hào)，當(dāng)操作工手動(dòng)操作監(jiān)控畫(huà)面上的“來(lái)電確認(rèn)”按鈕進(jìn)行復(fù)位后，程序才能在停止的地方繼續(xù)運(yùn)行。在實(shí)際工作中，我們經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，設(shè)定繼電器的延時(shí)時(shí)間為90秒時(shí)，就可保證程序的安全停止。3.6上位機(jī)監(jiān)控功能（1）畫(huà)面顯示：顯示系統(tǒng)主菜單、工藝流程參數(shù)和運(yùn)行工況、運(yùn)行方式、設(shè)備狀況、故障狀態(tài)、實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)等。（2）系統(tǒng)運(yùn)行操作：分子篩凈化器吸附/再生周期的自動(dòng)切換或單步執(zhí)行，大型單體設(shè)備（如空壓機(jī)、氮壓機(jī)、膨脹機(jī)、水泵等）的啟/?？刂啤＃?）報(bào)表管理：