摘要：文章詳細的描述了分子篩純化系統、污氮流量、氧壓機啟停等自動控制的實現，并且介紹了與其它設備進行通訊。Quantum控制系統的投入提高了控制系統的可靠性，簡化了操作過程，保證了制氧機長期穩定運行。 關鍵詞：Quantum；控制；制氧機；網橋 ０ 概述 　　隨著新疆八一鋼鐵公司近年來產能的不斷擴大，對氧氣量的需求驟增，因此新建了兩套20000m3/h制氧機組以滿足鋼鐵生產的需要。 　　本工程采用法國施耐德電氣公司Quantum系列控制器，對空分部分（分子篩系統、空氣預冷系統、空分塔等）和氧壓機部分進行全過程的數據采集、過程控制和緊急聯鎖控制，同時BM85網橋依照Modbus通訊協議與空壓機和氮壓機進行實時通訊，實現了各個生產過程的監視、控制與操作。 １　系統構成及軟硬件配置 １.１　系統構成 　　 集散系統的結構如圖１所示，由２個控制站和４個監控站組成。#1控制站采用雙纜熱備配置，#2控制站采用單纜配置，站內通過同軸電纜配置為遠程IO（RIO），控制站間使用屏蔽雙絞線經交換機進行以太網通訊。另外，由于現場設備空壓機和氮壓機的實時數據也要進入集散系統參與顯示，因此#1控制站還外掛了１個MB+網，通過BM85網橋采集空壓機和氮壓機送來的數據。 １.２　軟硬件配置 　　 Quantum控制系統的CPU使用基于Intel 586技術的140CPU53414A，存儲容量可達4M，其浮點運算協處理器的使用極大提高了過程控制中對模擬量處理、回路調節等的運算速度。在選用I／O模塊時，出于安全的考慮，每個I／O模塊上的通道數均不超過16個。所有的I／O模塊均具有帶電插拔功能，便于生產過程中能及時更換。 Quantum控制系統可使用Windows環境下的Concept軟件進行編程。Concept 提供了模擬量處理、標準及串級PID調節、PID整定、函數發生器等多種回路調節功能，可使用儀控人員熟悉的功能塊圖進行編程，還可選擇高級語言進行復雜數學算法。用戶可針對特定應用自定義功能塊并反復使用，支持功能塊嵌套。 ２　工藝流程 ⑴ 本裝置采用分子篩凈化空氣的帶增壓膨脹機、上塔采用填料塔、全精餾制氬、外壓縮流程； ⑵ 原料空氣在對過濾器AF中除去了灰塵和機械雜質后，進入空氣透平壓縮機，將空氣壓縮到約0.615MPa，然后送入空氣冷卻塔AC進行清洗和預冷。空氣從空氣冷卻塔的下部進入，從頂部出來。空氣冷卻塔的給水分為兩段，冷卻塔的下段使用經過用戶水處理系統冷卻過的循環水，而冷卻塔的上段則使用經氮-水冷卻塔WC冷卻后的低溫水，從而使空氣冷卻塔出口空氣溫度達到19℃。空氣冷卻塔頂部設有絲網除霧器，以除去空氣中的機械水滴。 ⑶ 出空冷塔的空氣進入交替使用的分子篩吸附器MS。在那里原料空氣中的水份、CO2、C2H2等不純物質被分子篩吸附。 ⑷ 凈化后的加工空氣分為兩股，一股進入主換熱器E1，與返流的部分污氮氣和低壓氮氣產品換熱后進入下塔C1進行精餾。另一股經空氣增壓機一級壓縮后再分為兩股，一股相當于膨脹量的空氣經增壓膨脹機的增壓端增壓后再經氣體冷卻器冷卻，進入主換熱器E1，從主換熱器中部抽出，進入膨脹機ET，膨脹后進入下塔C1進行精餾。另一股氣體經空氣增壓機二級壓縮，再進入主換熱器冷卻，節流后進入下塔。空氣經下塔初步精餾后，在下塔底部獲得液空，在下塔頂部獲得純液氮。 ⑸ 從上塔中部抽取一定量的氬餾份送入粗氬塔，粗氬塔在結構上分兩段，第二段氬塔底部的回流液經液體泵送入第一段頂部作為回流液，經粗氬塔精餾得到98.5%Ar，2ppm O2的粗氬，經液化器液化后送入精氬塔中部，經精氬塔精餾在精氬塔底部得到純度為99.9997%Ar的一部分精液氬作為產品抽出送入貯槽。 ⑹ 從附塔頂部抽出純氮氣，行經過冷器、主換熱器復熱后出冷箱供用戶。 ⑺ 從上塔頂部引出污氮氣，行經過冷器、主換熱器復熱后出冷箱，然后進入電加熱器作為分子篩再生氣體，多余氣體送水冷塔或放空。 ３ 空分控制系統 在空分控制系統中涉及了分子篩吸附器切換控制、污氮流量控制、膨脹機聯鎖控制、氬系統控制等多個回路調節，他們的調節質量直接影響空分系統能否穩定運行。其中，分子篩吸附器閥門切換和污氮流量控制是整個空分系統控制的重點和難點。 ３.１　分子篩純化器切換控制 本套制氧機分子篩純化系統選用臥式雙層床結構的純化器，采用吸附法凈化空氣中的水分、二氧化碳、乙炔和其它碳氫化合物。吸附法就是用活性氧化鋁、分子篩等吸附劑在常溫下將空氣中所含的水分、二氧化碳等吸附質吸附，加熱再生時利用吸附劑高溫下吸附容量減小的特性，在把吸附質解吸出來，從而達到連續凈化空氣的目的。 在分子篩純化器切換控制中，主要控制分子篩在再生過程中的閥門切換。分子篩再生過程共分５個步驟，他們是卸壓、加熱、冷卻、升壓和切換。 卸壓：分子篩純化器在較高工作壓力下完成工作，而在較低的的壓力下進行脫附再生。在純化器由吸附轉為再生時，首先將純化器內的壓力降下來。此時緩慢打開純化器旁通閥對純化器卸壓。純化器出口壓力小于0.01MPa方可進入加熱階段，如卸壓時間走完，純化器出口壓力仍大于0.01MPa，程序暫停。 加熱：加熱階段開始后，經再生電加熱器加熱過的高溫污氮氣通過分子篩床層，對其進行加熱。在加熱階段，設置了電加熱器運行聯鎖條件，包括污氮流量小于10000m3/h停機、電加熱器溫度高于聯鎖值停機等條件，其中電加熱器溫度聯鎖值可由運行人員在監控畫面上修改。同時由于在加熱階段不用全部電加熱器都打開，因此還在監控畫面上設置了選擇鍵，當就地控制箱手柄打到DCS控制進入加熱階段后就自動啟動運行人員選中的電加熱器，減少了運行人員的工作量。 冷吹：冷吹開始后，關閉電加熱器，污氮通過旁路進入純化器，將床層中的熱量帶出來，從而為再次投入使用做準備。在冷吹過程末段，需要關閉相應的冷吹閥，同時打開污氮放空閥，在這兩個閥門切換完后，才能開始升壓步驟。由于這兩個閥門總的開關時間可調，因此在程序中用總的冷吹時間減去閥門的開關時間，得到的這個時間點作為兩個閥門開始切換的條件。 升壓：升壓開始，關閉純化器放空閥，打開進氣閥，給純化器通入從預冷系統來的空氣，對純化器進行升壓。 切換：打開再生純化器空氣進氣閥和出口閥，兩個純化器都處于工作狀態，使兩個純化器均壓，它們之間切換不引起系統波動。 ３.２　污氮流量控制 為了穩定上塔壓力和塔內組分，需保持再生用污氮流量FIC1201的穩定，而在分子篩閥門切換過程中，由于加溫調節閥FIC1201A、冷吹調節閥FIC1201B、放空調節閥FIC1201C同時動作，給氮氣流量FIC1201穩定造成一定的影響。因此就存在這３個調節閥匹配的問題。 在分子篩切換的不同階段，３個調節閥的開關狀態是不同的，當一個調節閥開啟的同時，另一個調節閥要關閉，在這個過程中，為了保持再生污氮流量的恒定，程序設計調節閥在打開、關閉時段，閥門的開關過程分為５步，即閥門的開關呈階梯增減，５步階梯值可調。同時設置總的開關時間，這樣每步在開度值變化時可以穩定一定時間，減少系統擾動。通過５步開度值和總開關時間設定，經過不斷摸索，使閥門達到最佳匹配狀態，從而保持流量的穩定。 調節閥在打開時，是按時間分５步階梯形打開的，當閥門開度達到第５步開度值，表明閥門已開到穩態值，接著自動轉為PID調節。在切換過程中，閥門輸出值OP值賦給PID的輸出值，這樣在轉換為自動調節時，就實現了無擾切換。PID調節的設定值SP值為一個定值（19500m3/h），當調節閥轉換為自動調節后，閥門立刻根據現場實際值PV值與SP值的差值進行PID調節。調節閥在關閉時，自動從PID控制轉為手動控制，同時給閥門的OP值賦第１梯級關度值，按時間分５步階梯形關閉，最后將閥位輸出置０。 ４　氧壓機控制系統 本套制氧機配套的氧壓機是杭氧生產的2TYS100+2TYS76氧氣透平壓縮機，設計進氣壓力是80KPa,出口壓力是5MPa，流量是25000m3/h。 ４.１　氧壓機的自動調節系統 控制系統的主要調節回路有：吸入壓力及排出壓力調節系統，吸入氮氣壓力調節系統，混合氣體與氧氣差壓調節，軸封氮氣與混合氣體差壓調節，軸封氧氣與混合氣體差壓調節。 ４.１.１　吸入壓力及排出壓力調節系統 本系統為保證氧壓機吸入壓力和排出壓力恒定而設。通過檢測吸入壓力PIC3302，調節氧壓機入口導葉的開度，從而改變氧壓機的流量，以保持吸入壓力恒定。若由于供給氧壓機的氣量不足，以至于入口導葉關小到極限值，而此時吸入壓力仍低于規定值時，則由程序控制自動打開高壓旁通閥V3303，靠回流來維持吸入壓力恒定。 排氣壓力PIC3309與吸入壓力PIC3302經低值選擇由程序判斷輸出作為PV值參與控制高壓旁通閥V3303，另外排氣壓力PIC3309還作為高壓放空閥V3304的PV值，參與調節高壓放空流量。但是這兩個調節的SP值是不一樣的，應先打回流，后放空，確保排氣壓力不超過規定值，并且不影響其它的調節系統。 ４.１.２　吸入氮氣壓力調節系統 本系統為保證氧壓機在作氮氣運轉時的吸入壓力恒定而設。通過檢測吸入氮氣壓力PIC3313，調節保安及試車氮氣進口壓力調節閥V3317，靠改變補充氮氣量來維持吸入氮氣壓力恒定。 ４.１.３　混合氣體與氧氣差壓調節 　　 混合氣與進口氧氣差壓PDIC3302作為混合氣與進口氧氣壓差調節閥V3309的PV值，使調節閥通過改變開度值來保持混合氣體與吸入氧氣之間的差壓恒定。 ４.１.４　軸封氮氣與混合氣體差壓調節 軸封氮氣與混合氣體之間的差壓由差壓變送器送至控制系統，當差壓偏離設定值時，通過調節軸封氮氣與混合氣差壓閥V3312的開度，靠改變密封氮氣量來維持差壓設定值。當調節系統失效導致差壓降低至低１級時報警，低２值時停車。 ４.１.５　軸封氧氣與混合氣體差壓調節 軸封氧氣與混合氣體之間的差壓由差壓變送器送至控制系統，當差壓偏離設定值時，通過調節混合氣與氧氣平衡管壓差調節閥V3308的開度，改變由高壓缸軸封氧氣室流回低壓缸吸入管道的氧氣量來維持差壓設定值。當調節系統失效導致差壓降低至低１級時報警，低２值時停車。 ４.２　氧壓機的正常啟停和聯鎖停車 氧壓機的正常啟停包括四個步驟：啟動準備，啟動，停車準備，停車。聯鎖停車包括包括：氧壓機重故障停車，機殼或端密封器溫度異常停車。 ４.２.１　氧壓機的正常啟停 當氧壓機就地機旁箱選擇開關打到“自動”位置時，系統處于自動啟動與控制方式。運行人員點擊“啟動準備”鍵，系統自動完成１１個閥門的開關動作，同時投入啟動聯鎖。確認各閥門處于開車所要求的位置并且各工藝參數正常，運行人員點擊“啟動”鍵。在啟動警鈴響１０秒鐘后，氧壓機主斷路器合閘，啟動聯鎖切除，一分鐘后中壓旁通閥關閉，相應調節投入自動。進口壓力聯鎖和軸封差壓聯鎖由運行人員手動投入。 正常停車時，運行人員點擊“停車準備”鍵，氧氣放空閥全開，進口壓力聯鎖和軸封差壓聯鎖自動切除。打開高壓旁通閥，氧壓機主斷路器分閘，關閉氧壓機出口閥和氧氣放空閥。在確認各閥門的開關狀態后，運行人員點擊“停車”鍵，氧壓機正常停車步驟結束。 ４.２.２　氧壓機的聯鎖停車 在氧壓機正常運行過程中，發生氧壓機重故障停車，氧壓機主斷路器分閘，氧氣放空閥、高壓旁通閥和中壓旁通閥全開，氧壓機出口閥關閉。氧氣放空閥在全開５分鐘后關閉，同時氧氣進口閥關閉，此時運行顯示狀態從“啟動”轉為“停車”。 在氧壓機正常運行過程中，發生氧壓機溫度異常停車，氧壓機主斷路器分閘，氧氣進口閥關閉，保安氮氣閥打開，緊急噴氮１分鐘。氧氣放空閥、高壓旁通閥和中壓旁通閥全開，氧壓機出口閥關閉。緊急噴氮３分鐘后關閉氧氣放空閥，此時運行顯示狀態從“啟動”轉為“停車”。 ４.２.３　氧壓機的氮試 在氧壓機主斷路器合閘１分鐘后，中壓旁通閥應該關閉。在氮試試車時，此閥的關閉由運行人員手動完成，后續的步驟同氧壓機正常啟動。 ４.３　氧壓機２臺油泵的自動切換 氧壓機潤滑油系統共有２臺油泵，互為備用。#1油泵先啟，當潤滑油壓力低時，系統自動啟動#2油泵，當潤滑油壓力正常時停#1油泵，對其進行檢修。如#2油泵先啟，當潤滑油壓力低時，系統自動啟動#1油泵，當潤滑油壓力正常時停#2油泵。這樣做到“先啟先停，不分主備”，提高設備利用率，同時安全可靠。 ５　與其它設備通訊 根據設計要求，現場設備空壓機和氮壓機的實時數據要傳送到本套控制系統中用于監視，因此通過BM85網橋按MODBUS工業通訊協議采集其數據。 MODBUS協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準，有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。 通過BM85網橋，控制系統CPU與現場設備連接。在BM85網橋設置界面中設置通訊傳送方式、波特率、奇偶校驗、數據位個數及主從方式等。通訊形式采用主機請求，從機應答。即：主機提出命令請求，從機響應接收數據后作數據分析，如果數據滿足通訊規約，從機做數據響應。在程序中，采用MSTR功能塊讀出傳送來的數據。如圖２所示。通過對MBP_MSTR功能塊參數CONTROL和DATABUF設置可以對空壓機和氮壓機的數據進行讀寫。在參數CONTROL的中設置了（對空壓機和氮壓機傳來）數據只讀、讀取數據的長度，網橋在MODBUS網中的地址和網橋的通訊端口。參數DATABUF則指定接收數據端的存放連續數據的首地址。 總結 八鋼兩套20000m3/h制氧機工程于2007年3月底全部順利投產，自該系統投運以來，運行良好，達到了預期的效果，受到了用戶的好評。 參　考　文　獻 [1]陶文華，李曉峰．Quantum控制系統在焦化備煤系統中的應用．冶金自動化 [2]吳 慧．集散控制系統在寶鋼72000m3/h制氧機的應用．深冷技術 [3]劉 真，張 建．20000m3/h空分設備氧壓機全自動控制系統應用．深冷技術