【論文摘要】文章介紹了萊鋼10#制氧機(jī)組控制系統(tǒng)的配置與控制功能。設(shè)計(jì)中采用的現(xiàn)場(chǎng)總線、DCS、PLC技術(shù)相結(jié)合的控制方案非常先進(jìn)，對(duì)于自動(dòng)化控制的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有著很大參考價(jià)值。

      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，F(xiàn)1~F4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)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，形成專門的冗余通訊鏈接（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)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（0~11），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1~11個(gè)槽可混插各種類型的I/O模件。
      空氣壓縮機(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)　　　　　　　　（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，形成專門的冗余通訊鏈接（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。總線循環(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)鍵盤和鼠標(biāo)對(duì)所有受控閥門、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)品氧氣去用戶和放空流量、產(chǎn)品氮?dú)夥趴樟髁俊⒁簹灞贸隹趬毫Α⒓儦逅喜繅毫Φ仁畮讉€(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。控制器與人機(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 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，以防止危險(xiǎn)發(fā)生；但在關(guān)閉閥門的過(guò)程中，也希望能慢慢地關(guān)閉，以防止發(fā)生喘振震蕩。快開(kāi)慢關(guān)功能在接到喘振信號(hào)后，它能夠快速、及時(shí)的打開(kāi)防喘振閥門，在關(guān)閉閥門時(shí)，控制信號(hào)也將以指數(shù)函數(shù)慢慢關(guān)閉閥門。

      (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)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），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)和緊急停車等順序聯(lián)鎖控制，以及入口導(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)和用戶的需要，主要完成下列控制功能：分子篩閥門的順序、邏輯控制；各閥門的位置反饋和監(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)面中顯示各閥門狀態(tài)。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)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2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/停控制。
      （3）報(bào)表管理：顯示和追加系統(tǒng)記錄報(bào)告，實(shí)時(shí)打印系統(tǒng)事件報(bào)告， 定時(shí)打印系統(tǒng)運(yùn)行班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)等報(bào)表。
      （4）報(bào)警功能：顯示故障區(qū)域流程圖，故障設(shè)備圖形變色或閃爍，屏幕上方用漢字顯示故障發(fā)生時(shí)間及性質(zhì)，打印機(jī)自動(dòng)打印故障內(nèi)容及發(fā)生時(shí)間。

      4. 結(jié)語(yǔ)
　　現(xiàn)場(chǎng)總線、 DCS、SIEMENS和AB PLC等先進(jìn)控制技術(shù)的綜合采用，以及“可變周期任務(wù)運(yùn)行”、 “三線聯(lián)防”防喘振、先進(jìn)控制功能的實(shí)現(xiàn)，使得該機(jī)組自建成投產(chǎn)以來(lái)，工作穩(wěn)定，安全性和可靠性高,故障停機(jī)率低,機(jī)組產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量穩(wěn)定，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

      參考文獻(xiàn)：
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