組態王在利用VPSA技術進行空氣分離行業的應用

一、前言

空分設備是將空氣中的氮氣、氧氣分離中來的一種配套設備。近年來，中小型（氮氣或氧氣產量在10000m3/h以下）空分系統多采用“PLC+上位軟件”方式控制，控制系統的穩定性和實施的方便性受到廣大用戶的青睞。

VPSA（變壓吸附）分離技術是采用加壓吸附、降壓解吸的方式分離空氣中的氮氣和氧氣，為用戶提供氣體單體，根據吸附劑的不同，系統分離出氮氣或者氧氣。采用VPSA技術進行空氣分離的空分系統和傳統的深冷法相比較具有設備起動快、投資少、建設周期短、綜合能耗低等特點。對于污水處理、鋼鐵等行業，系統完全可以滿足用戶用氧需求。

二、工藝簡介

以變壓吸附制氧工藝（見圖1）為例，空分系統設備由鼓風機、真空泵、吸附器、換熱器、氧壓機等多個主設備組成，還有一些輔助系統如循環水系統、儀表空氣系統。

空氣經過濾器去除空氣中雜質，由鼓風機壓縮、換熱器降溫，從吸附器下部進入吸附器，吸附器內裝填具有選擇性吸附空氣中 水分、C02和碳氫化合物的吸附劑，還裝有具有選擇性吸附空氣中氮氣的吸附劑。空氣通過吸附床層時，空氣中H20、CO2、碳氫化合物，氮氣被吸附劑選擇性吸附，氧氣產品從吸附器頂部流出。吸附劑飽和后，通過降低吸附器工作壓力實現吸附組分解吸，外流出吸附器。每一個循環， 吸附器都經歷了吸附、順向放壓、真空解吸、均壓、充壓五個工作步驟。

這五個工作步驟是通過氣動切換閥切換來實現的。氣動切換閥的動作由PLC控制系統根據沒定的程序控制閥門的自動切換。

三、控制系統構成

空分控制系統主機選用具備雙CPU硬冗余PLC產品，上位機軟件使用北京亞控公司的組態王，系統按照無人值守管理要求設計和儀表配置。采用PLC邏輯程序和上位機使用組態王監控軟件的聯合控制模式，具備各種通訊和遠程監控功能。PLC和組態王均采用冗余結構配置，網絡架構采用光纖冗余環網的結構，大大提供了系統的穩定性和可操作性。具體結構如圖2所示：

如上圖所示，下層PLC控制系統采用雙CPU硬件冗余結構，PLC的動作切換在毫秒內完成，保證系統的安全性、及時性。上位機系統主要有IO服務器、登錄服務器、報警服務器、歷史服務器、web服務器組成。

1、IO服務器主機和IO服務器從機組成上位機雙機熱備，系統正常運行的時，主、從機都啟動，但從機不采集實時數據，而通過網絡獲取主機數據，同時負責對主機進行監聽。主機停機后，從機采集數據并完全取代主機功能，主機恢復運行后，從機停止數據采集，系統恢復正常狀況。

2、工程師站上可以進行上位機組態、修改組態程序、修改PLC程序，他的權限比較大。

3、根據項目大小、待處理數據量大小，可以選擇登錄服務器、報警服務器、歷史服務器三臺服務器，也可以使用一臺服務器擔當三個角色。同時也可以作為中控室的調度站。

4、WEB服務器獨立存在，專門負責數據的網絡發布、供客戶端瀏覽。

5、客戶端用戶訪問數據要通過防火墻，它可以限制IP訪問和數據流傳輸方向，保證網絡了安全。

組態王軟件實現的主要功能為：

－數據采集：實時就地集中監測鼓風機、空壓機、真空泵、氧壓機、等運行狀態及各主要運行參數，并且能實時顯示其運行狀態圖和數值。通過組態王進行系統開發，實現實時數據曲線、歷史數據曲線、PID參數設置、閥門時序控制設置等操作。

－報警功能：組態王可以實現蜂鳴報警或者聲光報警，當采集的數據超出設置的各段數值時，給出報警，操作員或決策者就應該注意采取措施，同時給與權限的工作人員能在線直接修改參數。

－遠程控制：在整個控制中比較多吸附塔部分，主要是對閥門開關控制，實現分子篩的自動解吸;閥門的時序動作采用配方控件來世間，簡單、快捷、方便。有些閥門的控制是根據管線氣體壓力過大，進行開閥放空的操作，個別的調節閥PID控制主要由PLC來實現，組態軟件在上位機僅對其進行一些參數設置。氧壓機、真空泵和鼓風機控制主要是對電機啟停控制，當設備振動監測報警以后會自動停止設備的運行。

－歷史數據記錄和查詢：數據能實時被采集的上位機中，同時能寫入數據庫中，數據庫也實時更新并存儲，用戶可以通過實時曲線查看數據狀態，通過查看歷史曲線、直接查詢數據庫等操作對歷史數據進行查詢和進一步的對數據分析。

－操作歷史記錄：組態王中能對每次操作記錄能自動記錄，同時在實際管理中對其操作的人員也只能是具有權限的工作人員或者總工能對其操作，這樣能進一步的保障系統的安全，穩定運行。

－在線查詢各報表并自動打印：根據客戶的需求，可在線查看各種報表、并實現自動打印。如班報、日報、月報表等。

四、總結

本文介紹了組態王在中小型空分系統上位機監控的應用，系統多處采用了冗余設計結構供用戶選擇，并經過了實際的工程驗證，受到用戶的一致好評。組態王作為上位機監控軟件完成對現場數據監測的同時，提供多種控件功能來滿足客戶的實際需求，很好的完成了上位機監控任務。考慮整個空分系統的安全，一些聯鎖動作和PID控制還建議用戶在PLC部分來實現。這樣，即使上位機系統暫時癱瘓也不會影響系統的整體運行。

總之，“組態軟件+PLC”的控制模式完全可以滿足中小型空分系統的控制要求，系統具有實施方便、運行穩定、靈活、可擴展性等特點。隨著技術的成熟，設備規模不斷擴大，可以滿足中小型空分市場的需求。近年來，變壓吸附空分技術依靠自身優勢，在一些行業已經逐步取代了傳統的深冷法空分技術。