過程控制在空分裝置中應用

　　萊鋼12000m3／h空分裝置全套引進德國林德公司的技術設備，采用空氣低溫精餾法生產高純度的氧氣、氮氣和氬氣。其簡要生產工藝過程如下：原料空氣經壓縮、預冷，并在分子篩站除去水分和CO2，進入冷箱后分成兩股，一股經主換熱器逆流冷卻進入高壓塔，另一股經膨脹降溫進入低壓塔。空氣經高壓塔、低壓塔兩級精餾，在低壓塔頂部分離出氣氮、液氮，在其底部分離出液氧。在低壓塔中部抽出富氬的氬餾分（約含90％O2、10％Ar和0.05％N2），送往初級粗氬塔中除去氧分，從初級粗氬塔頂部引出氣態氬（純度約99.8％）送到次級粗氬塔底部，進一步除去氧分。最后，含氧量小于0.0001％的氬送往純氬塔除去氮和碳氫化合物，生產出純氬。

1 控制系統結構

　該空分裝置采用了加拿大Elsag公司的INFI-90控制系統，其中INFI-90DCS作為過程控制系統，完成數據采集、回路調節及邏輯順序控制；DECAlpha200計算機用于自動變負荷控制（ALC）。為了保證大型設備安全、可靠地運行，在現場選用了5臺PLC，分別完成空壓機、氮壓機、氧壓機和兩臺膨脹透平機的局部控制。主控室中配有1臺工程師工作站、1臺操作員監控站、1臺自動變負荷過程站和3臺打印機，用于生產過程監控，軟件組態及圖形、報警打印。控制系統網絡結構如圖1所示。

圖1 控制系統網絡結構示意圖

　該系統配置的最大特點是具有冗余功能，包括：

　 INFI-NET環的雙環熱態冗余。
　 兩塊網絡接口模件硬線配置成互為冗余，保證上環網的數據不中斷。
　 4個多功能處理器分別用硬線配置成兩對互為冗余模塊，保證系統程序執行不中斷。
　工程師工作站與操作員監控站通過以太網配置成冗余，共享兩臺打印機。

2 控制功能

　 2.1 DCS過程控制

　 ElsagDCS主要完成產品加工區、存儲區的數據采集和回路控制。控制回路主要有空壓機吸入空氣的流量控制；空冷塔、水冷塔的液位控制；兩分子篩的運行步驟及切換控制；冷箱內各精餾塔及管道內的壓力、流量、溫度控制；存儲罐內的液位及壓力控制等等。

　 為使整個生產過程運行穩定，各回路間都設有級聯控制。該空分裝置主要是制取氧氣，氧氣流量調節回路如圖2所示。

圖2 氧氣流量調節回路組態示意圖

　 由于氧氣流量調節會影響到氬餾分、氧氣壓力、氧氣溫度的變化，聯鎖停車信號會使回路處于安全設定值狀態，因此設計過程中需考慮到這些因素的存在，使之處于級聯狀態，保證了氧氣流量的安全調節。
　 PID回路調節是由PID功能塊和控制站功能塊組成，它有3種工作方式。

　（1） 手動方式操作員在監控畫面上直接修改閥門開度的輸出值，達到手動控制現場設備的目的。

　 （2） 自動方式操作員通過監控畫面修改控制站功能塊的設定值1，由PID回路根據此設定值與測量值的偏差自動調節閥門的開度。

　 （3） 級聯方式與自動方式基本相同，但控制站功能塊的設定值2是由內部程序修改，在監控畫面上不能修改此設定值。

　 2.2 ALC

　 ALC是指通過DECAlpha200計算機中已組態好的實時數據庫（DHI）與DCS系統進行通信，以控制現場25個主要控制回路，改變空分裝置的運行負荷，即改變空氣的吸入量和能耗，并自動地按照一定算法改變后續工序的相應重要生產參數，實現氧氣產量隨需求量的變化而變化的自動調節，調節范圍為設計產量的70％～100％。這樣就可降低生產成本，提高經濟效益。

　 2.2.1 ALC系統主要功能

　 （1） 操作員接口

　 用于氣氧產品目標產量的設定和自動變負荷全過程的監視。為保證生產安全，該氣氧產品目標產量設定點有上、下限值。

　 （2） 計算塊和設定點斜坡函數

　 用于ALC所控制的25個控制回路的各個目標設定點及其他重要工藝參數的計算。

　 （3） 數據傳送

　 用于DEC Alpha200計算機計算出的各控制回路設定點的值到相應控制回路的動態傳送，其數據每5s刷新一次。ALC系統啟動前，受ALC控制的所有控制回路必須設定在適當的操作狀態（即自動／串級）。一旦出現錯誤的信號，ALC便自動停止數據的傳送，保持當前狀態，同時發出聲、光報警信號。

　（4） 歷史趨勢圖顯示

　 用于顯示自動變負荷控制過程中主要控制回路的參數曲線，以便于操作人員監視生產狀況。

　（5） 安全運行

　自動變負荷可以隨時啟動或停止，當25個控制回路中有1個出現錯誤時，變負荷將自動停止，各回路保持在當前狀態。

　　2.2.2 控制原理

　 對于每個控制回路來說，不同的氧產量值，對應著不同最佳設定值。在ALC系統內部設置了一套自己的專家控制系統，它是由上千組不同氧產量值對應不同控制回路的最佳經驗設定值組成。每次變負荷之前，系統根據當前各控制回路的工藝值、當前氧產量值、輸入的氧產量變量值、設計氧產量的最大最小值，計算出各控制回路的最終目標設定值和當前狀態（OK或ERRO）；并且在從當前氧產量向目標氧產量的變化過程中，按照每次改變量不能超過上次氧產量值的5％的原則，每5s改變一次氧產量值，即每5s計算并發送一次各控制回路的設定值，并計算出完成本次變負荷所需要的時間，再由氧產量和完成變負荷的時間構成一個一次函數，這就是斜坡方程。該斜坡方程控制曲線如圖3所示。ALC系統每次運行都是按照這一計算好的斜坡方程軌跡運行，直到運行時間結束。ALC系統控制運行流程圖如圖4所示。

圖3 斜坡方程控制曲線示意圖

圖4 ALC系統運行流程圖

　2.3 PLC局部控制

　 PLC局部控制由4臺SIEMENS S5-115U 945和1臺三菱MELSEC A1S PLC組成，用來完成主廠房內空壓機等大型主體設備的啟動、停止、運行的邏輯控制，回路控制及運行狀態監視。

3 通信方式

　 3.1 DCS系統通信方式

　 該集散控制系統采用了INFI-NET環、控制總線（Controlway）和輸入／輸出擴展總線3層通信結構。

　 （1） INFI-NET環是一個無主站、封閉環路、緩沖器插入型的環行通信網絡，由一對冗余的同軸電纜和相應的通信端子單元構成，最多支持250個節點，通信速率為10Mb/s。

　（2） 控制總線是一個1Mb/s的串行通信鏈，最多支持32個多功能處理器，允許過程數據、文件數據和計算機數據的交換，也能處理組態下裝和參數整定，并可通過網絡處理模件從INFI-NET環接收或發送例外報告。

　（3） 輸入／輸出擴展總線處理數字量I／O模件和模擬量I／O模件與多功能處理器之間的數據通信。它是一個高速并行通信通道，其總線寬為8個數據位，傳輸速率為0.5Mb/s。

　 3.2 ALC系統與DCS間的通信

　 ALC系統通過計算機的網絡接口模塊與INFI-NET環相連，它與DCS間的通信要經過DCS驅動器，將數據轉換成兩個系統都能接受的協議形式。通信示意圖如圖5所示。

圖5 ALC與DCS通信

4 結束語

　 該集散控制系統于1996年11月開始調試，1997年9月20日通過考核驗收，自動控制系統運行穩定，控制功能和控制精度符合生產工藝的要求。當氧產量從70％上升到100％時，ALC所需時間約為40min；氧產量從100％下降到70％時，ALC所需時間約為60min，耗電量是100％工況時的77.7％，大大降低了生產能耗，提高了經濟效益。該系統基本達到無人控制，產品各項指標均達到合同要求，且重要的工藝參數可通過以太網傳送到廠級管理計算機，對于冶煉用氣的合理調度具有重要意義。