【論文摘要】文章介紹了萊鋼10#制氧機組控制系統(tǒng)的配置與控制功能。設計中采用的現(xiàn)場總線、DCS、PLC技術相結合的控制方案非常先進，對于自動化控制的設計和應用有著很大參考價值。

      1 概述
      萊蕪鋼鐵集團有限公司于2003年12月投產(chǎn)的10#制氧機是一套22000m3/h內(nèi)壓縮流程制氧機組。該機組主體設備為杭州空分設備廠提供。采用分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機、規(guī)整填料塔、氧氣內(nèi)壓縮等先進工藝流程。整套機組包括：空氣預冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)、增壓透平膨脹機系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、氮氣壓縮系統(tǒng)、液體貯存系統(tǒng)等。萊蕪鋼鐵集團有限公司自動化部經(jīng)過論證后采用現(xiàn)場總線、DCS、PLC等先進技術相結合的控制方法，實現(xiàn)了該機組自動控制、數(shù)據(jù)通訊及上位機管理。

      2 控制系統(tǒng)硬件配置及技術特點
      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)點于一體，支持多種國際現(xiàn)場總線標準，既可連接常規(guī)I/O，又可連接Remote I/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等現(xiàn)場總線設備。系統(tǒng)分為兩級：操作管理級（OS、ES、網(wǎng)關GS）和過程控制級（過程站PS、現(xiàn)場控制器AC800F）。
      萊鋼10#制氧機DCS選用的是AC800F和Profibus現(xiàn)場總線，并帶有2個操作員站OS、1個工程師工作站ES，具有電源、操作站、控制器冗余功能。通過標準TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)，實現(xiàn)整個流程中空氣壓縮、空氣預冷、空氣純化、增壓壓縮、膨脹透平、氧氮精餾、氬精餾、氮氣壓縮等子系統(tǒng)的自動控制、數(shù)據(jù)通訊及上位機管理，可完整地監(jiān)控整個系統(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。1臺EPSON LQ-1600K針式打印機實時打印報警和操作；1臺彩色激光打印機打印報表、程序和畫面等。
      現(xiàn)場總線控制器AC800F由基本單元、電源和以太網(wǎng)卡、現(xiàn)場總線接口卡組成，其中：底板為基本單元PM802F，按照用戶組態(tài)的控制應用程序進行運算和控制；另有7個槽，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)場總線接口卡，本系統(tǒng)選用的是Profibus現(xiàn)場總線接口卡FI830F。
      用2個現(xiàn)場總線控制器AC800F可實現(xiàn)控制器冗余，主從AC800F之間可無擾動整體切換。每個AC800F上都有兩個以太網(wǎng)卡EI803F，提供10BaseT接口，第一個用于連接系統(tǒng)網(wǎng)絡（DigiNetS），2個現(xiàn)場總線控制器AC800F的第二個網(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能迅速無擾動的接替工作。
      組態(tài)結果和實時過程數(shù)據(jù)存儲在RAM中，以太網(wǎng)卡和電源卡上裝有RAM后備電池，可在掉電時保持組態(tài)內(nèi)容和數(shù)據(jù)。
      AC800F控制器通過Profibus現(xiàn)場總線接口卡FI830F與S800 I/O相連，實時采集現(xiàn)場信號并將控制運算結果送到相應的信號輸出模件。
　　根據(jù)系統(tǒng)實際需要，共配置有3個S800 I/O站。每個S800 I/O站有12個槽（0~11），其中第0個槽插CI830模件，用于與Profibus-DP主站連接，并設定Profibus-DP從站地址；第1~11個槽可混插各種類型的I/O模件。
      空氣壓縮機采用SIEMENS S7-400 PLC控制，氮氣壓縮機采用AB SLC5 PLC控制，通過標準TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)實現(xiàn)與主DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。

      2.2系統(tǒng)配置采用的新技術和特點
      2.2.1 可變周期任務運行
　　ABB AC800F控制器采用RISC處理器芯片，程序采用“任務運行”方式，每個任務都可設定運行周期和優(yōu)先級。所以該控制器既可滿足復雜調(diào)節(jié)回路控制要求，又可滿足快速電氣開關量控制，從而一個控制器可以覆蓋工廠所有環(huán)節(jié)的控制要求且系統(tǒng)編程語言符合IEC61131-3標準。

      2.2.2 開放的TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)技術
　　ABB AC800F控制器系統(tǒng)通信模件為標準TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)模件，使系統(tǒng)無須增加設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)交換標準，使系統(tǒng)與各種第三方數(shù)據(jù)庫或軟件的數(shù)據(jù)交換更加容易。

      2.2.3 整體冗余切換技術
　　用2個現(xiàn)場總線控制器AC800F可實現(xiàn)控制器1：1冗余，每個AC800F上都有兩個以太網(wǎng)卡EI803F，提供10BaseT接口，第一個用于連接系統(tǒng)網(wǎng)絡　　　　　　　　（DigiNetS），2個現(xiàn)場總線控制器AC800F的第二個網(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能迅速無擾動的接替工作，實現(xiàn)無擾動整體切換。

      2.2.4 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術
　　PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場層的高速數(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)時間必須要比主站（PLC）程序循環(huán)時間短。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。

      3 實現(xiàn)的主要控制功能和技術特色
　　本控制系統(tǒng)可實現(xiàn)整個空分流程中空氣壓縮、空氣預冷、空氣純化、增壓壓縮、膨脹透平、氧氮精餾、氬精餾、氮氣壓縮等子系統(tǒng)的自動控制，遠程手動操作及上位機管理，可完整地監(jiān)控整個空分系統(tǒng)的生產(chǎn)情況。

      3.1 在手動方式下，可通過計算機鍵盤和鼠標對所有受控閥門、水泵、液體產(chǎn)品泵進行控制，也可對分子篩凈化器進行單步操作。

      3.2 在自動方式下，主DCS主要實現(xiàn)了下列功能：
      （1）2臺分子篩凈化器吸附/再生周期的自動切換；
      （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液位控制回路的自動調(diào)節(jié)；
      （3）污氮進純化系統(tǒng)流量、增壓機進口流量、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)品氮氣放空流量、液氬泵出口壓力、純氬塔上部壓力等十幾個流量、壓力回路的自動控制；
      （4）自潔式過濾器阻力自動控制，分子篩加熱爐溫度自動控制；
      （5）空冷塔阻力和出口壓力、膨脹機和增壓機密封氣壓力報警聯(lián)鎖控制、油泵啟/停聯(lián)鎖控制等。

      3.3 空氣壓縮機PLC控制
      采用SIEMENS S7-400 PLC，人機界面采用eView觸摸屏?？刂破髋c人機界面之間使用串行通訊，即CPU414-2模板所帶的MPI接口通過SIEMENS PC適配器轉(zhuǎn)換成RS232口與人機界面的RS232串口相連；通過以太網(wǎng)模塊與ABB AC800F DCS實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊,實現(xiàn)了空氣壓縮機溫度、壓力、流量、位移、振動等各種工藝參數(shù)的集中監(jiān)視、記錄、歸檔并報警；壓縮機啟動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，使壓縮機的流量和壓力極其不穩(wěn)定。由于一般情況下，同時伴隨有反向的軸向推力和反向流動，從而造成間隙改變，使壓縮機的效率降低，壽命縮短，造成嚴重危害。萊鋼10#制氧機空壓機的特性曲線和喘振曲線見下圖2。

      (1) 快開慢關功能：任何一臺機組在發(fā)生喘振時，都希望防喘振控制器能快速響應，快速打開防喘振閥門，以防止危險發(fā)生；但在關閉閥門的過程中，也希望能慢慢地關閉，以防止發(fā)生喘振震蕩。快開慢關功能在接到喘振信號后，它能夠快速、及時的打開防喘振閥門，在關閉閥門時，控制信號也將以指數(shù)函數(shù)慢慢關閉閥門。

      (2) 手動/自動切換及保護功能：該系統(tǒng)具有手動/自動的無擾動切換功能。另外，在手動方式下，操作員難免會發(fā)生誤操作，該系統(tǒng)特有的手/自動保護功能便能克服這一缺點，它可以自動檢測操作員送來的信號，若信號錯誤，它便不接收而仍設為默認值，以保證機組的安全運行。

      (3) 在喘振控制線A附近進行閉環(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，當壓縮機運行在防喘振控制線A右側時，輸出為20 mA，防喘振閥完全關閉；當壓縮機操作點即將到達防喘振控制線A時，防喘振算法設計為打開防喘振閥，當操作點緩慢移動時，防喘振控制將以PID回路控制防喘振閥，使操作點保持在控制點處。

      (4) 到喘振控制快開線B進行開路控制：在軟件中建立了喘振控制快開線B。它在喘振控制線A的左側，喘振線C的右側，這對于較大的擾動是有效的，如果防喘振控制無法將操作點保持在控制點處，操作點仍向左移動，一旦到達快開線B，防喘振控制將由控制器輸出一階躍信號，將防喘閥開至預定開度，如果操作點停止移動，控制器信號將以指數(shù)函數(shù)慢慢增大（慢慢關閉閥門），直到進入PID控制。

      3.4 氮氣壓縮機PLC控制
　　采用美國AB SLC5 PLC，主要完成壓縮機溫度、壓力、流量、位移、振動等各種工藝參數(shù)的監(jiān)視、報警；壓縮機啟動和緊急停車等順序聯(lián)鎖控制，以及入口導葉和防喘閥的自動調(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；運行時間修改；異常報警打印等，使控制更加完善，操作更加簡單方便。

      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）等各階段的時間。用梯形圖的方式編輯控制程序，控制各階段閥門的開關狀態(tài)。

      3.5.2 位置反饋和監(jiān)控
　　為保證生產(chǎn)安全進行，各閥門增加了位置反饋信號。它由現(xiàn)場電接近開關提供，并在監(jiān)控畫面中顯示各閥門狀態(tài)。為便于區(qū)分兩分子篩運行和再生狀態(tài)，將兩分子篩及管道畫面作成動態(tài)顯示，同時將四組電加熱器的情況也作成動態(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)部有一保護開關，出口處有兩個溫度測點，分別測加熱器出口處再生氣體溫度，加熱器的投運主要受這兩點溫度和分子篩運行階段控制。

      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，直接切換會破壞其內(nèi)部各層吸附劑結構，因此切換前需要先均壓，切換后對要再生的分子篩進行泄壓，這部分控制設計為壓力聯(lián)鎖控制。均壓時壓力要高于設定值,均壓才能確認，否則程序?qū)⑼Ｖ惯\行，同時產(chǎn)生異常報警；泄壓時壓力低于設定值，泄壓確認，否則程序也將停止運行，同時產(chǎn)生異常報警，壓力確認后才能運行下一段程序。

      3.5.5 來電確認制
　　采用延時繼電器實現(xiàn)控制器對自身電源的監(jiān)測，并聯(lián)鎖分子篩切換程序的啟/停保持。所采用延時繼電器工作特性如圖2所示：

圖3 延時繼電器工作特性

      圖3中，t為繼電器的延時時間。只要延時時間足夠長，當電源開始正常時，控制器在小于t的時間內(nèi)啟動完畢，此時控制器檢測延時繼電器的觸點為斷開狀態(tài)，在軟件中用該信號置位一個保持繼電器C，使分子篩程序停止運行。只有操作工在畫面上操作一個復位按鈕AN且延時繼電器觸點閉合時，該繼電器被復位，程序重新運行。梯形圖如圖4所示。

圖4 分子篩程序運行/停止梯形圖

　　另外增加了分子篩運行狀態(tài)控制電加熱器能否投運的程序，該梯形圖在此不做贅述。
　　這樣當系統(tǒng)突然失電時，控制器也失電，此時控制器檢測不到失電信號；但是當電源恢復正常后，控制器恢復正常在t時間內(nèi)啟動完畢，能檢測到失電信號，當操作工手動操作監(jiān)控畫面上的“來電確認”按鈕進行復位后，程序才能在停止的地方繼續(xù)運行。
　　在實際工作中，我們經(jīng)過多次試驗，設定繼電器的延時時間為90秒時，就可保證程序的安全停止。

      3.6上位機監(jiān)控功能
      （1）畫面顯示：顯示系統(tǒng)主菜單、工藝流程參數(shù)和運行工況、運行方式、設備狀況、故障狀態(tài)、實時和歷史趨勢等。
      （2）系統(tǒng)運行操作：分子篩凈化器吸附/再生周期的自動切換或單步執(zhí)行，大型單體設備（如空壓機、氮壓機、膨脹機、水泵等）的啟/停控制。
      （3）報表管理：顯示和追加系統(tǒng)記錄報告，實時打印系統(tǒng)事件報告， 定時打印系統(tǒng)運行班報、日報、月報等報表。
      （4）報警功能：顯示故障區(qū)域流程圖，故障設備圖形變色或閃爍，屏幕上方用漢字顯示故障發(fā)生時間及性質(zhì)，打印機自動打印故障內(nèi)容及發(fā)生時間。

      4. 結語
　　現(xiàn)場總線、 DCS、SIEMENS和AB PLC等先進控制技術的綜合采用，以及“可變周期任務運行”、 “三線聯(lián)防”防喘振、先進控制功能的實現(xiàn)，使得該機組自建成投產(chǎn)以來，工作穩(wěn)定，安全性和可靠性高,故障停機率低,機組產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量穩(wěn)定，保證了生產(chǎn)的順利進行，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

      參考文獻：
      1、可編程控制器網(wǎng)絡通信及應用, 清華大學出版社,2000.3
      2、劉恩滄 計算機控制系統(tǒng)分析與設計 [M] 武漢;華中理工大學出版 社，1997。