控制系統(tǒng)結構 - 過程控制在空分裝置中的應用

　　該空分裝置采用了加拿大Elsag公司的INFI-90控制系統(tǒng)，其中INFI-90DCS作為過程控制系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)采集、回路調節(jié)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(xiàn)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(jiān)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(jiān)控，軟件組態(tài)及圖形、報警打印?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示。

?

　　圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構示意圖

　　該系統(tǒng)配置的最大特點是具有冗余功能，包括：

　　INFI-NET環(huán)的雙環(huán)熱態(tài)冗余。

　　兩塊網(wǎng)絡接口模件硬線配置成互為冗余，保證上環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)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(tǒng)程序執(zhí)行不中斷。

　　工程師工作站與操作員監(jiān)控站通過以太網(wǎng)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(qū)、存儲區(qū)的數(shù)據(jù)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(wěn)定，各回路間都設有級聯(lián)控制。該空分裝置主要是制取氧氣，氧氣流量調節(jié)回路如圖2所示。

?

　　圖2 氧氣流量調節(jié)回路組態(tài)示意圖

　　由于氧氣流量調節(jié)會影響到氬餾分、氧氣壓力、氧氣溫度的變化，聯(lián)鎖停車信號會使回路處于安全設定值狀態(tài)，因此設計過程中需考慮到這些因素的存在，使之處于級聯(lián)狀態(tài)，保證了氧氣流量的安全調節(jié)。

　　PID回路調節(jié)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(jiān)控畫面上直接修改閥門開度的輸出值，達到手動控制現(xiàn)場設備的目的。

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

　　(3) 級聯(lián)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(jiān)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(tài)好的實時數(shù)據(jù)庫(DHI)與DCS系統(tǒng)進行通信，以控制現(xiàn)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(xù)工序的相應重要生產參數(shù)，實現(xiàn)氧氣產量隨需求量的變化而變化的自動調節(jié)，調節(jié)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(tǒng)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(jiān)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(shù)

　　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(shù)的計算。

　　(3) 數(shù)據(jù)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(tài)傳送，其數(shù)據(jù)每5s刷新一次。ALC系統(tǒng)啟動前，受ALC控制的所有控制回路必須設定在適當?shù)牟僮鳡顟B(tài)(即自動/串級)。一旦出現(xiàn)錯誤的信號，ALC便自動停止數(shù)據(jù)的傳送，保持當前狀態(tài)，同時發(fā)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(shù)曲線，以便于操作人員監(jiān)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(xiàn)錯誤時，變負荷將自動停止，各回路保持在當前狀態(tài)。

　　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(tǒng)內部設置了一套自己的專家控制系統(tǒng)，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(tǒng)根據(jù)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(tài)(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(fā)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(shù)，這就是斜坡方程。該斜坡方程控制曲線如圖3所示。ALC系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)監(jiān)視。