隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為冶金、石化、化工和航天等工業(yè)領(lǐng)域配套的大中型空分設(shè)備得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。作為我國(guó)重大裝備工業(yè)的空分設(shè)備制造業(yè)，不但規(guī)模得到空前發(fā)展，同時(shí)空分技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用，如采用新型的內(nèi)壓縮流程技術(shù)、先進(jìn)的高級(jí)控制技術(shù)、更完善的安全運(yùn)行和操作技術(shù)等。
概述
開(kāi)封黃河空分集團(tuán)為山東江鑫鋼鐵集團(tuán)設(shè)計(jì)建造的26800m3/h液氧內(nèi)壓縮流程空分裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用和利時(shí)HOLLiAS MACS分布式控制系統(tǒng)，監(jiān)視空分設(shè)備各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)采集、過(guò)程控制、邏輯控制和聯(lián)鎖控制等功能。該系統(tǒng)是一個(gè)完善、經(jīng)濟(jì)、可靠的控制系統(tǒng)：
1) 基于PFOFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)；
2) 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，屬于C/S的體系結(jié)構(gòu)；
3) 集成的OPC技術(shù)，支持超過(guò)100家的通訊協(xié)議；
4) 采用成熟的先進(jìn)控制算法，對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控；
5) 集成了DMS系統(tǒng) 、RealMIS系統(tǒng)、 ERP系統(tǒng)、SCM和 CRM系統(tǒng)等，可在智能現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備、控制系統(tǒng)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)之間進(jìn)行無(wú)縫信息流傳送，輕易實(shí)現(xiàn)工廠智能化、管控一體化，為工廠自動(dòng)控制和企業(yè)管理提供全面的解決方案。
工藝介紹
空氣中的主要成分是氧和氮，它們分別以分子狀態(tài)存在。分子是最小顆粒，數(shù)目非常多，并且不停地在作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，因此，空氣中的氧、氮等分子是均勻地相互攙混在一起的，要將它們分離開(kāi)是較困難的。目前在工業(yè)上廣泛采用深度冷凍方法分離空氣來(lái)制取氧和氮。
先將空氣通過(guò)壓縮、膨脹降溫，直至空氣液化（－173℃），再利用氧、氮的氣化溫度不同（在大氣壓下，氧的沸點(diǎn)為－183℃，氮的沸點(diǎn)為－196℃），沸點(diǎn)低的氮相對(duì)于氧要容易氣化這個(gè)特性，在精餾塔內(nèi)讓溫度較高的蒸汽與溫度較低的液體不斷相互接觸，液體中的氮較多地蒸發(fā)，氣體中的氧較多的冷凝，使上升蒸汽中的含氮量不斷提高，下流液體中的含氧量不斷增大，以此實(shí)現(xiàn)將空氣分離。
空分工藝流程大體可分為空氣壓縮系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、氧氣壓縮輸送系統(tǒng)，加溫解凍貯存系統(tǒng)。
一般的空分裝置生產(chǎn)的氧、氮產(chǎn)品來(lái)自上塔的低壓氧、氮?dú)怏w，經(jīng)換熱器復(fù)熱后出空分冷箱，絕對(duì)壓力約為0.12MPa，然后再由氧氣壓縮機(jī)將它壓縮到所需的壓力（3.1MPa）供給用戶。液氧內(nèi)壓縮流程是從冷凝蒸發(fā)器抽出液氧產(chǎn)品，經(jīng)液氧泵壓縮到所需的壓力（約3.1MPa），再經(jīng)換熱器復(fù)熱、氣化后供給用戶。即它是在冷箱內(nèi)壓縮到所需壓力的，與外壓縮流程相比，存在以下優(yōu)點(diǎn)：
1) 不需要氧氣壓縮機(jī)，由于將液體壓縮到相同的壓力所消耗的功率比壓縮同樣的氣體要小得多，并且液氧泵體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，費(fèi)用要比氧氣壓縮機(jī)便宜得多；
2) 液氧壓縮比氣態(tài)壓縮較為安全；
3) 由于不斷有大量液體從主冷設(shè)備中排出，碳?xì)浠衔锊灰自谥骼湓O(shè)備中濃縮，有利于設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)；
4) 變頻液體泵的應(yīng)用，使產(chǎn)品氧氣、氮?dú)饬髁空{(diào)節(jié)非常靈活，產(chǎn)品純度的穩(wěn)定性較好。
系統(tǒng)配置
整個(gè)DCS系統(tǒng)共配置3臺(tái)操作員站（其中一臺(tái)可兼作工程師站），各個(gè)站之間采用冗余的100M以太網(wǎng)連接。具有數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算、控制輸出、設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警監(jiān)視、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和顯示、歷史數(shù)據(jù)管理、日志記錄、事故順序識(shí)別、事故追憶、圖形顯示、控制調(diào)節(jié)、報(bào)表打印、高級(jí)計(jì)算，以及所有這些信息的組態(tài)、調(diào)試、打印、診斷、系統(tǒng)下裝、在線增量下裝等功能。
l 工程師站（兼操作員站）功能
工程師站主要完成設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形、控制算法、報(bào)表和系統(tǒng)參數(shù)的離線組態(tài)及管理、系統(tǒng)初始化下裝和在線下裝等功能。此外，工程師站也可切換到在線的模式，運(yùn)行操作員軟件，實(shí)現(xiàn)操作員站功能。
l 操作員站功能
操作員站主要執(zhí)行操作員的命令，包括接收來(lái)自操作員的鍵盤(pán)，鼠標(biāo)或觸摸屏信息，進(jìn)行各種監(jiān)視信息的顯示和查詢，如工藝流程圖顯示、報(bào)警監(jiān)視、日志查詢、各種表格和列表的顯示和打印，或者輸入操作員的命令和參數(shù)，修改系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的人工干預(yù)，如在線參數(shù)修改、控制調(diào)節(jié)等。
操作員站還可兼作打印服務(wù)器,配置打印機(jī),實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)打印和請(qǐng)求打印功能.
l 現(xiàn)場(chǎng)控制站功能
現(xiàn)場(chǎng)控制站通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與I/O模塊連接，完成數(shù)據(jù)采集、工程單位變換、控制運(yùn)算、控制輸出、通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果傳送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)等功能。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下：
I/O配置清單如下：
控制方案
空分裝置從總體上分析，控制回路數(shù)較多，但從目前在現(xiàn)場(chǎng)使用的控制方案看，使用方案卻相對(duì)簡(jiǎn)單，這并不是因?yàn)榭辗止に嚭?jiǎn)單，大部分可以通過(guò)簡(jiǎn)單回路實(shí)現(xiàn)，而是因?yàn)楸豢貐?shù)太多，且這些參數(shù)間的關(guān)聯(lián)太強(qiáng)，無(wú)法建立精確的數(shù)學(xué)模型，而現(xiàn)代控制理論基本上都是針對(duì)一定的數(shù)學(xué)模型在進(jìn)行控制，因此空分裝置要想通過(guò)一般控制規(guī)律實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制或優(yōu)化控制是有難度的。
l 常規(guī)控制
空分裝置常規(guī)回路部分由于工藝的特點(diǎn)，很多控制回路都為常規(guī)單PID控制，部分回路采用手操器控制，這些回路包括：空壓機(jī)入口導(dǎo)葉控制、空壓機(jī)防喘振閥控制、增壓機(jī)入口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)、增壓機(jī)防喘振控制、空冷塔液位調(diào)節(jié)、水冷塔液位調(diào)節(jié)、液空回上塔調(diào)節(jié)、液氬回流調(diào)節(jié)以及主冷液面調(diào)節(jié)等。
l 聯(lián)鎖控制
空分裝置從工藝過(guò)程特點(diǎn)看，屬于高壓低溫物料處理過(guò)程，工藝設(shè)備中，大型動(dòng)力設(shè)備較多。為了安全起見(jiàn)，這些設(shè)備的啟停及運(yùn)行中如有異常，均要求控制系統(tǒng)能做出相應(yīng)反應(yīng)，從而保證工藝設(shè)備的安全，這些聯(lián)鎖包括：
1） 空壓機(jī)軸承振動(dòng)大，聯(lián)鎖停車(chē)；
2） 空壓機(jī)軸承位移大，聯(lián)鎖停車(chē)；
3） 空壓機(jī)軸承溫度高，聯(lián)鎖停車(chē)；
4） 空壓機(jī)軸承潤(rùn)滑油低三取二，聯(lián)鎖停車(chē)；
5） 增壓機(jī)軸承振動(dòng)大，聯(lián)鎖停增壓機(jī)；
6） 增壓機(jī)軸承位移大，聯(lián)鎖停增壓機(jī)；
7） 增壓機(jī)軸承溫度高，聯(lián)鎖停增壓機(jī)；
8） 增壓機(jī)軸承潤(rùn)滑油低三取二，聯(lián)鎖停增壓機(jī)；
9） 膨脹機(jī)軸承溫度高，聯(lián)鎖停膨脹機(jī)；
10） 膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速高，聯(lián)鎖停膨脹機(jī)；
11） 膨脹機(jī)軸承潤(rùn)滑油壓力低，聯(lián)鎖停膨脹機(jī)；
12） 空氣出空冷塔壓力低，停預(yù)冷水泵；
13） 空冷塔液位低，停預(yù)冷水泵；
14） 分子篩吸附器阻力大，停預(yù)冷水泵
15） 粗氬塔液面低，停粗氬泵；
l 順序控制
分子篩吸附器的整個(gè)再生和工作過(guò)程，必須嚴(yán)格按照規(guī)定的控制程序和時(shí)間、壓力、壓差等條件以及前一步動(dòng)作完成之后有關(guān)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行。一般分子篩吸附器的再生過(guò)程為：
分子篩吸附器的切換程序要能具備下述功能：在手動(dòng)時(shí)能完成設(shè)定運(yùn)行的時(shí)間，能直接操作現(xiàn)場(chǎng)的電磁閥，能設(shè)定相關(guān)參數(shù)；自動(dòng)時(shí)，要能按設(shè)定的時(shí)序完成切換動(dòng)作，當(dāng)DCS系統(tǒng)對(duì)外動(dòng)作電磁閥經(jīng)數(shù)秒后，若收不到現(xiàn)場(chǎng)正確的電磁閥反饋，系統(tǒng)將對(duì)外發(fā)一警告信息，提示本次切換有誤，請(qǐng)求操作人員干預(yù)。切換整個(gè)程序原理框圖如下。
小結(jié)
該系統(tǒng)2008年8月份開(kāi)始調(diào)試，2008年9月底考核驗(yàn)收通過(guò)。自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制功能和控制精度符合生產(chǎn)工藝要求。
