一、前言

    空分設備是將空氣中的氮氣、氧氣分離中來(lái)的一種配套設備。近年來(lái)，中小型（氮氣或氧氣產(chǎn)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(shí)施的方便性受到廣大用戶(hù)的青睞。

    VPSA（變壓吸附）分離技術(shù)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(hù)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(shù)進(jìn)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(dòng)快、投資少、建設周期短、綜合能耗低等特點(diǎn)。對于污水處理、鋼鐵等行業(yè)，系統完全可以滿(mǎn)足用戶(hù)用氧需求。

    二、工藝簡(jiǎn)介

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

    空氣經(jīng)過(guò)濾器去除空氣中雜質(zhì)，由鼓風(fēng)機壓縮、換熱器降溫，從吸附器下部進(jìn)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?？諝馔ㄟ^(guò)吸附床層時(shí)，空氣中H20、CO2、碳氫化合物，氮氣被吸附劑選擇性吸附，氧氣產(chǎn)品從吸附器頂部流出。吸附劑飽和后，通過(guò)降低吸附器工作壓力實(shí)現吸附組分解吸，外流出吸附器。每一個(gè)循環(huán)， 吸附器都經(jīng)歷了吸附、順向放壓、真空解吸、均壓、充壓五個(gè)工作步驟。

    這五個(gè)工作步驟是通過(guò)氣動(dòng)切換閥切換來(lái)實(shí)現的。氣動(dòng)切換閥的動(dòng)作由PLC控制系統根據沒(méi)定的程序控制閥門(mén)的自動(dòng)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(chǎn)品，上位機軟件使用北京亞控公司的組態(tài)王，系統按照無(wú)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(tài)王監控軟件的聯(lián)合控制模式，具備各種通訊和遠程監控功能。PLC和組態(tài)王均采用冗余結構配置，網(wǎng)絡(luò )架構采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)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(dòng)作切換在毫秒內完成，保證系統的安全性、及時(shí)性。上位機系統主要有IO服務(wù)器、登錄服務(wù)器、報警服務(wù)器、歷史服務(wù)器、web服務(wù)器組成。

    1、IO服務(wù)器主機和IO服務(wù)器從機組成上位機雙機熱備，系統正常運行的時(shí)，主、從機都啟動(dòng)，但從機不采集實(shí)時(shí)數據，而通過(guò)網(wǎng)絡(luò )獲取主機數據，同時(shí)負責對主機進(jìn)行監聽(tīng)。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(jìn)行上位機組態(tài)、修改組態(tài)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(wù)器、報警服務(wù)器、歷史服務(wù)器三臺服務(wù)器，也可以使用一臺服務(wù)器擔當三個(gè)角色。同時(shí)也可以作為中控室的調度站。

    4、WEB服務(wù)器獨立存在，專(zhuān)門(mén)負責數據的網(wǎng)絡(luò )發(fā)布、供客戶(hù)端瀏覽。

    5、客戶(hù)端用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)數據要通過(guò)防火墻，它可以限制IP訪(fǎng)問(wèn)和數據流傳輸方向，保證網(wǎng)絡(luò )了安全。

    組態(tài)王軟件實(shí)現的主要功能為：

    －數據采集：實(shí)時(shí)就地集中監測鼓風(fēng)機、空壓機、真空泵、氧壓機、等運行狀態(tài)及各主要運行參數，并且能實(shí)時(shí)顯示其運行狀態(tài)圖和數值。通過(guò)組態(tài)王進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)，實(shí)現實(shí)時(shí)數據曲線(xiàn)、歷史數據曲線(xiàn)、PID參數設置、閥門(mén)時(shí)序控制設置等操作。

    －報警功能：組態(tài)王可以實(shí)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(shí)，給出報警，操作員或決策者就應該注意采取措施，同時(shí)給與權限的工作人員能在線(xiàn)直接修改參數。

    －遠程控制：在整個(gè)控制中比較多吸附塔部分，主要是對閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現分子篩的自動(dòng)解吸;閥門(mén)的時(shí)序動(dòng)作采用配方控件來(lái)世間，簡(jiǎn)單、快捷、方便。有些閥門(mén)的控制是根據管線(xiàn)氣體壓力過(guò)大，進(jìn)行開(kāi)閥放空的操作，個(gè)別的調節閥PID控制主要由PLC來(lái)實(shí)現，組態(tài)軟件在上位機僅對其進(jìn)行一些參數設置。氧壓機、真空泵和鼓風(fēng)機控制主要是對電機啟?？刂?，當設備振動(dòng)監測報警以后會(huì )自動(dòng)停止設備的運行。

    －歷史數據記錄和查詢(xún)：數據能實(shí)時(shí)被采集的上位機中，同時(shí)能寫(xiě)入數據庫中，數據庫也實(shí)時(shí)更新并存儲，用戶(hù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)曲線(xiàn)查看數據狀態(tài)，通過(guò)查看歷史曲線(xiàn)、直接查詢(xún)數據庫等操作對歷史數據進(jìn)行查詢(xún)和進(jìn)一步的對數據分析。

    －操作歷史記錄：組態(tài)王中能對每次操作記錄能自動(dòng)記錄，同時(shí)在實(shí)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(jìn)一步的保障系統的安全，穩定運行。

    －在線(xiàn)查詢(xún)各報表并自動(dòng)打?。焊鶕蛻?hù)的需求，可在線(xiàn)查看各種報表、并實(shí)現自動(dòng)打印。如班報、日報、月報表等。

    四、總結

    本文介紹了組態(tài)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(hù)選擇，并經(jīng)過(guò)了實(shí)際的工程驗證，受到用戶(hù)的一致好評。組態(tài)王作為上位機監控軟件完成對現場(chǎng)數據監測的同時(shí)，提供多種控件功能來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的實(shí)際需求，很好的完成了上位機監控任務(wù)?？紤]整個(gè)空分系統的安全，一些聯(lián)鎖動(dòng)作和PID控制還建議用戶(hù)在PLC部分來(lái)實(shí)現。這樣，即使上位機系統暫時(shí)癱瘓也不會(huì )影響系統的整體運行。

    總之，“組態(tài)軟件+PLC”的控制模式完全可以滿(mǎn)足中小型空分系統的控制要求，系統具有實(shí)施方便、運行穩定、靈活、可擴展性等特點(diǎn)。隨著(zhù)技術(shù)的成熟，設備規模不斷擴大，可以滿(mǎn)足中小型空分市場(chǎng)的需求。近年來(lái)，變壓吸附空分技術(shù)依靠自身優(yōu)勢，在一些行業(yè)已經(jīng)逐步取代了傳統的深冷法空分技術(shù)。